TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BỘ MÔN KỸ THUẬT HẠ TẦNG VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN * BÀI GIẢNG CAO HỌC CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU BẰNG ĐỘNG LỰC GS. TS.LÊ CHÍ NGUYỆN HÀ NỘI - 2013 MỞ ĐẦU Máy bơm và trạm bơm là một loại thiết bị và công trình được sử dụng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân. Nhằm mục đích tưới tiêu và cung cấp nước cho sinh hoạt và công nghiệp, đến nay chúng ta đã xây dựng nhiều trạm bơm lớn, nhỏ. Tất cả các trạm bơm trên đều do cán bộ kỹ thuật nước ta thiết kế, xây dựng và quản lý vận hành và đã phát huy hiệu quả tưới tiêu đảm bảo an toàn sản xuất nông nghiệp nâng cao năng suất và sản lượng cây trồng. Song song với các trạm bơm tưới tiêu có áp lực thấp xây dựng chủ yếu ở các vùng đồng bằng, các trạm bơm áp lực cao dùng để tưới cho các vùng đồi, cây chuyên canh, sử dụng các kỹ thuật tưới phun, tưới gốc…., các trạm bơm cấp nước cho các khu dân cư đang được xây dựng và phát triển. Để đáp ứng yêu cầu sản xuất, không ngừng hiện đại hóa hệ thống thủy lợi ở nước ta yêu cầu cấp thiết phải: 1. Nâng cao trình độ thiết kế, xây dựng đảm bảo công trình hiện đại, hợp lý. 2. Nâng cao trình độ khai thác vận hành để giảm chi phí quản lý, tăng hiệu quả tưới, tiêu và cấp thoát nước. Để đáp ứng các yêu cầu trên, cần thiết phải nghiên cứu để giải quyết những vấn đề sau đây : Về máy bơm : 1. Xác định được một gam bơm hợp lý phủ được toàn bộ các yêu cầu dùng bơm trong cả nước. 2. Hiện đại hóa thiết bị và trình độ chế tạo. 3. Nghiên cứu hoàn thiện hệ thống dẫn dòng thủy lực (bánh xe cánh quạt, cánh hướng nước…) để nâng cao hiệu suất bơm, kết cấu bơm gọn nhẹ. 4. Nghiên cứu áp dụng các vật liệu mới nâng cao độ bền, giảm trọng lượng, chống khí thực, nước va… Về trạm bơm: 1. Nghiên cứu xác định quy mô tối ưu các hệ thống tưới tiêu bằng động lực. 1 2. Nghiên cứu xác định các thông số thiết kế hợp lý Zh, Zt, H, Q… cho các trạm bơm tưới, tiêu và cấp nước. 3. Nghiên cứu các kết cấu nhà trạm phù hợp với các loại thiết bị bơm và yêu cầu về nền móng và các điều kiện tự nhiên khác. 4. Nghiên cứu hình dạng và cấu tạo hợp lý các công trình hút nước, tháo nước. 5. Phương pháp tính toán tối ưu mạng ống tưới và cấp nước. 6. Nghiên cứu lập chương trình điều khiển, vận hành tối ưu các trạm bơm và hệ thống tưới tiêu cấp nước bằng động lực. Những vấn đề trên được giải quyết dựa vào các cơ sở. - Lý thuyết phân tích hệ thống - Lý thuyết tối ưu - Lý thuyết về thủy lực và cơ chất lỏng - Các phương pháp thí nghiệm mô hình vật lý… Cuốn sách này giúp người đọc nâng cao một số kiến thức chủ yếu về máy bơm, trạm bơm và cung cấp một số vấn đề cơ sở có thể áp dụng để giải quyết các bài toán về hệ thống tưới tiêu và cấp nước bằng động lực. CHƯƠNG I: ĐẶC TÍNH MÁY BƠM VÀ TRẠM BƠM 1.1. ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH MÁY BƠM 1.1.1. Đường đặc tính máy bơm cánh quạt: 2 • Máy bơm cánh quạt là máy bơm có bánh xe công tác (BXCT) gắn cnh quạt v khi BXCT quay sẽ truyền năng lượng cho chất lỏng. • Đây là loại máy bơm được dng phổ biến nhất và được nghin cứu đầy đủ nhất. Máy bơm cánh quạt được phn ra thnh 3 loại theo hướng của dịng chảy chuyển động trong máy bơm so với trục bơm: - M¸y b¬m ly t©m - M¸y b¬m hưíng trơc - M¸y b¬m hưíng chÐo M B LT MBHTMBHC Đặc tính công tác của mỗi loại máy bơm biểu thị bằng các đường đặc tính máy bơm. Đường đặc tính máy bơm là đường quan hệ giữa các thông số cột nước H, công suất N, hiệu suất và đặc tính hút (Độ cao chân không cho phép, độ cao hút cho phép hoặc độ dữ khí thực) với lưu lượng Q, số vòng quay n và đường kính ngoài bánh xe cánh quạt D. Với một máy bơm (D = const) làm việc với số vòng quay n = const có một họ đường đặc tính gồm H = f(Q), η = f(Q), N = f(Q), ∆H(NPSH) = f(Q) (hoặc [H CK ] = f(Q)). Họ đường đặc tính này có dạng khác nhau tùy theo loại khác nhau của máy bơm cánh quạt. Máy bơm cánh quạt có 3 loại : - Bơm ly tâm : n S ≤ 300 - Bơm hướng chéo n S > 300 ÷ 500 - Bơm hướng trục n S > 500 Dạng đường đặc tính của ba loại máy bơm cánh quạt này (hình 1.1) có khác nhau. 3 η Q Η Ν η=f(Q) A B Ν=f(Q) Η=f(Q) C A' B' C' η Q Η Ν η=f(Q) Ν=f(Q) Η=f(Q) η Q Η Ν η=f(Q) Ν=f(Q) Η=f(Q) a. Bơm ly tâm b. Bơm hướng chéo c. Bơm hướng trục Hình1 : Dạng đường đặc tính máy bơm cánh quạt * Máy bơm ly tâm, là loại máy bơm truyền lực ly tâm cho chất lỏng, có hệ số tỷ tốc n S ≤ 300. Họ đường đặc tính bơm ly tâm biểu thị ở hình 1-1a. Dạng đường H = f(Q) có dạng cong trơn, phạm vi hiệu suất cao rộng, Đường N = f(Q) tăng dần theo lưu lượng. Máy bơm hướng trục truyền lực nâng cho chất lỏng có n S ≥ 500 có họ đường đặc tính biểu thị ở hình 1.1.c. Đường H = f(Q) và N = f(Q) giảm với tốc độ lớn theo Q tăng và xuất hiện các cực đại và cực tiểu. Vùng từ cực đại C về phía Q giảm đột ngột. Đường hiệu suất η = f(Q) nhọn nên phạm vi hiệu suất cao thường rất bé. Máy bơm hướng chéo (hỗn lưu) là loại máy bơm truyền cho chất lỏng cả lực ly tâm và lực nâng, hệ số tỷ tốc n S = 300 ÷ 500. Các dạng đường đặc tính đều nằm trung bình giữa đường đặc tính của hai loại máy bơm li tâm và hướng trục. Đặc biệt đường N = f(Q) thay đổi rất ít khi Q thay đổi làm cho động cơ làm việc khá ổn định. 1.1.2. Sự tương tự của đường đặc tính máy bơm. Việc xác định các đường đặc tính máy bơm bằng lý thuyết có rất nhiều khó khăn. Vì vậy hiện nay để có các đường đặc tính mỗi loại máy bơm đều dựa vào kết quả thí nghiệm đồng thời dùng phương pháp tương tự và phân tích thứ nguyên làm cơ sở để tổng hợp phát triển kết quả thí nghiệm. Phương pháp tương tự và thứ nguyên cho ta tìm được các quy luật quan hệ giữa cột nước H = f(Q,n,D), công suất N = f(Q,n,D) với lưu lượng Q, số vòng quay n và đường kính ngoài bánh xe cánh quạt D, khi đồng dạng hình học giữa 2 máy bơm đã được xác lập, tức là tỷ số kích thước hình học của hai bộ phận dẫn dòng của 2 máy bơm luôn luôn không thay đổi ( 11 22 lD const lD = = ). 