LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện luận văn, tôi xin chân thành cảm ơn các ý kiến đóng
góp của các thầy cô giáo, sự quan tâm và hỗ trợ nhiệt tình của các bạn đồng nghiệp.
Đồng thời, tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình về tài liệu, thông tin, hình ảnh có
liên quan tại thực địa công trường thi công công trình Hệ thống cấp nước cho khu
kinh tế Nghi Sơn, tĩnh Thanh Hóa từ các đơn vị: Viện Kỹ thuật công trình – Trường
Đại học Thủy lợi Hà Nội, Tổng Công ty Tư vấn xây dựng thủy lợi Việt Nam –
CTCP (HEC 1) và cơ quan bản thân đang công tác.
Bên cạnh đó, tôi xin gửi lời cảm ơn trân trọng đến Khoa Công trình và Phòng
đào tạo Trường Đại học Thủy lợi, tập thể lớp Cao học 20C21, bạn bè và gia đình đã
tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt
nghiệp của mình.
Đặc biệt, tôi xin trân trọng cảm ơn TS. Trịnh Quốc Công và PGS.TS. Nguyễn
Quang Hùng, người thầy đã tận tâm hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này.!
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 10 tháng 03 năm 2015
Học viên
Nguyễn Đức Lợi
BẢN CAM KẾT
Tôi xin cam kết đây là công trình khoa học nghiên cứu của riêng cá nhân Tôi.
Kết quả nêu trong luận văn này là trung thực, có nguồn gốc rõ ràng, không sao chép
từ công trình nghiên cứu khoa học nào khác.
Nếu nội dung luận văn không đúng với cam kết này, Tôi xin hoàn toàn chịu
trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 10 tháng 03 năm 2015
Học viên
Nguyễn Đức Lợi
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU
..................................................................................................... - 1 -
CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN ............................................................................ - 3 -
1.1. Tổng quan các trường hợp làm việc của máy bơm: ...................................... - 3 1.1.1. Các trường hợp làm việc của máy bơm: .............................................. - 3 1.1.2. Máy bơm làm việc chung với đường ống [4]: ...................................... - 3 1.1.3. Các máy bơm làm việc ghép nối tiếp [4]: ............................................ - 4 1.2. Tổng quan về hiện tượng nước va: ............................................................... - 8 1.3. Tổng quan về tác hại của nước va:.............................................................. - 10 1.4. Kết luận chương 1 ....................................................................................... - 12 CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ LUẬN PHÂN TÍCH ÁP LỰC NƯỚC VA TRONG
ĐƯỜNG ỐNG ĐẨY CỦA BƠM....................................................................... - 13 2.1. Mục tiêu: ..................................................................................................... - 13 2.2. Phân loại nước va trong đường ống dẫn: .................................................... - 13 2.2.1. Phân loại theo thời gian đóng van khóa: ........................................... - 13 2.2.2. Phân loại theo thời điểm xuất hiện áp suất cực đại: .......................... - 14 2.3. Tốc độ truyền sóng nước va: ....................................................................... - 17 2.4. Hệ thống phương trình vi phân truyền song nước va: ................................ - 18 2.4.1. Phương trình động lượng: .................................................................. - 18 2.4.2. Phương trình liên tục:......................................................................... - 20 2.4.3. Hệ phương trình nước va: .................................................................. - 21 2.5. Giải hệ phương trình nước va bằng phương pháp giải tích: ....................... - 21 2.5.1. Giải hệ phương trình nước va: ........................................................... - 21 2.5.2. Giải hệ phương trình dây chuyền: ...................................................... - 23 2.5.3. Tính toán nước va bằng phương pháp giải tích: ................................ - 25 2.6. Giải hệ phương trình nước va bằng phương pháp đồ giải: ......................... - 28 2.6.1. Nhận xét: ............................................................................................. - 28 2.6.2. Điều kiện biên cơ bản: ........................................................................ - 29 2.6.3. Đơn vị thời gian và quy ước: .............................................................. - 30 -
2.6.4. Ví dụ phân tích: .................................................................................. - 30 2.7. Tính toán nước va có xét đến tổn thất thủy lực do ma sát: ......................... - 33 2.7.1. Phương trình đặc tính tổn thất: .......................................................... - 33 2.7.2. Phân tích nước va có xét đến tổn thất do ma sát: .............................. - 35 2.8. Nước va trong đường ống dẫn có áp của bơm: ........................................... - 40 2.8.1. Các trường hợp sinh hiện tượng nước va: ......................................... - 40 2.8.2. Trường hợp bơm ngưng, van một chiều đóng ngay: .......................... - 40 2.8.3. Trường hợp bơm ngưng, van đập: ...................................................... - 42 2.8.4. Trường hợp bơm ngưng, van một chiều đóng từ từ: .......................... - 42 2.9. Hiện tượng tách cột nước trên ống dẫn bơm do nước va:........................... - 44 2.9.1. Khái niệm tách cột nước:.................................................................... - 44 2.9.2. Tách cột nước trong ống dẫn khi bơm mất điện: ............................... - 46 2.10. Kết luận chung: ......................................................................................... - 51 2.10.1. Tiêu chuẩn để phân tích nước va [1]: ............................................. - 51 2.10.2. Phương pháp phân tích: .................................................................. - 52 2.10.3. Giải pháp giảm thiểu nước va: ........................................................ - 53 2.11. Kết luận chương 2 ..................................................................................... - 53 CHƯƠNG 3.
