KIỂM SOÁT NƯỚC VA TRONG HỆ THỐNG BƠM
Surge Control in Pumping Systems
GIỚI THIỆU
Đường ống dẫn nước và hệ thống phân phối chịu những cơn trào áp hầu như là mỗi ngày, qua thời gian điều này có thể gây thiệt hại cho thiết bị hoặc gây ô nhiễm nguồn nước. Nước va có thể gây ra bởi sự thay đổi đột ngột vận tốc dòng chảy, có thể là nhỏ chỉ vài psi hoặc có thể cao bằng 5 lần áp suất tĩnh.
Nguyên nhân và ảnh hưởng của những đợt trào áp suất này sẽ được thảo luận cùng với những thiết bị được thiết kế để ngăn ngừa hoặc làm tiêu tan nước va. Phải có kiến thức về tất cả những liên kết giữa van và các thiết bị chống nước va mới có thể thiết kế thành công được 1 hệ thống bơm với mức trào áp có thể chấp được.
Chúng ta sẽ tham khảo một số cách lắp đặt và những ví dụ điển hình để có thể hiểu rõ những ứng dụng này.
 |
| Hình 1. Hệ thống bơm điển hình |
Hình 1 mô tả một hệ thống bơm/ phân phối nước điển hình, có 2 bơm lắp song song, bơm nước từ giếng ướt hoặc bể chứa, bơm nước qua van bướm và van 1 chiều vào ống dẫn chính và hệ thống phân phối. Bình tích áp và van xả áp thể hiện như những thiết bị có thể lắp trên đường ống chính để ngăn hoặc giảm nước va. Mỗi loại sẽ được thảo luận sâu hơn ở phần sau.
NGUYÊN NHÂN VÀ HỆ QUẢ
Nước va được gây ra bởi sự thay đổi đột ngột vận tốc dòng chảy, có thể là do sự đóng nhanh của van, mở bơm hoặc tắt bơm hoặc những hoạt động làm đầy không hợp lý. Hệ thống ống thường gặp những đợt nước va đầu tiên khi bơm nước và đường ống, khí bị đẩy ra ngoài đường ống nhanh chóng từ một van xả khí hoặc van điều khiển, theo sau bởi nước. Đặc hơn rất nhiều lần so với với khí, nước theo sau khí đến cửa thoát ở 1 vận tốc cao, nhưng sau đó nhanh chóng bị giới lại lại bởi cửa thoát, gây ra sự trào áp.
Tốc độ làm đầy hệ thống bắt buộc phải phải được kiểm soát ở mức thấp hơn 2ft/s so với vận tốc của lưu chất, và khí phải được thoát ra van xả khí được tính toán kích cỡ chính xác. Tương tự như vậy, van trên đường ống phải đóng mở chậm để ngăn sự thay đổi đột ngột vận tốc dòng chảy. Hoạt động của bơm và sự tắt đột ngột của bơm do cúp điện có lẽ gây ảnh hưởng thường xuyên nhất lên hệ thống và nhiều khả năng gây ra nước va thường xuyên và nghiêm trọng nhất.
Nếu hệ thống bơm không được điều khiển hoặc bảo vệ, việc ô nhiễm hoặc hư hại thiết bị hoặc chính đường ống là rất nghiêm trọng. Hệ quả của nước va có thể nhẹ ở mức làm lỏng các khớp nối trên đường ống, hoặc nặng ở mức phá hỏng bơm, van và hệ thống bê tông. Khớp nối bị hư và tình trạng chân không có thể gây ô nhiễm cho hệ thống từ nước ở dưới đất và tình trạng dòng chảy ngược. Nước va mà không được kiểm soát tốt thì hậu quả cũng rất thảm khốc. Đường ống bị vỡ có thể gây lũ. đường ống bị dịch chuyển có thể gây hỏng những gối đỡ hoặc cấu trúc bê tông. Thiệt hại có thể ở mức hàng triệu đô la, nên việc thiết yếu là phải hiểu và kiểm soát được nước va với những thiết bị phù hợp.
