MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài. Trạm bơm phục vụ tƣới tiêu, cấp thoát nƣớc ở Việt nam chiếm một vị trí quan trọng phục vụ sản xuất nông nghiệp cũng nhƣ phát triển đô thị. Theo thống kê hiện nay nƣớc ta có khoảng 10.000 trạm bơm trong đó trên 2.000 trạm bơm lớn và vừa với tổng công suất lắp máy về tƣới là 250 MW, tiêu là 300 MW.
Cho đến nay, hàng loạt các trạm bơm tƣới vùng đồng bằng Bắc Bộ đã đƣợc xây dựng để tƣới trực tiếp cho 3,5 triệu ha, tƣới tạo nguồn 1,13 triệu ha, tiêu cho khoảng 1 triệu ha. Các trạm bơm tiêu biểu cho một số vùng có thể kể đến là: Lâm Thao, Sơn Cƣơng, Bạch Hạc, Đại Định, Thanh Điềm (Vĩnh Phúc); Trịnh Xá , Kim Đôi, Môn Quảng, Đặng Xá, Tân Chi, Văn Thai (Hà Bắc); Phù Sa, Đan Hoài, Hồng Vân, La Khê (Hà Tây); Ấp Bắc, Nam Hồng, Đông Mỹ, Yên Sở (Hà Nội); Nhâm Tràng, Kinh Thanh, Chợ Lƣơng, Giáp Ba, Triệu Xá (Hà Nam); Cổ Đam, Quỳ Độ, Nhâm Tràng, Kinh Thanh, Cốc Thành, Nhƣ Trác (Nam Định); Nhƣ Quỳnh, Văn Lâm, Văn Giang (Hƣng Yên); Cầu Khải, Hoằng Khánh, Nam Sông Mã, Thiệu Duy, Thiệu Thịnh, Yên Tôn, Yên Thôn (Thanh Hóa); Linh Cảm (Hà Tĩnh),. Hiệu quả do các trạm bơm đem lại là rất lớn, tuy nhiên chi phí xây dựng, thiết bị cũng nhƣ chi phí quản lý vận hành đặc biệt là chi phí năng lƣợng của các trạm bơm cũng rất đáng kể. Theo con số sơ bộ, hàng năm nƣớc ta tốn khoảng 1.500 tỷ đồng chi phí điện cho các trạm bơm nông nghiệp và hàng nghìn tỷ đồng cho các trạm bơm tiêu.
Đối với trạm bơm việc lựa chọn thiết bị cũng nhƣ công nghệ hợp lý có ý nghĩa vô cùng quan trọng, không những quyết định đến hình thức kết cấu mà còn ảnh hƣởng đến hiệu suất của máy bơm, hiệu quả làm việc của trạm cũng nhƣ chi phí xây dựng và quản lý vận hành sau này của trạm bơm. Trong quá trình làm việc, máy bơm không phải lúc nào cũng làm việc ở cột 2 nƣớc thiết kế, điểm công tác có hiệu suất cao mà đó là một dải các cột nƣớc khác nhau tùy thuộc vào mực nƣớc bể hút, bể xả. Để máy bơm luôn làm việc trong vùng có hiệu suất cao, nhất là trong những trƣờng hợp làm việc ngoài cột nƣớc thiết kế có ý nghĩa hết sức quan trọng để nâng cao hiệu quả làm việc của trạm bơm, tiết kiệm chi phí xây dựng cũng nhƣ quản lý vận hành. Vấn đề này đƣợc giải quyết thông qua việc điều chỉnh đƣờng đặc tính của máy bơm với 2 phƣơng pháp: thay đổi số vòng quay và thay đổi góc nghiêng cánh quạt (đối với các máy bơm có thể thay đổi đƣợc góc nghiêng cánh quạt).
Qua quá trình phát triển của công nghệ, phƣơng pháp thay đổi số vòng quay bằng khớp nối thủy lực ngày càng thể hiện nhiều ƣu điểm tiên tiến nhƣ: + Giảm thiểu mô men kháng khi khởi động, chống rung, chống sốc. + Giảm thiểu dòng xung mở máy. + Khởi động không tải, giảm thời gian khởi động. + Có thể thay đổi đƣợc tốc độ quay.