TÍNH TOÁN ÁP LỰC NƯỚC VA CHO HỆ THỐNG LÀM
VIỆC NỐI TIẾP VÀ ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP ÁP LỰC NƯỚC VA – ÁP
DỤNG TÍNH TOÁN VỚI HỆ THỐNG CẤP NƯỚC CHO KHU KINH TẾ
NGHI SƠN
................................................................................................... - 54 -
3.1. Tổng quan về hệ thống cấp nước cho khu kinh tế Nghi Sơn: ..................... - 54 3.1.1. Mục tiêu, vị trí công trình:.................................................................. - 54 3.1.2. Phương án xây dựng: ......................................................................... - 54 3.1.3. Sơ đồ bố trí bơm và đường ống áp lực: .............................................. - 55 3.2. Các trường hợp tính toán áp lực nước va: ................................................... - 57 3.2.1. Các sơ đồ làm việc của hệ thống ứng với các Tổ hợp: ...................... - 57 3.2.2. Các trường hợp có thể gây hiện tượng nước va: ................................ - 60 3.2.3. Trường hợp kiến nghị tính toán kiểm tra: .......................................... - 61 -
3.3. Điều kiện ban đầu và điều kiện biên: .......................................................... - 63 3.4. Tính toán giá trị áp lực nước va: ................................................................. - 63 3.4.1. Tính toán áp lực nước va cho các phương án: ................................... - 63 3.4.2. Kết quả áp lực nước va của các phương án: ...................................... - 88 3.5. Đề xuất giải pháp giảm áp lực nước va áp dụng cho hệ thống: .................. - 91 3.5.1. Phân tích các giải pháp giảm áp lực nước va: ................................... - 91 3.5.2. Giải pháp lựa chọn áp dụng cho hệ thống: ........................................ - 94 3.6. Đánh giá hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của giải pháp: ................................. - 99 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................... - 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... - 102 -
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sơ đồ 02 máy bơm giống nhau ghép nối tiếp ...................................... - 5 Hình 1.2: Minh họa 3 cặp máy bơm nối tiếp ghép song song vào 1 ống ............ - 6 Hình 1.3: Minh họa ghép nối tiếp 02 trạm bơm .................................................. - 7 Hình 1.4: Minh họa sơ đồ ghép nối tiếp 03 trạm bơm ........................................ - 8 Hình 1.5: Minh họa đường ống dẫn của máy bơm .............................................. - 9 Hình 2.1: Nước va pha thứ nhất ........................................................................ - 15 Hình 2.2: Nước va giới hạn ............................................................................... - 16 Hình 2.3: Sơ đồ lực tác dụng lên một phần tử dx của ống dẫn nước có áp ....... - 19 Hình 2.4: Biến dạng theo chiều chu vi ống dẫn ................................................ - 20 Hình 2.5: Sơ đồ tính toán phương trình liên tục ống dẫn .................................. - 20 Hình 2.6: Sơ đồ tính toán phương trình dây chuyền giữa hai mặt cắt ............... - 23 Hình 2.7: Sơ đồ bố trí hệ thống bơm và đường ống dẫn có áp ......................... - 26 Hình 2.8: Đường đặc tính khi thay đổi phụ tải của máy bơm ........................... - 26 Hình 2.9: Quy ước chung và hệ số góc của các sóng F và f.............................. - 29 Hình 2.10: Sơ đồ làm việc máy bơm và ống đẩy có xét đến tổn thất .................. - 36 Hình 2.11: Phân tích nước va của ống dẫn bơm xét đến tổn thất thủy lực.......... - 40 Hình 2.12: Nước va trong ống dẫn khi bơm ngừng đột ngột, van một chiều đóng khi
có dòng chảy ngược và H P < V 0 .C/g ................................................................... - 42 Hình 2.13: Nước va trong ống dẫn khi bơm ngừng đột ngột, van một chiều đóng từ