4 Với một máy bơm (D = const) lưu lượng Q và số vòng quay n là đại lượng xác định chế độ làm việc của bơm; Tính chất của chất lỏng được biểu thị bằng mật độ ρ và hệ số nhớt µ. Đối với chất lỏng là không nén được, sự chuyển động của chất lỏng trong máy bơm có thể được xác định bằng các thông số có thứ nguyên D,Q,n,ρ,µ. Cột nước H do bơm tạo ra cho chất lỏng và công suất N biểu thị qua mô men quay M được xác định bởi dạng chuyển động của chất lỏng trong bánh xe cánh quạt, do đó nó sẽ được xác định bởi các thông số có thứ nguyên nêu trên. Công thức thứ nguyên của các thông số trên : D = (m); Q = (m 3 /s); n = (1/s); ρ = (KG.s 2 /m 4 ); µ = (KG.s/m 2 ). Theo lý thuyết về thứ nguyên thì số tổ hợp các đại lượng không thứ nguyên m sẽ bằng hiệu số của số đại lượng có thứ nguyên p và số đại lượng có thứ nguyên độc lập k. Ở đây số tổ hợp của các đại lượng không thứ nguyên m = p – k = 5 – 3 = 2. Do đó ta có 2 tổ hợp Q D ρ µ và 3 nD Q Tổ hợp thứ nhất có dạng của số Raynôn và tổ hợp thứ hai có dạng số Strukhan. Ta có đại lượng thứ nguyên của mô men quay );( 3 2 Q nD Q Q fnM M µ ρ ρ = . và công suất N = ρn 3 D 5 3 (; ) M Q nD f DQ ρ µ Đại lượng không thứ nguyên của cột nước có thể xác định bằng tỷ số : H = 22 3 , M D n Q nD f g DQ ρ µ    Các quan hệ trên chưa tính đến tổn thất bề mặt thành khe cánh quạt và các tổn thất ổ trục. Cột nước H và công suất N phụ thuộc vào Q D ρ µ hạn chế bằng một vùng rộng, trong đó hiện tượng chuyển động có tương tự cơ học khi: 1. Hai máy bơm đồng dạng hình học. 2. Đảm bảo quan hệ 3 nD const Q = 5 Từ đó ta có các công thức đồng dạng : 3 1 11 3 2 22 22 1 11 22 2 22 53 1 11 53 2 22 Q Dn Q Dn H Dn H Dn N Dn N Dn  =     =     =   Nếu tính đến tổn thất bề mặt có thể viết: 2 1 2 35 2 1 3 5 1 2 1 2 1 2 22 2 1 2 2 1 2 1 2 1 2 3 2 1 3 1 2 1 c c t t d d nD nD N N n D nD H H n D n D Q Q η η η η η η = = = 6 1.1.3. Đường đặc tính tổng hợp máy bơm Với cùng một máy bơm thì 1 2 1 D D = , các loại tổn thất thủy lực, tổn thất dung tích và tổn thất cơ khí trong một phạm vi rất rộng thay đổi không đáng kể. Vì vậy quan hệ đồng dạng có dạng : 23 111111 23 222222 ;; Q nH nN n Q nH nN n = = = Trong vùng mô hình tự động có thể coi η = const đối với các điểm nằm trên đường parabol. H = 2 1 2 1 H Q Q Từ các kết quả thí nghiệm máy bơm ứng với số vòng quay cho trước có thể vẽ lại đường đặc tính khi số vòng quay thay đổi. Và ta có đường đặc tính tổng hợp của máy bơm (hình 1 – 2). Đường đặc tính tổng hợp máy bơm có được bằng cách trên cùng một đồ thị vẽ các đường đặc tính H i = f(Q) ứng với số vòng quay n i = const và đường đẳng hiệu suất η. Ηm 0 5 10 15 20 25 Q l/s 1601208040 n=960 v/ph 750 600 500 Hình 2: Đường đặc tính tổng hợp máy bơm Xác định các đường đặc tính của một máy bơm bằng thí nghiệm thường có những khó khăn và tốn kém. Vì vậy khi đã có một đường đặc tính với một số vòng quay nào đó người ta có thể mở rộng phạm vi hoạt động của bơm ứng với 7 các số vòng quay cần thiết và hiệu suất của máy bơm sẽ đạt được ứng với một giá trị cột nước và lưu lượng. Đường đặc tính tổng hợp máy bơm xác định bằng các công thức đồng dạng trên đây sẽ có mức độ chính xác cần thiết vì trong điều kiện mô hình tự động thì hiệu suất thủy lực, hiệu suất dung tích và hiệu suất cơ khí trong bơm sẽ giữ không đổi trong giới hạn rất rộng và được sử dụng phổ biến trong xác định điểm làm việc của bơm điều tốc, ứng dụng biến tần để thay đổi vòng quay của bơm. 1.1.4. Đường đặc tính toàn phần của bơm Khi máy bơm làm việc bình thường số