+ Thiết kế đơn giản, nhỏ gọn, tiết kiệm diện tích lắp đặt. + Tiết kiệm năng lƣợng do tối ƣu hóa hiệu suất của hệ thống. + Đặc biệt, trong những trƣờng hợp gặp sự cố nhƣ kẹt động cơ, quá tải, khớp nối thủy lực có khả năng xử lý sự cố và độ an toàn cao. Trên thế giới, khớp nối thủy lực đã trải qua lịch sử phát triển hàng trăm năm còn tại Việt Nam, khoảng 10 năm gần đây mới bắt đầu sử dụng loại công nghệ này để thay thế cho các loại khớp nối cứng giữa mô tơ và động cơ, nhƣ tại các nhà máy nhiệt điện, thủy điện, xi măng: Phả Lại, Cẩm Phả, Hà Tiên, Nhơn Trạch … Với nhu cầu kể trên việc nghiên cứu hiệu quả cũng nhƣ khả năng ứng dụng của khớp nối thủy lực trong tính toán thiết kế và lắp đặt thiết bị vào các công trình thủy lợi, đặc biệt là trong các trạm bơm là cần thiết.
Mục đích và nhiệm vụ của đề tài. 3 Nghiên cứu, phân tích những ƣu nhƣợc điểm và khả năng ứng dụng của khớp nối thủy lực vào các trạm bơm phục vụ tƣới, tiêu và cấp thoát nƣớc. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: a. Đối tƣợng nghiên cứu: Khớp nối thủy lực, chế độ làm việc của máy bơm, trạm bơm.
Phạm vi nghiên cứu: Các trạm bơm tƣới tiêu và cấp thoát nƣớc, trong đó tập trung vào trạm bơm tiêu vùng đồng bằng sông Hồng. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu - Để thực hiện đƣợc các nội dung của đề tài, cần sử dụng các phƣơng pháp nghiên cứu sau: - Dùng phƣơng pháp thu thập số liệu, thống kê và phân tích để đánh giá tình hình sử dụng khớp nối thủy lực. - Lập mô hình toán để xác định chế độ làm việc của trạm bơm, đƣờng đặc tính của máy bơm, công suất và năng lƣợng tiêu thụ của trạm bơm, lập trình bằng các ngôn ngữ (PASCAL, Visual Basic, VBA. - Áp dụng các lý thuyết về Thuỷ lực, Máy bơm, Trạm bơm,.
và các môn học khác có liên quan. Kết quả dự kiến đạt được - Xây dựng thuật toán xác định chế độ làm việc và năng lƣợng tiêu thụ của trạm bơm khi máy bơm thay đổi đƣợc số vòng quay. - Đánh giá hiệu quả và khả năng ứng dụng của khớp nối thủy lực vào các trạm tƣới tiêu và cấp thoát nƣớc. - Đề xuất các trƣờng hợp cần thiết hay không cần thiết sử dụng khớp nối thủy lực trong các trạm bơm.
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA TRẠM BƠM [1] 1. Đƣờng đặc tính của máy bơm ly tâm Đƣờng đặc tính của máy bơm là một tập hợp các đƣờng cong biểu thị quan hệ giữa các tham số chủ yếu của máy bơm: H, Q, N, n và độ cao chân không cho phép [Hck] hoặc độ dự trữ khí thực cho phép [h]. Đường đặc tính H~Q a.
Đƣờng đặc tính Hl~Q Phƣơng trình cột nƣớc lý thuyết U 2C2U H1 (1.1 Tam giác vận tốc Từ tam giác vận tốc Hình 1.1 chỗ ra của bánh xe cánh quạt có thể viết: C2U = U2 – C2rctg2.2) C2r - hình chiếu của vận tốc tuyệt đối lên phƣơng bán kính tại chỗ ra, sẽ thẳng góc với đƣờng tròn của vành ngoài bánh xe, do đó lƣu lƣợng chỗ ra của bánh xe (cũng bằng lƣu lƣợng chảy qua bánh xe cánh quạt), có thể tính bằng: Ql = πD2b2C2r (1.3) Từ đó có: 5 Ql C2r D 2 b 2 Thay các trị số vào ta có: U 22 U 2ctg2 H1 Ql g D2 b 2g U 22 U ctg2 Đặt: A, 2 B g D 2 b 2 g Ta có: Hl A BQl H 2 U2 2 A = g2 2 K.U 2 A1= g 2 H l oo H Hl h ms max h xk 0 Qp A/B Q ht h ms h xk 0 Qp Q Hình 1. Đƣờng đặc tính H~Q vẽ theo lý thuyết của máy bơm ly tâm. 1 Nếu ta nhân hai vế phƣơng trình với hệ số sẽ tìm đƣợc phƣơng trình cột 1 P nƣớc lý thuyết khi số cánh quạt có hạn: Hl A1 B1Ql (1.4) 6 Nhƣ vậy đƣờng quan hệ giữa H1 và Q là đƣờng thẳng không qua gốc toạ độ. Đƣờng quan hệ này phụ thuộc trị số góc ra của cánh quạt 2.