từ, có kiểm soát thời gian đóng van ..................................................................... - 43 Hình 2.14: Hiện tượng tách cột nước trên ống dẫn có cút ở đỉnh cao ................. - 45 Hình 2.15: Sơ đồ đường áp lực kế tiếp nhau theo thời gian sau khi mất điện .... - 46 Hình 2.16: Cắt dọc tuyến ống, xác định điểm có khả năng tách cột nước .......... - 48 Hình 2.17: Phân tích tách cột nước ở điểm cao ................................................... - 49 Hình 3.1: Thông số hồ cấp và nhận nước trong hệ thống ................................. - 54 Hình 3.2: Chỉ tiêu kỹ thuật chính của dự án ...................................................... - 55 Hình 3.3: Sơ đồ mặt bằng bố trí tuyến của hệ thống cấp nước ......................... - 56 Hình 3.4: Sơ đồ cắt dọc tuyến của hệ thống cấp nước ...................................... - 56 -
Hình 3.5: Sơ đồ cắt dọc tuyến đường ống dẫn – Tổ hợp 1................................ - 58 Hình 3.6: Sơ đồ cắt dọc tuyến đường ống dẫn – Tổ hợp 2................................ - 59 Hình 3.7: Sơ đồ cắt dọc tuyến đường ống dẫn – Tổ hợp 3................................ - 59 Hình 3.8: Sơ đồ phân tích nước va .................................................................... - 64 Hình 3.9: Sơ đồ vị trí tách cột nước với Ống Gang........................................... - 68 Hình 3.10: Sơ đồ đồ giải xét điểm cao C2, ống Gang ......................................... - 75 Hình 3.11: Sơ đồ PP đồ giải áp lực nước va cho ống Gang ................................ - 80 Hình 3.12: Sơ đồ xác định tách cột nước với Ống HDPE ................................... - 81 Hình 3.13: Sơ đồ PP đồ giải áp lực nước va cho ống HDPE PN8 ...................... - 83 Hình 3.14: Sơ đồ PP đồ giải áp lực nước va cho ống HDPE PN10 .................... - 86 Hình 3.15: Sơ đồ PP đồ giải áp lực nước va cho ống HDPE PN12,5 ................. - 86 Hình 3.16: Giải pháp bố trí van khí ở các điểm cao ............................................ - 92 Hình 3.17: Giải pháp bố trí bể xả một chiều đặt ở điểm cao ............................... - 94 Hình 3.18: Sử dụng thiết bị kiểm soát áp lực sau trạm bơm tăng áp .................. - 96 Hình 3.19: Các van khí được bố trí trên tuyến ống của hệ thống........................ - 97 Hình 3.20: Phương án chọn cho tuyến là ống Nhựa HDPE ................................ - 98 -
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1:
Mô đun đàn hồi các loại vật liệu và chất lỏng .................................. - 18 -
Bảng 2.2:
Mô duyn lưu lượng của các loại đường ống dẫn .............................. - 35 -
Bảng 3.1:
Sóng nước va Đoạn AC, điểm cao C2, ống Gang ............................ - 70 -
Bảng 3.2:
Sóng nước va Đoạn CB, điểm cao C2, ống Gang ............................ - 74 -
Bảng 3.3:
Sóng nước va Đoạn AC, điểm cao C1, ống Gang ............................ - 76 -
Bảng 3.4:
Sóng nước va Đoạn CB, điểm cao C1, ống Gang ............................ - 78 -
Bảng 3.5:
Sóng nước va cho ống HDPE PN8................................................... - 84 -
Bảng 3.6:
Sóng nước va cho ống HDPE PN10................................................. - 85 -
Bảng 3.7:
Sóng nước va cho ống HDPE PN12,5.............................................. - 87 -
Bảng 3.8:
Tổng hợp cao độ cột nước áp lực nước va ....................................... - 88 -
-1MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Thực hiện công tác cơ giới hóa trong sản xuất nông nghiệp, nâng cao chất
lượng sản phẩm, tạo sự cạnh tranh, bên cạnh đầu tư máy móc, áp dụng các tiến bộ
khoa học kỹ thuật vào sản xuất thì việc đầu tư xây dựng phát triển trạm bơm điện
dóng vai trò quan trọng góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất , giảm chi phí , tăng
lợi nhuận, giải phóng sức lao động của con người và hơn cả là nâng cao chất lượng
cuộc sống cho con người. Trong khi xây dựng, phát triển hệ thống trạm bơm để đưa
nguồn nước lên cao tạo ra chất lỏng có áp suất lớn của một máy bơm thì phải đấu
nối tiếp các máy bơm. Ghép nối tiếp nghĩa là nước từ cửa ra của máy bơm đầu được
nối vào ống hút của máy bơm tiếp theo, trình tự nối như vậy sẽ làm tăng cột áp của
hệ thống đường ống khi ghép nối tiếp các trạm bơm tại một trạm hoặc nhiều trạm.
