Đối với các trạm bơm cấp II cung cấp nước cho mạng lưới cấp nước thì giải pháp thiết kế biến tần cho trạm bơm phụ thuộc vào chế độ làm việc của các máy bơm trong trạm và số lượng các máy bơm có trong trạm bơm, điều kiện làm việc của mạng lưới cấp nước.
1.Ưu điểm khi sử dụng máy biến tần
1.1.Giới thiệu về thiết bị biến tần
Trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay nhu cầu tiêu thụ năng lượng đang tăng dần và đã có rất nhiều cảnh báo về tiết kiệm năng lượng. Các ngành công nghiệp nói chung và ngành cấp thoát nước ngày nay vẫn sử dụng công nghệ truyền động không thích hợp, điều khiển thụ động không linh hoạt. Điều này được kiểm trứng với các nhà máy nước đang hoạt động đó là điều kiện làm việc khác xa so với thiết kế. Chúng ta đã biết trong các yếu tố cấu thành giá nước thì chi phí điện bơm nước chiếm tỷ lệ rất lớn khoảng 30 – 35%.Trước đây có tồn tại quan điểm cho rằng việc đầu tư vào tiết kiệm năng lượng là một công việc tốn kém không mang lại hiệu quả thiết thực. Với công nghệ biến tần tính toán đã chỉ ra rằng việc đầu tư vào hệ thống điều khiển tiết kiệm năng lượng cho trạm bơm cấp II có thời gian hoàn vốn đầu tư hết sức ngắn và làm giảm chi phí cho công tác quản lý vận hành thiết bị. Máy bơm và quạt gió là những ứng dụng rất thích hợp với truyền động biến đổi tốc độ tiết kiệm năng lượng. Vì vậy trong phạm vi đồ án tốt nghiệp chúng ta chỉ đề cập đến việc sử dụng thiết bị biến tần trong điều khiển tốc độ tiết kiệm năng lượng cho các máy bơm nước.
Mỗi một trạm bơm thường có nhiều máy bơm cùng cấp nứơc vào một đường ống chung. Áp lực và lưu lượng của đuờng ống thay đổi hàng giờ theo nhu cầu. Bơm và các thiết bị đi kèm như đường ống van, đài nước được thiết kế với lưu lượng nước bơm rất lớn. Vì thế điều chỉnh lưu lượng nước bơm được thực hiện bằng các phương pháp sau :
_Điều chỉnh bằng cách khép van trên ống đẩy của bơm
_Điều chỉnh bằng đóng mở các máy bơm hoạt động đồng thời
_Điều khiển thay đổi tốc độ quay bằng khớp nối thuỷ lực.
Điều khiển theo những phưong pháp trên không những không tiết kiệm được năng lượng điện tiêu thụ mà còn gây nên hỏng hóc thiết bị và đường ống do chấn động khi đóng mở van gây nên, đồng thời các máy bơm cung cấp không bám sát được chế độ tiêu thụ trên mạng lưới. Để giải quyết các vấn đề kể trên chỉ có thể sử dụng phương pháp điều khiển truyền động biến đổi tốc độ bằng thiết bị biến tần.Thiết bị biến tần là thiết bị điều chỉnh biến đôỉ tốc độ quay của động cơ bằng cách thay đổi tần số của dòng điện cung cấp cho động cơ. Hiện nay thiết bị biến tần trên thế giới có nhiều nhà cung cấp thiết bị biến tần như Danfoss ,Siemen ,ABB…Không chỉ cung cấp thiết bị cho ngành cấp thoát nước mà cho nhiều ngành công nghiệp khác. Loại thiết bị biến tần được ứng dụng cho bơm ly tâm trong bài là biến tần VLT 6000.
Nguyên tắc điều khiển máy bơm của thiết bị biến tần:
+ Khi sử dụng thiết bị biến tần cho phép điều chỉnh một cách linh hoạt lưu lượng và áp lực cấp vào mạng lưới theo yêu cầu tiêu thụ.
+Hình vẽ trên thể hiện nguyên lý làm việc điều chỉnh máy bơm bằng thiết bị biến tần. Với tín hiệu từ cảm biến áp lực phản hồi về thiết bị biến tần, bộ vi xử lý của biến tần sẽ so sánh giá trị truyền về với giá trị cài đặt để từ đó thay đổi tần số dòng điện, điện áp cung cấp cho động cơ làm thay đổi tốc độ quay của động cơ để đảm bảo lưu lượng và áp lực cấp vào mạng lưới.
