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
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.
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
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
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
=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
=
=
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 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
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
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
4. Khu D là khu vực máy bơm quay ngược, lưu lượng chảy ngược, máy bơm
làm việc ở trạng thái hãm tiêu hao năng lượng ở dòng chảy và cả động cơ
(Từ trạng thái Turbin sang trạng thái tự chảy n < 0, Q <0; H>0).
5. Khu E có n < 0 và Q> 0 và H>0 thuộc trạng thái làm việc bơm chuyển
H a x a xQ a xQ
H b x b xQ b xQ
N c x c xQ c xQ
=++
=++
=++
Trong đó :
0 0 0 111 22 2
( ), ( ), ( ); ( ), ( ), ( ); ( ), ( ), ( );axbxcxaxbxcxaxbxcx
là các hệ số phụ thuộc
vào các thông số điều chỉnh x. Nếu không điều chỉnh, các hệ số trên là hằng số
phụ thuộc từng loại máy bơm và có thể xác định bằng phương pháp bình
phương nhỏ nhất.
Chẳng hạn muốn tìm a
0
, a
1
, a
2
ta lấy 3 điểm bất kì trên đường H ∼ Q, tìm
tọa độ được hệ 3 phương trình với 3 ẩn số a
0
, a
1
yc
= H
dh
+ h
t
= H
dh
+ SQ
2
.
Ở đây : H
dh
: cột nước bơm địa hình.
h
t
: tổng tổn thất thủy lực trên đường ống hút và ống đẩy của máy
bơm. Trong khu vực bình phương sức cản có thể viết : h
t
= SQ
2
với S là hệ số
tổn thất.
Có nghĩa là điểm công tác là điểm cân bằng giữa năng lượng cung cấp của
máy bơm và năng lượng yêu cầu ở môi trường sử dụng bơm.
H = f(Q) = H
dh
+ SQ
2
η
- Z
h
.
Ở đây : Z
t
, Z
h
là cao trình mực nước tháo và mực nước hút.
Nếu biểu thị cột nước máy bơm :
H = a
0
(x) + a
1
(x)Q + a
2
(x)Q
2
thì:
H
dh
= a
0
(x) + a
1
(x)Q + [a
2
(x) – S]Q
2
hay:
a
M2
= …. = P
Mn
+ Áp lực tại M do các máy bơm tạo nên :
P
M
= P
Mi
= P
hi
+ γ[H
i
– (Z
M
- Z
hi
) -
22
]
2
M hi
ti
VV
h
g
−
−
Trong đó :
M
= P
N
+ γ(Z
N
- Z
M
) +
22
2
NM
tMN
VV
h
g
−
+
Trong đó :
- P
N
, Z
N
, V
N
áp lực, cao trình, lưu tốc của mặt cắt cuối cùng của hệ
thống (mặt nước bể tháo).
12
- h
tức là :
γ
γγ
MnMM
PPP
===
21
(1)
∑
=
=
n
i
i
QQ
1
(2)
P h1
Z h1
V h1
P h2
Z h2
V h2
P hn
Z hn
V hn
M(P
M
, Z
H
2
= f
2
(Q)
….
H
n
= f
n
(Q)
Thì :
Q = Q
1
= Q
2
=… = Q
n
11
()
nn
ii
ii
H H fQ
= =
= =
∑∑
Trong đó : Q, H lưu lượng và cột nước làm việc chung của các máy bơm
nối tiếp
14 Câu hỏi thảo luận
1. Với trạm bơm cụ thể (máy bơm đã xác định : số máy, loại máy. Hình thức
công trình đã xác định). Để nâng cao hiệu quả phục vụ của các trạm bơm
thì biện pháp quản lý phải thế nào?
2. Các yêu cầu cần đạt được khi điều chỉnh điểm công tác của máy bơm (nói
chung và nói riêng với trạm bơm làm nhiệm vụ tưới, tiêu). Các phương
pháp điều chỉnh điểm công tác của máy bơm trong hệ thống.
15
CHƯƠNG II
GIỚI THIỆU LÝ THUYẾT
PHN TÍCH HỆ THỐNG V ỨNG DỤNG
2.1. HỆ THỐNG VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA HỆ THỐNG
2.1.1. Định nghĩa
Hệ thống l một tập hợp cc phần tử được sắp xếp theo một trật tự nào đó,
có mối tác động tương tác lẫn nhau tạo thnh một tập hợp đầy đủ.