Có 3 trƣờng hợp (Hình 1.2): 1) Khi 2>90o: cánh quạt chỗ ra hƣớng theo chiều quay, ctg2<0 do đó B1<0. Đƣờng biểu diễn là một đƣờng thẳng đi lên nghĩa là H2 tăng theo Q. 2) Khi 2=90o, nghĩa là chỗ ra cánh quạt trùng với phƣơng của bán kính, ctg2=0 do đó U 22 B1=0, H1 . Đƣờng biểu diễn Hl~Q là một đƣờng thẳng nằm ngang.
g 3) Khi 2< 90o, cánh quạt chỗ ra uốn cong ngƣợc chiều với chiều quay, ctg2>0, do đó B1>0. Đƣờng quan hệ H1~Q là một đƣờng thẳng đi xuống. Những bánh xe cánh quạt có góc ra 2<90o có nhiều ƣu điểm hơn các loại có 2=90o và 2>90o. Do đó ở đây chỉ nghiên cứu đƣờng đặc tính H1~Q khi 2<90o.
Đƣờng đặc tính H~Q Đƣờng đặc tính Hl~Q ở trên chƣa xét đến các tổn thất sinh ra trong máy bơm. Muốn có đƣợc đƣờng quan hệ giữa lƣu lƣợng Q và cột nƣớc thực tế H mà máy bơm sinh ra phải khấu trừ đi các tổn thất. Các tổn thất làm giảm cột nƣớc gồm có: tổn thất vì ma sát thuỷ lực và tổn thất xung kích.2 đƣờng II biểu thị quan hệ H~Q1. Nếu từ II khấu trừ các tổn thất ma sát sẽ có đƣờng cong III và đƣờng cong IV là các đƣờng quan hệ giữa lƣu lƣợng Q và cột nƣớc H sau khi đã khấu trừ các tổn thất nói trên.
Đường đặc tính N~Q Trên Hình 1.3 thể hiện đƣờng đặc tính N~Q Trong đó N- công suất trục máy bơm; 7 Nt1- công suất khắc phục tổn thất ma sát thuỷ lực; Nt2- công suất khắc phục tổn thất xung kích; Nd- tổn thất dung tích; Nc- tổn thất cơ khí N N Nd N ms Nc N xk Nl Nxk N hq 0 Qp Q Hình 1. Đƣờng đặc tính Q~N vẽ theo lý thuyết của máy bơm ly tâm Khi bơm một lƣu lƣợng Q lên một độ cao Hl, máy bơm sẽ tiêu thụ một công suất bằng: Nl = QHl Nl gọi là công suất lý thuyết. Thay trị số của Hl vào, ta có: Nl = A 2 Q – B 2 Q2 Vậy đƣờng quan hệ Nl~Q là đƣờng parabol đi qua gốc toạ độ. Đƣờng cong này phụ thuộc vào sự thay đổi của góc 2 và cũng nhƣ trên, chỉ xét đƣờng cong đi xuống ứng với 2< 90o.
Để tìm công suất trục máy bơm N, trên tung độ của đồ thị (Hình 1.3) phải cộng thêm một công suất khắc phục các tổn thất cơ khí Nc, tổn thất dung tích Nd. Nếu khấu trừ công suất khắc phục tổn thất thuỷ lực Nt1, ta có công suất hiệu quả. Đường đặc tính ~Q 100% ~Q 0 Qp Q Hình 1. Đƣờng đặc tính ~Q Để biểu thị sự thay đổi của hiệu suất máy bơm khi lƣu lƣợng Q thay đổi, ngƣời ta vẽ đƣờng đặc tính hiệu suất của máy bơm.
Trên trục hoành của đồ thị Hình 1.4 biểu thị độ lớn của Q, trục tung biểu thị tính theo tỷ lệ phần trăm. Đƣờng 100% biểu thị khi công suất có hiệu quả bằng công suất trục; hiệu suất = 100%. Đƣờng 2 biểu thị hiệu suất sau khi khấu trừ đi tổn thất cơ khí. Đƣờng 3 là hiệu suất sau khi đã loại trừ tổn thất cơ khí và dung tích.