vòng quay n, lưu lượng Q, cột áp H và mô men quay M có trị số dương. Trong trường hợp có sự cố ở mức độ nào đó, máy bơm sẽ làm việc trong chế độ thuận nghịch. Đường đặc tính toàn phần của một máy bơm biểu thị tính năng máy bơm trong các trạng thái công tác quá độ đó. Nếu biểu thị : %; % %; % HH HH HQ hq HQ nM m nM α = = = = Trong đó hệ số h, q,α, m là tỷ số giữa cột nước, lưu lượng, số vòng quay và mô men quay so với chế độ định mức (ứng với η max ). Quan hệ giữa các hệ số trên được biểu thị trên hệ tọa độ hình (1.3) và gọi là đường đặc tính toàn phần của máy bơm. 8 -q q = Q QH % -α α= n n H 0 -50-100 -150 50 100 150 200 B C D E F G A I 50 100 150 -50 -100 -150 +100% +50% -50% -100% h=0 m=0 h=0 m=0 +100% +50% -50% -100% Hình 3: Đường đặc tính toàn phần của máy bơm Ghi chú : : Đường m : Đường h Quy ước như sau: Quay thuận chiều (n>0), quay ngược chiều (n<0) Bơm thuận chiều : H>0, Q>0; Tự chảy qua máy bơm Q>0, H<0 Chảy ngược qua máy bơm Q<0, H>0 Từ quan hệ đó cho thấy đường đặc tính toàn phần chia làm 8 khu vực : 1. Khu vực A : Lưu lượng có trị số dương (lưu lượng bơm lên) và bơm quay thuận chiều (n>0) : bơm làm việc với trạng thái bơm thuận chiều. 2. Khu vực B : Bơm quay thuận nhưng lưu lượng chảy ngược trong trường hợp này bơm nhận được năng lượng của dòng chảy (bắt đầu chảy ngược n>0, H>0, Q<0). 3. Khu C là khu vực máy bơm làm việc theo trạng thái tuốc bin (n<0, Q < 0, H>0) (Chảy ngược từ bể tháo qua máy bơm). 9 [...]... với hệ thống trong qu trình thiết kế và điều khiển nĩ 2.2 CC BI TỐN CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG V HỆ THỐNG CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ 22 2.2.1 Các bài toán cơ bản về hệ thống Trong thực tế, khi nghin cứu hệ thống, thường phải giải quyết ba bài toán cơ bản sau: - Thiết kế hệ thống theo hệ thống chỉ tiêu nào đó: chỉ tiu kỹ thuật, kinh tế v.v - Điều khiển hệ thống để đạt được yu cầu khai thác đ xc định - Pht triển hệ thống, ... nhin cĩ thể mơ tả bằng mơ hình tất định hoặc mơ hình ngẫu nhin - Hệ thống trong đó bao gồm cc hệ thống con Một hệ thống cĩ thể phn chia thnh cc hệ thống con Sự phn chia hệ thống lớn thnh cc hệ con ty thuộc vo kích cỡ, đặc th của hệ thống và các phương pháp phân tích được p dụng đối với hệ thống đó Hệ thống trạm bơm cũng bao gồm cc hệ thống con Chẳng hạn bản thn nh my bơm l một hệ thống con, gồm cc... v cơng trình trn knh -> khu tưới; cĩ mối tác động tương hỗ lẫn nhau thnh một tập hợp đầy đủ lm nhiệm vụ đặt ra (tưới, tiu, kết hợp tưới tiu) 2.1.2 Các đặc trưng của hệ thống 1 Cấu trc hệ thống Cấu trc hệ thống l sự sắp xếp cc phần tử trong hệ thống theo một trật tự nào đó cùng với các tác động tương tác giữa chng Cấu trc của hệ thống được mơ tả ty thuộc vo mục đích nghiên cứu của hệ thống Một hệ thống. .. nghin cứu chiến lược pht triển của hệ thống trong tương lai Với hệ thống trạm bơm thường gặp hai bi tốn cơ bản l thiết kế hệ thống và điều khiển hệ thống Trong bi tốn thiết kế hệ thống thường đ xem xt cc phương án điều khiển khi hệ thống đ được thiết lập Trong một số trường hợp (trong đó có hệ thống nguồn nước), điều khiển hệ thống ở giai đoạn thiết kế thường