Hệ thống cơng trình trạm bơm l một tập hợp cc phần tử: nguồn nước ->
trạm bơm -> knh 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 thực, nhưng
bốc hơi là các biến vào không điều khiển được, lưu lương bơm qua trạm bơm
tiêu là biến vào điều khiển được. Biến ra của hệ thống cĩ thể l qu trình năng
lượng tiu hao cho trạm bơm tiêu là hàm của cc biến vo, cũng cĩ thể l sự biến đổi
mực nước trong khu tiu.
3. Trạng thi của hệ thống v biến của trạng thi
Trạng thi của hệ thống l một đặc trưng quan trọng của bài toán điều khiển
hệ thống. Với tác động từ bn ngồi hệ thống sẽ “chuyển động” theo một quỹ đạo
biến đổi theo thời gian. Quỹ đạo chuyển động của hệ thống tại thời điểm bất kỳ
phụ thuộc vo trạng thi của nĩ ở thời điểm trước đó và những tác động từ bn ngồi
ở chính thời điểm đó. Hệ thống m trạng thi của nĩ ở một thời điểm nào đó không
những phụ thuộc vào tác động từ bn ngồi ở chính thời điểm đó, mà cịn phụ
thuộc vo trạng thi của nĩ ở những thời điểm trước đó gọi l hệ thống cĩ nhớ. Đối
với hệ thống cĩ nhớ người ta đưa vào một loại biến đặc trưng cho trạng thi của
nĩ, gọi l biến trạng thi. Biến trạng thi l một hm của thời gian.
Trong trường hợp m trạng thi của hệ thống chỉ phụ thuộc vào tác động bn
ngồi ở chính thời điểm đó gọi l hệ thống khơng cĩ nhớ thì việc mơ tả thm biến
trạng thi l khơng bắt buộc.
Sự mơ tả hệ thống trình by trn đây cần được hiểu nghĩa đầy đủ theo ý
nghĩa tốn học của nĩ, tức l sự mơ tả biến vo, biến ra của hệ thống cĩ thể khơng
trng với “ ci vo”, “ci ra” của hệ thống thực. Như vậy, cng một hệ thống thực
nhưng mục đích nghiên cứu khc nhau thì sự mơ tả hệ thống, bao gồm cc biến ra
v biến trạng thi cũng khc nhau.
Khi mơ tả hệ thống, điều quan trọng nhất của người lm hệ thống l phải
xác định được đâu là biến vo, biến ra và đặc trưng nào là biến trạng thi. Ngồi ra,
17
cũng phải mơ phỏng được qu trình trao đổi thơng tin giữa cc thnh phần trong hệ
thống, quan hệ giữa biến vo, biến ra v biến trạng thi.
2.1.3. Phn loại hệ thống
vào đến sự thay đổi trạng thi v cc phản ứng ở đầu ra.
Một hệ thống m mối quan hệ giữa biến vo, biến ra v biến trạng thái được
mơ tả một cch chặt chẽ bằng cc biểu thức tốn học gọi l hệ cĩ “cấu trc chặt”,
ngược lại l hệ thống “phi cấu trc”, loại hệ thống có đặc tính trung gian gọi l hệ
thống cĩ “ cấu trc yếu”.
Hệ thống không có điều khiển l hệ m cc thơng tin vo khơng chứa cc biến
điều khiển được, ngược lại l hệ có điều khiển. Nĩi chung, biến điều khiển v biến
trạng thi l cc biến độc lập nhau, nhưng trong một số trường hợp, biến trạng thi
cũng chính l biến điều khiển.
- Hệ thống trạm bơm thuộc loại ny. Cấu trc bn trong hệ thống được mơ tả
bằng cc biến gọi l thơng số cấu trc như: chủng loại my bơm, kết cấu nh trạm,
ống ht, ống đẩy.
- Hệ thống cĩ "cấu trc yếu"
- Hệ thống trạm bơm có điều khiển. Thơng số điều khiển ở đây là: điều
khiển số vịng quay, điều khiển tổn thất trên đường ống ht, ống đẩy; điều khiển
độ mở cống để điều khiển mực nước bể ht trạm bơm tưới đặt trong đê.