Tuy nhiên, với trạm bơm nối tiếp, cột nước cao khi xảy ra nước va thì rất nguy
hiểm cho tuyến đường ống nên việc nghiên cứu các biện pháp giảm áp lực nước va
làm cho công trình làm việc an toàn, tiết kiệm chi phi cho tuyến đường là việc rất có
ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
2. Mục tiêu của đề tài:
Xây dựng cơ sở lý thuyết, mô hình toán cho bài toán xác định áp lực nước va
trong hệ thống trạm bơm nối tiếp từ đó đề xuất các giải pháp công trình làm giảm áp
lực nước va trong trong đường ống dẫn của hệ thống trạm bơm này.
3. Cách tiếp cận:
-
Thu thập các tài liệu liên quan đến đề tài
-
Nghiên cứu về sự làm việc của hệ thống trạm bơm nối tiếp
-
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về các trường hợp xuất hiện nước va trong hệ
thống trạm bơm nối tiếp .
-
Nghiên cứu các mô hình tính toán cho bài toán nước va trong đường ống
dẫn nước của hệ thống trạm bơm nối tiếp
-
Đề xuất các giải pháp công trình làm giảm áp lực nước va trong đường
ống.
-24. Kết quả dự kiến đạt được:
-
Xác định được các trường hợp trong vận hành gây nên nước va trên tuyến
đường ống của hệ thống trạm bơm nối tiếp.
-
Xác định được các giá trị áp lực nước va trong đường ống ứng với các
chế độ vận hành của trạm bơm.
-
Đề xuất các giải pháp công trình làm giảm áp lực nước va. Với mỗi giải
pháp công trình đều có tính toán hiệu quả về kinh tế, kỹ thuật từ đó đưa ra
kiến nghị áp dụng các giải pháp công trình cho các điều kiện cụ thể của
hệ thống trạm bơm nối tiếp.
5. Nội dung luận văn:
Ngoài phần mở đầu khẳng định tính cấp thiết của đề tài, các mục tiêu cần đạt
được khi thực hiện đề tài, các cách tiếp cận và phương pháp thực hiện để đạt được
các mục tiêu đó. Nội dung chính của luận văn gồm 03 chương chính như sau:
-3CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan các trường hợp làm việc của máy bơm:
1.1.1. Các trường hợp làm việc của máy bơm:
Sự làm việc của máy bơm có thể phân ra các trường hợp:
+) Máy bơm làm việc chung với đường ống;
+) May bơm làm việc ghép song song;
+) Máy bơm làm việc ghép nối tiếp;
+) Máy bơm làm việc trong mạng đường ống;
Trong đó, trường hợp máy bơm làm việc chung với đường ống là trường hợp
làm việc chung nhất, cơ bản nhất, liên quan đến tất cả các trường hợp đưa ra. Để
tiếp cận hướng nghiên cứu của đề tài, tác giả sẽ đi sâu trình bày tổng quan về hai
trường hợp: Trường hợp làm việc chung với đường ống và trường hợp làm việc
ghép nối tiếp.
1.1.2. Máy bơm làm việc chung với đường ống [2]:
Sự làm việc này là cơ sở để thiết kế thiết bị động lực máy bớm, chức năng
nhiệm vụ của các hạng mục công trình phụ trợ trong hệ thống trạm bơm. Sự phân
tích và lựa chọn máy bơm, điểm làm việc của máy bơm có xét đến sự làm việc của
đường ống dựa vào đường đặc tính máy bơm H – Q.
a) Đường đặc tính và điểm công tác:
Đường đặc tính H-Q biểu thị quan hệ giữa lưu lượng và cột nước bơm mà
bơm tạo ra, trên đường này xác định một điểm cùng làm việc giữa bơm và đường
ống gọi là điểm công tác. Xét trường hợp đơn giản nhất là một máy bơm bơm
nước cho một ống đẩy có đường kính không đổi suốt chiều dài để xác định điểm
công tác của tổ máy làm việc chung với đường ống. Để bơm được một lưu lượng
Q, ngoài đảm bảo cột nước địa hình từ bể hút lên bể tháo (H đh = Mực nước bể
tháo - mực nước bể hút), máy bơm còn cần phải sản sinh thêm cột nước (Σh w ) để
khắc phục tổn thất thủy lực đường dài (Σh di ) và tổn thất cục bộ (Σh cbi ) trên đường
ống hút và ống đẩy.
-4b) Điều chỉnh điểm công tác của máy bơm:
Điểm công tác của máy bơm là giao điểm giữa đường đặc tính máy bơm H - Q
và đường đặc tính đường ống H ống - Q. Do vậy có thể điều chỉnh 2 đường này để đạt
được điểm công tác mới thỏa mãn được lưu lượng cho trước và cột nước cần bơm
.Mặc khác trong quá trình vận hành trạm bơm, đôi khi cũng cần thay đổi lưu lượng
hoặc giữ nguyên lưu lượng nhưng thay đổi cột nước địa hình cần bơm. Trong những
trường hợp này cần phải điều chỉnh điểm công tác của bơm.