+Sự điều chỉnh linh hoạt các máy bơm khi sử dụng biến tần được cụ thể như sau:
_ Điều chỉnh tốc độ quay khi lưu lượng và cột áp cùng thay đổi
_ Điều chỉnh tốc độ quay khi lưu lượng thay đổi còn cột áp không thay đổi
_ Đa dạng trong phương thức điều khiển các máy bơm trong trạm bơm. Một thiết bị biến tần có thể điều khiển đến 5 máy bơm . Có ba phương thức điều khiển các máy bơm:
- Điều khiển theo mực nước:Trên cơ sở tín hiệu mực chất lỏng trong bể hút hồi tiếp về biến tần. Bộ vi xử lý sẽ so sánh tín hiệu hồi tiếp với mực chất lỏng được cài đặt. Trên cơ sở kết quả so sánh biến tần sẽ điều khiển đóng mở các máy bơm sao cho phù hợp để mực chất lỏng trong bể luôn bằng giá trị cài đặt. Ngược lại khi tín hồi tiếp lớn hơn giá trị cài đặt, biến tần sẽ điều khỉên cắt lần lượt các bơm để mực chất lỏng luôn đạt ổn định ở giá trị cài đặt.
- Điều khiển theo hình thức chủ động/ thụ động: Mỗi một máy bơm được nối với một bộ biến tần trong đó có một biến tần chủ động và các biến tần khác là thụ động Khi tín hiệu hồi tiếp về biến tần chủ động thì bộ vi xử lý của biến tần này sẽ so sánh với tín hiệu được cài đặt để từ đó tác động đến các biến tần thụ động điều chỉnh tốc độ quay của các máy bơm cho phù hợp và không gây ra hiện tượng va đập thuỷ lực phản hồi từ hệ thống. Phương thức điều khiển này là linh hoạt nhất, khắc phục những khó khăn trong quá trình vận hành bơm khác với thiết kế. Phương thức này được sử dụng cho trường hợp thay đổi cả về lưu lượng và áp lực trên mạng lưới.
- Điều khiển theo hình thức biến tần điều khỉên một bơm: Một máy bơm chính được điều chỉnh thông qua thiết bị biến tần, các máy bơm còn lại đóng mở trực tiếp bằng khởi động mềm. Khi tín hiệu áp lực và lưu lượng trên mạng lưới hồi tiếp về biến tần. Bộ vi xử lý sẽ so sánh với giá trị cài đặt, và điều khiển tốc độ máy bơm chính chạy với tốc độ phù hợp và điều khiển đóng mở các máy bơm còn lại cho phù hợp với nhu cầu trên mạng lưới đồng thời điều chỉnh tốc độ bơm chính sao cho hạn chế tối đa hiện tượng va đập thuỷ lực mạng lưới cấp nứơc. Phương thức điều khiển này được áp dụng cho trường hợp áp lực của máy bơm đúng với thiết kế nhưng lưu lượng thay đổi. Bằng các phương thức điều khiể linh hoạt trên theo nhu cầu tiêu thụ của mạng lưới sẽ thay thế đài nước trên mạng lưới.
2.Những ưu điểm khi điều khiển tốc độ bơm bằng thiết bị biến tần
_ Hạn chế được dòng điện khởi động cao
_Tiết kiệm năng lượng
_Điều khiển linh hoạt các máy bơm
_Sử dụng công nghệ điều khiển vecto
Ngoài ra còn các ưu điểm khác của thiết bị biến tần như:
_Dãy công suất rộng từ 1,1 – 400 Kw
_ Tự động ngừng khi đạt tới điểm cài đặt
_Tăng tốc nhanh giứp biến tần bắt kịp tốc độ hiện thời của động cơ,
_Tự động tăng tốc giảm tốc tránh quá tải hoặc qúa điện áp khi khởi động,
_Bảo vệ được động cơ khi : ngắn , mạch, mất pha lệch pha, quá tải, quá dòng, quá nhiệt,
_Kết nối với máy tính chạy trên hệ điều hành Windows,
_Kích thước nhỏ gọn không chiếm diện tích trong nhà trạm,
_Mô men khởi động cao với chế độ tiết kiệm năng lượng,
_Dễ dàng lắp đặt vận hành,
_Hiển thị các thông số của động cơ và biến tần.
Từ những ưu điểm trên của thiết bị biến tần ta lựa chọn phương án lắp máy biến tầní trong xây dựng và vận hành quản lý.
3.Tính toán thiết bị biến tần cho các trạm bơm cấp II thiết kế mới.
3.1. Các tài liệu cần thiết để tính toán:
_ Tài liệu về máy bơm :
Bao gồm các chủng loại bơm, các thông số cơ bản của máy bơm, các kích thước của tổ máy.
_ Tài liệu về biến tần :
Loại biến tần, công suất kích thước cơ khí, các thông số kỹ thuật, tiêu chuẩn bảo vệ…
_ Tài liệu về cảm biến áp lực và lưu lượng.
_ Tài liệu về tính toán thiết kế mạng lưới cấp nước.
_ Tiêu chuẩn thiết kế 20TCN33-83
_ Tiêu chuẩn quản lý vận hành 20TCN66-91.
3.2. Các bước tính toán thiết kế:
_ Tính toán chọn máy bơm.