NỀN TẢNG VỀ NƯỚC VA
Một vài phương trình cơ bản của lý thuyết về nước va sẽ được trình bày để hiểu rõ hơn về những thiết bị chống nước va. Đầu tiên, áp suất nước va (H) gây ra bởi sự tắt dòng chảy đột ngột tỷ lệ thuận với sự thay đổi vận tốc, có thể được tính toán như sau:
H = a v / g
trong đó
trong đó
H = Áp suất nước va, ft khối nước.
a = Tốc độ của sóng áp suất, ft/ giây
v = Thay đổi trong vận tốc dòng chảy, ft/giây
g = Trọng lực, 32.2 ft/sec2
1ft = 0.3048 m
Tốc độ của sóng áp suất (a) thay đổi theo loại chất lưu, kích cỡ đường ống và vật liệu đường ống. Đối với đường ống thép có kích cỡ trung bình, nó có tốc độ vào khoảng 3500 ft/s. Đối với ống PVC, tốc độ này có thể thấp hơn rất nhiều. Đối với ống thép 12'' (DN300), với dòng nước chảy ở vận tốc 6 ft/s, độ lớn của nước va từ việc ngắt dòng chảy đột ngột là:
H = (3500 ft/sec)(6 ft/sec) / (32 ft/sec2)
H = 656 ft khối nước (~ 200 m)
Áp nước va 656 ft (285 psi) cộng thêm áp suất tĩnh của đường ống vì vậy, kết quả áp suất cuối cùng dễ dàng vượt quá áp suất của toàn hệ thống. Hơn nữa, nước va sẽ được duy trì trong vài giây khi sóng phản chiếu từ từ một đầu của đường ống hệ thống đến đầu kia gây ra sự quá áp lên đệm làm kín của đường ống, và phụ kiện. Sau đó, sau khi phản xạ, sóng áp lực có thể gây áp suất âm và các túi hút chân không trong vài giây cho phép nước ngầm bị ô nhiễm bị cuốn vào hệ thống thông qua đệm làm kín hoặc những chỗ khớp nối.
Ngay cả những vận tốc cao hơn vận tốc bơm cũng có thể đạt được trong các hệ thống đường ống dài, đặc biệt là khi có sự thay đổi đáng kể về lớp. Nếu máy bơm đột ngột dừng lại do cúp điện, động năng của nước kết hợp với quán tính thấp của máy bơm có thể gây ra sự phân tách cột nước ở bơm hoặc tại một điểm cao trong hệ thống đường ống.
Khi các cột nước trở lại áp suất tĩnh của đường ống, vận tốc đảo ngược có thể vượt quá vận tốc bình thường. Áp suất tăng có thể thậm chí còn cao hơn 656 bộ tính trên. Các chương trình máy tính phân tích tức thời thường được sử dụng để dự đoán sự tách biệt của cột và vận tốc và độ dốc thực tế.
Các chương trình tức thời cũng có thể mô phỏng phương pháp được sử dụng để kiểm soát và ngăn chặn sự tách rời của cột nước như việc sử dụng bình tăng áp, máy hút chân không hoặc van khí tăng áp. Những giải pháp này sẽ được thảo luận chi tiết hơn.
Cho đến nay, sự thay đổi vận tốc đã được mô tả là "đột ngột". Nhưng thay đổi vận tốc "đột ngột" như thế nào mới tạo ra nước va? Nếu sự thay đổi vận tốc được thực hiện trong khoảng thời gian cần cho sóng áp suất đi qua chiều dài của đường ống và trở lại, sau đó sự thay đổi vận tốc có thể được coi là tức thời và phương trình áp suất tăng áp được đưa ra trước đó được áp dụng. Khoảng thời gian này, thường được gọi là "giai đoạn quan trọng", có thể được tính theo phương trình:
t = 2 L / a
trong đó:
t = khoảng quan trọng, giây
L = Chiều dài ống, ft
a = Tốc độ của sóng áp suất, ft/s
Cho ví dụ ở trên (ống DN300), ống thép dài 4 dặm, t sẽ bằng:
t = 2 (21,120 ft) / (3500 ft/sec)
t = 12 giây.
Để gây nước va, máy bơm không nhất thiết phải dừng lại nhanh chóng cũng không phải là van cần phải đóng ngay lập tức (hoặc thậm chí đột ngột). Ngừng dòng chảy thông thường 5 hoặc 10 giây có thể gây ra nước va tối đa trong hệ thống bơm dài. Sau đó, các chiến lược kiểm soát nước va cần được áp dụng trên tất cả các đường ống dài.