1.1.3. Các máy bơm làm việc ghép nối tiếp [2]:
Khi cần đưa nước lên cao hoặc tạo ra chất lỏng có áp suất lớn hơn áp suất của
một máy bơm thì phải đấu nối tiếp các máy bơm. Ghép nối tiếp nghĩa là nước từ
cửa ra (hoặc từ ống đẩy ) của máy bơm đầu được nối vào ống hút của máy bơm tiếp
theo. Trình tự nối như vậy sẽ làm tăng cột áp của hệ thống đường ống.
Việc ghép nối tiếp các máy bơm có nhiều dạng khác nhau, tùy thuộc vào mục
tiêu nhiệm vụ của từng hệ thống công trình, cột nước địa hình cần đáp ứng. Có thể
ghép nối tiếp các máy bơm tại một trạm hoặc nhiều trạm (không quá 02 máy bơm
trong cùng 01 trạm). Từ đây có thể phân ra các dạng ghép nối tiếp như sau:
1.1.3.1.Ghép nối tiếp 02 máy bơm với nhau:
Ta xét sơ đồ hai máy bơm giống nhau làm việc nối tiếp (Hình 1.1), sự làm
việc của hai máy bơm đặt ở độ cao địa lý khác nhau thể hiện như sau:
-5-
Hình 1.1: Sơ đồ 02 máy bơm giống nhau ghép nối tiếp
Chiều cao cột nước của bơm I là H I ', chiều cao địa hình chung là H'. Hai máy
bơm giống nhau có đường đặc tính bơm là Q - H I , II , đường tổn thất đường ống I là
H ố 1 , tổn thất đường ống II là H ố 2 , đường đặc tính đường ống I là H ố 1 gặp đường
đặc tính máy bơm Q - H I , II tại điểm E - điểm công tác của máy bơm I. Để xác định
điểm công tác của hai máy bơm trên ta cần vẽ được đường đặc tính chung của hai
ống I và II và đường đặc tính chung của hai máy bơm ghép nối tiếp. Đường đặc tính
đường ống chung được vẽ bằng cách cộng tung độ H ố 1 + H ố 2 . Đường đặc tính
chung của hai máy bơm được vẽ theo nguyên tắc cộng tung độ đường đặc tính của
hai máy bơm khi có cùng lưu lượng (hoành độ), ở đây do bơm giống nhau nên ta
nhân đôi tung độ của đường Q - H I , II được đường Q - H (I + II) . Điểm A là điểm công
tác chung của hai bơm, lưu lượng và cột nước tương ứng với điểm công tác là Q A
và H A . Lưu lượng Q A có thể lớn hoặc nhỏ hơn Q E . Nếu Q A > Q E (Hình 1.3) thì máy
bơm I không đủ khả năng đẩy Q A lên bơm II mà cần có sự giúp sức của bơm II. Giá
trị thiếu hụt đó của bơm I thể hiện ở đoạn BD. Khi Q A < Q E , chẳng hạn Q A = Q F thì
ta nói bơm II hút chất lỏng có áp suất dư, biểu thị đoạn GF, bơm II cần được kiểm
tra xâm thực. Cần chú ý khi đấu nối tiếp hai bơm như trên, nếu điểm B dịch nhiều
-6sang phải (Q A >> Q E ) thì sẽ làm cho hiện tượng xâm thực xảy ra trong bánh xe
công tác của máy bơm II và động cơ của máy bơm I dễ bị quá tải. Do vậy nên
hướng về trường hợp Q A < Q E nếu như Q A không bằng được Q E .
1.1.3.2. Nối song song nhiều cặp máy bơm ghép nối tiếp trong cùng một trạm:
Trong thực tế, ở một số trạm bơm người ta còn ghép nối tiếp từng cặp (hai
máy bơm một), các cặp nầy lại nối song song với nhau. Hình 1.2a là ví dụ trạm có
ba cặp ghép song song, mỗi cặp gồm hai máy bơm 1 và 2 ghép nối tiếp để đưa nước
lên đài.