Để lựa chọn được thiết bị biến tần cho trạm bơm cấp II là để nhằm mục đích điều khiển trạm bơm trên cơ sở chế độ tiêu thụ nước trên mạng lưới. Để lựa chọn được máy bơm thì ta phải biết được lưu lượng và áp lực của máy bơm:
Ở đây ta chỉ tính toán thiết bị biến tần cho các bơm sinh hoạt, còn các bơm chữa cháy ta không lắp vì thời gian hoạt động của bơm chữa cháy rất ít và thời gian cung cấp nước cho chữa cháy không lâu nên không cần điều chỉnh về lưu lượng và áp lực trong giờ có cháy.
a.Tính toán chọn máy biến tần cho trạm bơm cấp II trong giai đoạn I
+Từ kết quả tính toán ở trên phần trên cuả trạm bơm cấp II trong giai đoạn I ta chọn được bơm Omega 150-460A với các thông số làm việc như sau:
Qb= 299,5 (m3/h)
Hb=39,5 (m)
_Lựa chọn thiết bị biến tần:
Khi chọn được máy bơm ta sẽ biết công suất trên trục của máy bơm.Từ đó ta tính công suất của động cơ theo công thức:
Nđc = k x Ntrục (KW)
k: hệ số dự trữ công suất, lấy k = 1,1
Ntrục: công suất trên trục bơm (KW), Ntrục= 45 (KW)
Nđc: công suất trên trục động cơ (KW).
Nđc = 1,1x 45 = 49,5 (KW)
Thiết bị biến tần được chọn sao cho thoả mãn điều kiện:
NVSD Nđc
Dựa vào tài liệu thiết bị biến tần ta lựa chọn thiết bị biến tần VLT6000 HVAC có các thông số cơ bản như sau:
- Nguồn cấp điện chính: 3×380 V
- Loại VLT: VLT6075
- Công suất đặc trưng đầu trục:55 KW,
- Trọng lượng IP20: 121 kg,
- Hiệu suất tại tần số định mức: 0,96 – 0,97 %
- Kích thước cơ khí (mm):loại IP20 380-460V Type C
b.Tính toán chọn máy biến tần cho trạm bơm cấp II trong giai đoạn II
+Từ kết quả tính toán ở trên phần trên cuả trạm bơm cấp II trong giai đoạn II ta chọn được bơm Omega 200-420B với các thông số làm việc như sau:
Qb= 604,8 (m3/h)
Hb=50,5 (m)
_Lựa chọn thiết bị biến tần:
Khi chọn được máy bơm ta sẽ biết công suất trên trục của máy bơm.Từ đó ta tính công suất của động cơ theo công thức:
Nđc = k x Ntrục (KW)
k: hệ số dự trữ công suất, lấy k = 1,1
Ntrục: công suất trên trục bơm (KW), Ntrục= 95 (KW)
Nđc: công suất trên trục động cơ (KW).
Nđc = 1,1x 95 = 104,5 (KW)
Thiết bị biến tần được chọn sao cho thoả mãn điều kiện:
NVSD Nđc
Dựa vào tài liệu thiết bị biến tần ta lựa chọn thiết bị biến tần VLT6000 HVAC có các thông số cơ bản như sau:
- Nguồn cấp điện chính: 3×380 V
- Loại VLT: VLT6150
- Công suất đặc trưng đầu trục:110 KW,
- Trọng lượng IP20: 161 kg,
- Hiệu suất tại tần số định mức: 0,96 – 0,97 %
- Tổn thất công suất tải cực đại : 2380 W,
- Kích thước cơ khí (mm):loại IP20 380-460V Type E
_ Lựa chọn phương thức điều khiển các máy bơm bằng biến tần:
Trên cơ sở phân tích chế độ làm việc của các máy bơm và các thông số cơ bản của máy trong tính toán thiết kế và trong kết quả tính toán thuỷ lực mạng lưới mà ta có thể chọn lựa hình thức điều khiển của biến tần là:
+ Điều khiển theo mực nước.
+ Điều khiển theo phương thức chủ động/thụ động.
+ Điều khiển theo phương thức biến tần điều khiển một bơm.
Từ ba hình thức điều khiển trên ta chọn điều khiển bằng biến tần theo phương thức mỗi biến tần lắp cho một bơm. Khi đó các bơm sẽ làm việc linh hoạt và tuổi thọ làm việc của các bơm sẽ giống nhau đảm bảo cho trạm vận hành an toàn và thao tác vận hành đơn giản.
Như vậy số biến tần sử dụng trong mỗi giai đoạn là 4 máy với các đặc tính đã chọn ở trên.
_ Lựa chọn cảm biến áp lực và lưu lượng:
Trên cơ sở kết quả tính toán thuỷ lực mạng lưới cấp nước ta sẽ xác định được khoảng dao động của chế độ lưu lượng và áp lực trên mạng lưới khi làm việc. Từ các thông số này tra tài liệu về cảm biến để chọn loại cảm biến cho phù hợp.
Thông thường các trạm bơm cấp nước của Việt Nam hiện nay cột áp cấp trên ống đẩy thường < 6 bar.Do đó cảm biến áp lực có thể chọn loại HUBA PRESURE SENSOR sêri 500 với phạm vi đo 06 bar.
Cảm biến lưu lượng có thể chọn loại MAG1100 MAG6000 của hãng Danfoss.