BƠM
Tham khảo lại hình 1, chìa khóa để kiểm soát nước va là kiểm soát mức độ tăng giảm của vận tốc dòng chảy vào hệ thống. Bơm phải được tính toán kích cỡ cho những yêu cầu về dòng chảy. Nhiều bơm có thể được dùng để đáp ứng nhu cầu thay đổi về nước. Máy bơm quá khổ có thể tạo ra sự tàn phá trong các hệ thống bơm nhất định. Hệ thống điều khiển động cơ bơm đặc biệt có sẵn để từ từ dốc lên và dốc xuống các máy bơm bằng cách điều khiển ổ điện của bơm. Một số thiết kế trạm bơm sử dụng nhiều máy bơm để khi một trong những máy bơm đmở hoặc tắt, bơm dừng lại có tác động nhỏ đến vận tốc đường ống tổng thể. Các hệ thống này kiểm soát nguồn cung cấp và có thể ngăn ngừa nước va trong các hoạt đông bơm thông thường. Tuy nhiên, sau khi mất điện, điều khiển động cơ sẽ không hoạt động và bơm sẽ tắt ngay lập tức và gây ra sự ngưng đột ngột của dòng chảy. Hầu như tất cả các hệ thống bơm cần trang thiết bị chống nước va để tránh khi mất điện.
BƠM ĐỨNG VÀ VAN XẢ KHÍ
 |
| H2. Bơm đứng và van xả khí |
 |
| H3. Van xả khí bơm |
Thiết bị điều khiển được lắp vào van có kích cỡ 3'' (DN80) trở lại, để điều tiết lượng khí xả ra, đặc biệt đối với van điều khiển bơm mở chậm. Thiết bị điều khiển (throttling device) được điều chỉnh bởi vít bên trong để làm chậm sự dâng lên của nước trong cột bơm. Tuy nhiên, khi bơm tắt, lỗ thứ 2 trên đỉnh của thiết bị điều khiển cho phép dòng chảy tối đa vào cột bơm để xả chân không. Thiết bị điều khiển 2 lỗ (Dual port throttling device) rất quan trọng vì nó cho phép dòng chảy chân không tối đa và ngăn không cho nước dơ chảy vào đường ống, điều có thể xảy ra nếu dùng thiết bị xả thông thường.
 |
| H4. Van xả khí |
Khi van điều khiển bơm điều khiển điện được sử dụng với một bơm đứng, có thể sử dụng van xả khí kèm phá chân không như hình 4. Trong trường hợp này, bơm mở và van điều khiển bơm hoãn việc mở trong vài giây để van xả khí có thể thải khí ra từ từ thông qua một họng nhỏ. Trong quá trình này,
cột bơm sẽ tích áp đến áp suất đóng bơm và ép khí đi ra ở áp suất cao. Không khí bị giữ kín trong giây lát sẽ đóng vai trò đệm để kiểm soát sự dâng lên của nước trong cột bơm. Nắp van được tính toán kích cỡ để kiểm soát sự nổi lên của nước với vận tốc an toàn, thường là 2 ft / giây.
VAN MỘT CHIỀU
Một thiết bị tối quan trọng khác trong thiết kế hệ thống bơm là việc chọn lựa và hoạt động thích hợp của van một chiều ở đường xả của bơm. Mọi kỹ sư thiết kế van một chiều đều gặp vấn đề va đập van một chiều, gây ra bởi việc dừng đột ngột và dòng nước chảy ngược lại van một chiều đang đóng. Để chống việc va đập, van một chiều phải đóng hoặc rất nhanh hoặc rất chậm, nếu ở giữa giữa 2 điểm này thì đáng lo ngại. Van một chiều cần bảo vệ hệ thống bơm và đường ống khỏi những thay đổi đột ngột trong vận tốc dòng chảy trong khả năng ứng dụng của nó. Van một chiều phải đáng tin cậy và gây ra độ sụt áp nhỏ.
Hai loại van một chiều sẽ được thảo luận chi tiết. Đầu tiên là van 1 chiều đóng nhanh, đại diện cho nhóm van một chiều dòng van 1 chiều phổ thông, hoạt động tự động trong vòng chưa đến 1 giây, và không cần nguồn bên ngoài hay tín hiệu từ hệ thống bơm. Dòng còn lại van van điều khiển bơm, hoạt động rất chậm ( ví dụ 60-300 giây) để kiểm soát cẩn thận những thay đổi trong vận tốc chất lưu.