Hình 1.2: Minh họa 3 cặp máy bơm nối tiếp ghép song song vào 1 ống
a) Sơ đồ ghép; b) Đường đặc tính
Sơ đồ trên thực chất là sơ đồ "ghép nối tiếp - song song". Trên mỗi cặp, máy
bơm 1 và 2 làm việc nối tiếp, bơm 1 có đường đặc tính H 1 - Q 1 , máy bơm 2 có
đường đặc tính H 2 - Q 2 (Hình 1.4b), dùng quy tắc ghép nối tiếp vẽ được đường đặc
tính chung của mỗi cặp là đường H - Q. Có đường chung của một cặp ta vẽ các
đường đặc tính chung của hai cặp H - 2Q, của ba cặp H - 3Q theo nguyên tắc ghép
song song. Các giao điểm A 1 , A 2 , A 3 của các đường trên với đường đặc tính ống H ô
- Q xác định lưu lượng của một, hai và ba cặp máy bơm. Đường đặc tính Hố - Q
cũng cắt đường đặc tính máy bơm hai H 2 - Q 2 , nhưng giao điểm này không nên coi
là điểm công tác vì máy bơm thứ 2 cần phải có nước dâng ở cửa vào do máy bơm1
-7cung cấp, nếu vắng máy bơm 1 thì trong máy bơm 2 sẽ xuất hiện khí thực dẫn đến
đường H 2 - Q 2 giảm thấp hoặc máy bơm 2 phải ngừng làm việc.
1.1.3.3.Ghép nối tiếp 02 trạm bơm với nhau:
Trong nhiều trường hợp, cột nước địa hình lớn hoặc chiều dài đường ống quá
dài, tuyến nối giữa các máy bơm làm việc nối tiếp sẽ rất lớn. Lúc này thay việc nối
tiếp các máy bơm bằng việc ghép nối tiếp các trạm bơm. Đầu tiên ta hãy xem hai
trạm bơm ghép nối tiếp khi cột nước địa hình H đh khá lớn (Hình 1.3a) .Các đường
đặc tính trên hai trạm giống nhau, bới vậy H 1 = H 2 = H và 2H = H đh + h w1 + h w2 , ở
đây h w1 , h w2 là tổn thất cột nước trên ống nối và ống dẫn của trạm bơm thức hai.
Hình 1.3: Minh họa ghép nối tiếp 02 trạm bơm
a) Sơ đồ nối tiếp hai trạm bơm
b) Đường đặc tính chung của 2 trạm bơm làm việc nối tiếp
1,2 - Các đường đặc tính H - Q chưa trừ và đã trừ tổn thất cột nước h m1 , h m2
3,4 - đường đặc tính chung khi chưa trừ và đã trừ tổn thất cột nước
Việc tăng lưu lượng trong đường ống gây nên việc tăng tổn thất cột nước trong
đó, có thể làm cho giảm áp lực ở cửa vào trạm bơm thứ hai. Trị số giảm áp lực này
có đạt đến vượt mức cho phép hoặc không, ta cũng không thể biết trước được, để
ngăn ngừa trường hợp này, ngay trước trạm bơm thứ hai người ta đặt một tháp nước
áp lực. Lúc ngẫu nhiên tăng lưu lượng thì một phần nước từ tháp sẽ bổ sung vào
ống làm cho áp lực nước ở cửa vào máy bơm hai tăng lên, ngược lại, khi giảm lưu
lượng thì một phần nước từ ống sẽ vào tháp làm giảm bớt áp lực ở cửa vào máy
bơm thứ hai.
-8Đường đặc tính chung của hai trạm bơm nối tiếp được chỉ dẫn ở Hình 1.3b.
Dùng đường 4 ta dễ dàng xác định lưu lượng và cột nước đối với bất kỳ cột nước
địa hình nào tương ứng với mực nước trong bề. Ví dụ ứng với cột nước địa hình H T
ta xác định được điểm công tác A, lưu lượng của các máy bơm Q A và cột nước
chung H A .
1.1.3.4.Ghép nối tiếp 03 trạm bơm với trường hợp cột nước địa hình thấp:
Ta xem xét sự làm việc của 03 trạm bơm ghép nối tiếp (Hình 1.4) có cột nước
địa hình không lớn, nhưng đường ống quá dài, tổn thất cột nước lớn. Cột nước do
các trạm ghép nối tiếp được tạo ra để khắc phục tổn thất cột nước do đường ống
sinh ra.
Hình 1.4: Minh họa sơ đồ ghép nối tiếp 03 trạm bơm
Ở cuối các đoạn ống áp lực của trạm bơm 01 và 02 người ta đặt tháp nước áp
lực, tháp được thông với ống qua van ngược chiều, van này đóng khi chế độ làm
việc của các trạm ở trạng thái bình thường. Khi ngắt sự cố trạm bơm 02 (hoặc trạm
bơm 03), áp lực ở cửa vào của nó tăng vượt quá áp lực trong tháp, cửa van ngược sẽ
tự động mở đưa một phần nước vào tháp để giảm bớt áp lực cửa vào trạm bơm 02
(hoặc trạm bơm 03).