mới được nghin cứu sơ bộ trên cơ sở xem... hệ thống chỉ tiêu nào đó, mà nó phản nh được mục tiu nghin cứu hoặc khai thc hệ thống Hệ thống chỉ tiêu đó gọi l hệ thống chỉ tiêu đánh giá Hệ thống chỉ tiêu đánh giá được lượng hĩa theo những dạng rất khc nhau, cĩ thể khi qut một số dạng cơ bản như sau: - Hệ thống chỉ tiêu đánh giá được mơ tả bằng một hoặc một số hữu hạn các đẳng thức hoặc bất đẳng thức Cc biểu thức đó được viết đối với hm ra của hệ. .. lượng của mục tiu khai thc hệ thống, được thiết lập theo hệ thống chỉ tiêu đánh giá b Rng buộc của hệ thống Cc biểu thức rng buộc mơ tả giới hạn hoạt động của hệ thống khi thiết kế và điều khiển nĩ Cc giới hạn đó bao gồm các điều kiện kỹ thuật, cc yu cầu khai thc hệ thống, được đánh giá bằng hệ thống cc chỉ tiêu, điều kiện cn bằng năng lượng của hệ thống v.v 2.4.3 Một số ví dụ: a Bài toán theo quan điểm... kết với nhau theo một trật tự xác định, hoạt động thống nhất: my bơm, động cơ, thiết bị dịng điện, ; Cống lấy qua đê có hệ thống điều khiển mực nước bể ht trạm bơm tưới trong đê Hệ thống phn chia theo cấu trc độc lập 21 - Hệ thống bất định v cc yếu tố bất định của hệ thống Hệ thống bất định l hệ thống chứa cc yếu tố bất định, tức l cc yếu tố cấu thnh hệ thống không được xác định hoặc không có đủ thông... triển hệ thống l bi tốn bắt buộc phải giải quyết khi việc hình thnh hệ thống trong tương lai kéo dài trong nhiều năm 2.2.2 Hệ thống chỉ tiêu đánh giá Khi phn tích hệ thống trong điều khiển, điều khiển hoặc pht triển hệ thống, cần phải xác định mục tiu của nĩ Mục tiêu đối với hệ thống chưa được xác định thì khơng thể nói là bài toán” được Mục tiu khai thc hệ thống được mơ tả và lượng hĩa bằng một hoặc hệ. .. thuyết phn tích hệ thống, vì nĩ l một mơn khoa học được hình thnh v pht triển trn cơ sở vận trù học theo lý thuyết điều khiển bằng cách dựa vo hệ thống các quan điểm và phương pháp phân tích hiện đại, nhằm hoàn thiện khả năng lựa chọn lời giải hợp lý nhất đổi với hệ thống phức tạp như hệ thống tưới bằng trạm bơm 34 1.2.1 Lý thuyết phn tích hệ thống Mục đích của việc phân tích hệ thống là xác định lời... bơm Vị trí đặt trạm Kết cấu nh trạm Chủng loại máy bơm Diện tích khu tưới Kích thước mặt cắt Chiều di hệ thống - Quy trình điều khiển - Quản lý - Vận hnh - Hệ thống knh - Cơng trình trn knh - Cc chỉ tiu kinh tế Cácđ đặc trưng hệ thống trạm bơm tưới 1.2 Cơ sở khoa học nghiên cứu quy mô công trình v loại hình my bơm để tưới tiêu ở Đồng bằng sông Cửu Long Các giải pháp kỹ thuật và kinh tế đ trở thnh hai . TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BỘ MÔN KỸ THUẬT HẠ TẦNG VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN * BÀI GIẢNG CAO HỌC CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU BẰNG ĐỘNG LỰC . trạm bơm: 1. Nghiên cứu xác định quy mô tối ưu các hệ thống tưới tiêu bằng động lực. 1 2. Nghiên cứu xác định các thông số thiết kế hợp lý Zh, Zt, H, Q… cho các trạm bơm tưới, tiêu và cấp. ống tưới và cấp nước. 6. Nghiên cứu lập chương trình điều khiển, vận hành tối ưu các trạm bơm và hệ thống tưới tiêu cấp nước bằng động lực. Những vấn đề trên được giải quyết dựa vào các cơ sở.