VAN MỘT CHIỀU ĐÓNG NHANH
Van một chiều đóng nhanh đơn giản, hiệu quả và chi phí đầu tư thấp nhưng thường có nguy cơ về va đập van một chiều và do đó có thể gây ra nước va. Những nghiên cứu chuyên sâu đã được tiến hành để hiểu về những đặc tính đóng của đa dạng các loại van một chiều như van một chiều bi, van một chiều lá lât, van một chiều đĩa nghiêng, đĩa đàn hồi, van một chiều 2 cánh bướm và van một chiều trục xoay. Nếu sự giảm tốc của dòng chảy chuyển tiếp có thể được ước lượng, chẳng hạn như với một phân tích tức thời của hệ thống bơm, tiềm năng sập mạnh của các van một chiều khác nhau có thể được dự đoán. Sau đó, một số tùy chọn van không va sập sẽ tự xuất hiện, và các tính năng và chi phí hoạt động có thể được sử dụng để lựa chọn van một chiều tốt nhất cho ứng dụng.
 |
| Van một chiều lá lật |
Loại van một chiều phổ biến nhất là van một chiều lá lật, được thiết kế để đóng nhanh chóng, ngăn sự quay ngược của bơm trong quá trình dòng nước chảy ngược về. Van một chiều lá lật truyền thống thường có ron 90 độ và khoảng cách đóng/ mở dài, điều này dễ gây ra va sập. Vì vậy van này thường đi kèm một số phụ kiện, phổ biến nhất là cần gạt và cân đối trọng. Người ta thường cho rằng cân đối trọng sẽ làm van đóng nhanh hơn nhưng thực chất, là làm giảm sự sập xuống của đĩa van, bằng việc giới hạn lực đóng của đĩa, nhưng đổi lại, lại gây ra độ sụt áp lớn. Van đóng chậm cũng nhờ vào quán tính của chính cân đối trọng và sự ma sát với ty của van.
Trong các ứng dụng khắc nghiệt hơn, đôi khi đệm không khí được sử dụng để làm chậm tác động
của van đóng. Mọi người đều thấy hiệu quả của một chiếc đệm không khí hoạt động trên một cửa chống bão. Nhưng các điều kiện trong một đường ống khác biệt đáng kể. Khi một cánh cửa đóng sập,
động lực được hấp thụ trơn tru bởi xy lanh khí bởi vì khi cửa đóng chậm, lực từ lò xo đóng và gió bên ngoài trở nên ngày càng ít đi. Ngược lại, khi van một chiều trong đường ống dẫn nước đóng lại, luồng đảo ngược đang tăng nhanh ở tốc độ rất lớn sao cho mỗi một phần nhỏ của 1 giây và việc đóng van bị trì hoãn, lực trên đĩa sẽ tăng lên theo thứ tự độ lớn. Vì vậy, mặc dù có thể đúng là đệm không khí ngăn không cho trọng lượng làm cho đĩa sập vào ron của van một van, trong thực tế thực tế, đệm không khí chỉ đơn thuần là giữ đĩa mở đủ dài cho dòng chảy ngược lại tăng mạnh lên và sập đĩa thậm chí còn mạnh hơn vào ron. Vì đệm không khí dựa trên việc sử dụng không khí (có thể nén) nên chúng không có sự kiềm chế tích cực của đĩa đóng và không thể chống lại các lực khổng lồ được thực hiện bởi dòng chảy ngược. Tóm lại, thiết lập tốt nhất của đệm không khí thường ở đầu van kim xả được mở hoàn toàn và không khí bị trục xuất ở mức cao nhất
 |
| H6. Van một chiều đĩa trục |
 |
| H7. Van một chiều đĩa nghiêng |
Van một chiều đĩa nghiêng (Tilted Disc Check Valve) là van một chiều có tỷ lệ sụt áp qua van thấp nhất vì họng van bằng 140% đường kính ống và đĩa thì tương tự như đĩa van bướm, cho phép dòng chảy đi qua từ 2 phía của đĩa. Van một chiều đĩa nghiêng có ron kim loại chắc chắn và có thể tích hợp dashpot ở trên cùng hoặc dưới cùng để điều khiển van hiệu quả và giảm thiểu nước va. Van 1 chiều đãi nghiêng hoàn toàn tự động, không cần nguồn bên ngoài hay liên kết với hệ điều khiển bơm.
 |
| H8. Van một chiều đĩa đàn hồi |
Van một chiều mới nhất là van một chiều đĩa đàn hồi (Resilient Disc Check Valve), và là van có ảnh hưởng lớn nhất đến ngành công nghiệp nước cấp/ nước thải ngày nay. RDCV rất đáng tin cậy và hầu như không cần bảo trì bởi vì phần di chuyển duy nhất là đĩa linh hoạt. Van này có một họng 100% nghiêng ở góc 45 độ, cung cấp một đoạn di chuyển ngắn 35 độ, đóng nhanh và độ sụt áp qua van thấp. Van cũng có sẵn với một chỉ báo vị trí cơ khí và thiết bị chuyển mạch giới hạn. Một mô hình đặc biệt của van này, SURGEBUSTER® (SB) thậm chí còn đóng cửa nhanh hơn do bổ sung một máy gia tốc đĩa cho việc đóng có đặc tính tương tự như của van một chiều đĩa trục.