1.2. Tổng quan về hiện tượng nước va:
Hiện tượng nước va đã được nghiên cứu nhiều cho các loại đường ống áp lực
các nhà máy thủy điện. Tuy nhiên, sự làm việc của máy bơm, đường ống bơm trong
hệ thống trạm bơm có những điểm khác biệt so với sự làm việc của Tuabin và
đường ống áp lực của các nhà máy thủy điện. Sự khác biệt thể hiện ở sự xuất hiện
trước hay sau của hiện tượng nước va dương và âm hay sự xuất hiện của nước va
khi thay đổi điểm công tác (chế độ làm việc) của máy bơm. Vì vậy, trong phần tổng
-9quan này, tác giả sẽ trình bày hiện tượng nước va theo sự làm việc của máy bơm và
đường ống dẫn.
Hình
hiện bày
1.5
thể
một
ống
dẫn AB dẫn nước có
áp từ máy bơm MB
lên bể xả.
Bình
thường
máy bơm BT làm
việc với cột nước địa
hình
H đh
và
lưu
lượng bơm Q, tương
ứng với nó là lưu tốc
trong đường ống dẫn
có giá trị V 0 .
Hình 1.5: Minh họa đường ống dẫn của máy bơm
Vì do một nguyên nhân nào đó mà lưu lượng bơm bị thay đổi lớn, nhỏ hay trở
về bằng không, đồng thời các van cửa xả máy bơm có sự điều chỉnh thích ứng. Do
quán tính, nên dòng nước bị giản ra và dồn về bể xả, làm cho cột áp trong ống giảm
hẳn trong thời gian ngắn. Sau đó, dòng nước theo quan tính và trọng lượng nên bị
dồn ép trở lại đường ống, làm cho áp lực trong đường ống lại đột ngột tăng cao. Sự
thay đổi lưu lượng càng nhanh thì sự thay đổi áp suất (giảm và tăng) có giá trị càng
lớn. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng nước va. Phần áp suất giảm xuống hay
tăng lên đột ngột được gọi là áp suất nước va.
Khác với tất cả những vấn đề trước đây, khi nghiên cứu nước va không thể
xem chất lỏng hoàn toàn không bị nén (tức ρ = const) vì rằng nếu dùng giả thiết đó
thì mọi điều rút ra từ lý luận sẽ không phù hợp với thực tế. Thật vậy nếu nước hoàn
toàn không nén được (ρ = const) thì khi cửa van A đóng hoàn toàn và tức thời, toàn
bộ khối nước trong đường ống dẫn lập tức ngừng lại; và như vậy trên toàn bộ
đường ống, áp suất sẽ đồng thời giảm xuống và tăng lên một trị số vô cùng lớn.
- 10 Nhưng thực tế không phải như vậy mà phải sau một thời gian nhất định toàn
bộ khối nước trong ống dẫn mới dừng lại và chảy ngược trở lại, còn áp suất cũng
chỉ giảm và tăng tới một giá trị xác định nào đó chứ không phải là vô cùng lớn. Sở
dĩ như vậy vì chất lỏng và thành ống đều có tính đàn hồi.
Đối với máy bơm cột nước địa hình lớn nói chung và hệ thống máy bơm làm
việc ghép nối tiếp nói riêng, thì khi đóng van hay ngắt máy bơm tức thời, trong
đường ống xuất hiện hai loại áp lực nước va: Áp lực nước va âm và áp lực nước va
dương.
+) Áp lực nước va âm: Lưu tốc trong đường ống thường không lớn để đảm
bảo tổn thất của đường ống nhỏ. Vì vậy, giá trị nước va âm có giá trị nhỏ hơn nhiều
với cột nước địa hình mà đường ống phải chịu. Vì vậy, giá trị nước va âm thường ít
ảnh hưởng đến kết cấu của đường ống.
+) Áp lực nước va dương: Với cột nước địa hình lớn, sau một thời gian ngắn
có hiện tượng nước va âm, do trọng lượng khối nước và quán tính, áp lực nước va
nhanh chóng xuất hiện, lưu tốc nước có hướng đổ xuống van cửa xả máy bơm. Khi
xẩy ra nước va dương trong đường ống dẫn là rất nguy hiểm.
Nước va dương trong đường ống bơm bắt đầu xuất hiện sau khi chấm dứt hiện
tượng nước va âm. Lúc này với trọng lượng và quán tính của khối lướng, nước
trong ống bị ép chuyển từ áp suất ban đầu p 0 (Áp suất bơm làm việc bình thường)
tăng lên một giá trị áp lực nước va ∆p, dòng chảy trong ống có xu hướng chảy
ngược lại với dòng bơm ban đầu.
Vì vậy, xem xét áp lực nước va dương khi van hay máy bơm ngắt tức thời hay
van cửa xả của máy bơm được đóng từ từ.