19
Đối với cc hệ thống điều khiển cĩ mối lin hệ ngược, cĩ thể chia ra lm 2
loại:
- Hệ thống điều khiển bn tự động (hình vẽ) l hệ thống m khi xử lý thơng
tin v điều khiển được thực hiện trực tiếp bởi người điều khiển. Người điều khiển
trực tiếp quan st phản ứng của hệ thống (cĩ thể cĩ sự tham gia của máy tính điện
tử). Sau khi phân tích, so sánh người điều khiển trực tiếp ra quyết định và điều
hnh hệ thống điều khiển. Một hệ thống m qu trình điều khiển hồn tồn được tự động hóa được gọi là
điều khiển tự động. Trong trường hợp này người điều khiển chỉ can thiệp vo qu
trình điều khiển ở khu lập chương trình điều khiển. Qu trình điều khiển được
Bất định về mục tiu:
Bất định về mục tiêu đối với một hệ thống bao gồm cc mặt sau:
- Mục tiêu khai thác, điều khiển đối với hệ thống chưa xác định, cc mục
tiu ny sẽ được hình thnh trong qu trình tiếp cận hệ thống. Cũng cĩ thể mục tiêu
đối với hệ thống đ được dự kiến khi thiết kế, điều khiển hoặc khai thc hệ thống.
Nhưng các mục tiêu ban đầu được đặt ra khơng thể đạt được, hoặc l bị sai lệch
do không có đủ thơng tin về hệ thống. Đây là bài toán điều hnh với mục tiêu
được điều chỉnh theo kết quả vận hnh của thời gian trước đó.
- Đa mục tiêu đối với hệ thống trong qu trình thiết kế và điểu khiển nó,
đặc biệt trong trường hợp cc mục tiêu điều khiển v khai thc mu thuẫn nhau.
Chẳng hạn, đối với kho nước lm hai nhiệm vụ phịng lũ và phát điện.
Bất định về thơng tin:
Cc yếu tố bất định về thông tin đối với hệ thống bao gồm:
- Thiếu cc thơng tin về hệ thống: thơng tin vo, cấu trc của hệ thống, cc ti
liệu quan trắc cần thiết về hệ thống .v.v
- Sự hiểu biết không đầy đủ của người nghin cứu đối với hệ thống: khơng
nắm được cc quy luật vật lý của hệ thống, không có đủ thơng tin cần thiết đối
với hệ thống v.v
- Tồn tại những yếu tố ngẫu nhin bao gồm: các thông tin vào là các đại
lượng hoặc cc qu trình ngẫu nhin, cc tc động ngẫu nhin của môi trường, hoặc cc
sai lệch trong thiết kế và điều khiển hệ thống. Hệ thống trạm bơm cĩ yếu tố khí
tượng, thủy văn là ngẫu nhin nn thuộc loại ny.
- Sự mơ tả hệ thống, đặc biệt l mơ tả tốn học, khơng thể thực hiện được
do sự phức tạp của hệ thống hoặc do những hạn chế về kỹ thuật mơ phỏng.
Đối với hệ thống bất định, cần tun thủ nguyn tắc tiếp cận từng bước, v cần
đánh giá độ tin cậy của cc quyết định đối 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
hệ thống Y(t), trong đó Y(t) được xác định bởi mơ hình mơ phỏng hệ thống.
- Hệ thống chỉ tiêu đánh giá là một hoặc một số hữu hạn cc hm số m nĩ
cần lm cực trị, cĩ dạng:
( ) (
)
minmax
→YF
j
với j = 1, hoặc với
mj ,1=
Cc hm F
j
(Y) trong trường hợp này được gọi l hm mục tiu.
* Xét bài toán xác định quy mơ hợp lý của trạm bơm tưới vùng đồng bằng
sơng Cửu Long. Chỉ tiêu đánh giá ở đây là kinh tế, kỹ thuật với tổng chi phí, xy
23
dựng v quản lý v nhỏ nhất. Vì cc trạm bơm cĩ cột nước, lưu lượng yu cầu khác
nhau, thay đổi theo quy mơ trạm bơm (tập trung hay phn tn) cho nn chỉ tiu so
snh hợp lý nhất ở đây cho các phương n về quy mơ l gi thnh một tấn. mt nước
bơm ln C
E
.
WH
∑
=
C
C
E
phải ngay từ đầu, cc mục tiu khai thc hệ thống đ được xác định, trong trường
hợp như vậy phương pháp tối ưu không thể p dụng được. Một số trường hợp
24
Copyright: Tài liệu đại học ©