1.3. Tổng quan về tác hại của nước va:
Với điều kiện làm việc của các hệ thống trạm bơm nói chung, đường ống dẫn
(ống hút, ống xả) thường có cự ly không lớn. Trong trường hợp có yêu cầu cột nước
lớn thì thông thường sử dụng các loại bơm cột nước cao, tiết diện đường ống nhỏ.
Vì vậy, hiện tượng nước va (bản chất là do quán tính của khối nước trong đường
ống) ở các đường ống bơm thường ít được chú trọng đến. Khác với những đầu từ
- 11 nghiên cứu hiện tượng nước va ở các công trình đường ống áp lực của các nhà máy
thủy điện và các đường ống dẫn nước quy mô lớn. Hiện tượng nước va trong đường
ống dẫn của các trạm bơm nói chung và trạm bơm nối tiếp nói riêng cũng là một
vấn đề khá mới mẽ. Tuy nhiên, căn cứ các những kết quả đã nghiên cứu, tác giả có
thể đưa ra các tác hại của hiện tượng nước va trong các công trình trạm bơm như
sau :
+) Tăng lực đẩy ngang đột ngột:
Lực đẩy ngang là một trong những lực nguy hiển đối với công trình trạm bơm,
các công trình trạm bơm thường đặt khá sâu dưới mực nước của bể hút, tạo nên lực
đẩy nổi lên nhà máy rất lớn. Kết hợp với áp lực nước va, áp lực nước tác dụng lên
đường ống, van ở xả tăng lên đột ngột, gây ra một lực ngang tác dụng đột ngột lên
nhà máy, đẩy theo hướng từ ống xả về phía bể hút. Gây nguy hiểm cho công trình
trạm bơm cột nước lớn.
+) Làm tăng dao động trạm bơm:
Trong việc thiết kế các công trình trạm bơm, việc tính toán dao động trạm
bơm luôn được chú trọng, đặc biệt là ảnh hưởng của nói đến kết cấu nhà máy bơm.
Thông thường, việc tính toán dao động có xét đến sự dao động của tác tổ máy bơm
khi làm việc, ảnh hưởng của động đất,.... Tuy nhiên, việc tính toán rất khó đưa vào
sự dao động tăng thêm của hiện tượng nước va có thể xẩy ra trong đường ống. Vì
vậy, rất khó có khả năng dự đoán và đảm bảo sự an toàn kết cấu của nhà máy bơm
khi có hiện tượng này xẩy ra.
+) Làm tăng đột ngột áp lực nước trong ống đẩy:
Theo bản chất của hiện tượng nước va mà tác giả đã nêu trên, khi xẩy ra hiện
tượng này, áp lực nước trong đường ống tăng lên một cách đột ngột, có thể gây ra
vỡ đường ống đẩy (nếu có van ống đẩy) và có thể ra ra hỏng cách quạt trong máy
bơm (nếu không có van bảo vệ). Để đáp ứng điều này, chiều dày đường ống phải
lớn, nên khó đảm bảo yêu cầu kinh tế kỹ thuật.
- 12 -
Hình 1.6 : Vỡ đường ống nước Sông Đà do hiện tượng nước va
1.4. Kết luận chương 1
Trong khi xây dựng, phát triển hệ thống trạm bơm để đưa nguồn nước lên cao
tạo ra chất lỏng có áp suất lớn của một máy bơm thì phải đấu nối tiếp các máy bơm.
Ghép nối tiếp nghĩa là nước từ cửa ra của máy bơm đầu được nối vào ống hút của
máy bơm tiếp theo, trình tự nối như vậy sẽ làm tăng cột áp của hệ thống đường ống
khi ghép nối tiếp các trạm bơm tại một trạm hoặc nhiều trạm.
Tuy nhiên, với trạm bơm nối tiếp, cột nước cao khi xảy ra nước va thì rất nguy
hiểm cho tuyến đường ống nên việc nghiên cứu các biện pháp giảm áp lực nước va
làm cho công trình làm việc an toàn, tiết kiệm chi phi cho tuyến đường là việc rất có
ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Trong phạm vi luận văn này, tác giả không đi sâu nghiên cứu bố trí trạm bơm,
công trình trạm bơm, các yêu cầu khác trong thiết kế công trình trạm bơm,.... Luận
văn này sẽ đi sâu nghiên cứu góp phần đưa ra những giải pháp giảm thiểu ảnh
hưởng của nước va xẩy ra với các công trình trạm bơm nối tiếp (Trạm bơm có cột
nước địa hình lớn). Việc tính toán đưa ra giải pháp giảm thiểu được đưa ra dựa trên
những cơ sở lý luận trong tính toán các áp lực nước va trong đường ống dẫn của các
hệ thống công trình trạm bơm nối tiếp cụ thể trong thực tế.
- Xem thêm -
.PDF 
110 
2 
85 