Vì vậy, với nhiều lựa chọn về van một chiều, có một loại thích hợp với mọi ứng dụng và có độ sụp áp rất thấp. Đặc tính đóng của các van một chiều được thể hiện ở bảng H9. Van nào có đường cong xa bên phải nhất có đặc tính chống đóng sập cao nhất.
 |
| H9. Đặc tính đóng của van một chiều |
...
THIẾT BỊ CHỐNG NƯỚC VA
Việc sử dụng các vật liệu ống có thể chịu được áp suất cao hoặc làm giảm vận tốc hoạt động của dòng chảy, cần phải sử dụng thiết bị giảm nước va để dự đoán trước thay đổi về áp suất và tiêu giảm nước va từ sự thay đổi tốc độ dòng chảy khi tắt bơm. Thiết bị chống nước va cũng sẽ bảo vệ hệ thống khỏi hoạt động sai của van, làm đầy nước không thích hợp hoặc các vấn đề khác của hệ thống.
ỐNG ĐỨNG VÀ BÌNH TÍCH ÁP
Có rất nhiều thiết bị chống va có thể được sử dụng để bảo vệ hệ thống. Đối với hệ thống có áp suất thấp, ống đứng mở tiếp xúc với không khí sẽ xả áp ra ngoài gần như là ngay lập tức qua việc xả nước. Đối với hệ thống có áp suất cao, chiều cao của một ống đứng sẽ không thể đáp ứng được vì vậy cần sử dụng bình tích áp với khí nén bên trên mực nước để hấp thụ những va đập và ngăn cột nước tách ra như hình H.10.
 |
| Bình tích áp thủy khí nén |
Tuy nhiên, đối với những trạm bơm điển hình, bình tích áp có vẻ như quá lớn và tốn kém và cần phải có thêm máy nén khí để cấp khí. Khi sử dụng, phải cần dùng thêm một van một chiều đóng nhanh để
ngăn nước từ bình tích áp chảy ngược về bơm. Đây là một ví dụ điển hình khi bạn nhìn thấy một hệ thống mà sử dụng cả van một chiều đóng nhanh và van điều khiển bơm. Hơn nữa, bình tích áp tạo ra sự giảm tốc cực nhanh (ví dụ 25 ft/sec2) vì vậy van một chiều cần được trang bị thêm lò xo hoặc đệm dầu hay dashpot để ngăn va sập.VAN CHỐNG VA
Van xả áp thường là một phương tiện thực tế hơn để xả áp suất. Ở những van này, khi có sự trào áp sẽ nâng đĩa van lên, cho phép xả nước ra ngoài không khí hoặc bể hồi một cách nhanh chóng. Van xả áp/ an toàn (pressure relief valve) có một nhược điểm là đôi khi mở không đủ nhanh để xả nước va trong trường hợp có xả ra phân tách cột nước. Trong những trường hợp này, khi ma những mấy tính toán tức thời từ máy tính có thể dự đoán trước nước va nhanh và mạnh, van xả áp an toàn tích hợp thêm thiết bị điều khiển dự đoán (van chống va) có thể được cân nhắc sử dụng. Van điều khiển dạng cầu hoặc van bi tích hợp với thiết bị dự đoán và điều khiển nước va được thể hiện như hình H.11.
 |
| Van chống va |
Van chống va có thể mở rất nhanh khi cảm biến được áp suất cao hay thấp xảy ra trong hệ thống.
Khi bơm đột nhiên tắt, dấp suất trong đường ống chính sẽ giảm xuống thấp hơn áp suất tĩnh và kích cho van chống va mở ra. Van chống va khi đó sẽ mở ra 1 phần hoặc hoàn toàn khi dòng nước va dội ngược về. Van chống va thường mở trong vòng chưa đến 5 giây, cho phép dòng chảy lưu lượng lớn đi qua, sau đó từ từ đóng lại ở tỷ lệ đóng của van điều khiển bơm (60-300 giây). Việc tính toán kích cỡ của van chống va thì tối quan trọng và phải được duyệt qua bởi những chuyên gia về nước va và hệ thống bơm.
TỔNG KẾT
Nước va có thể gây ra ô nhiễm và hư hại cho hệ thống ống nước và là vẫn đề thường gặp của đường ống. Tầm quan trọng của việc kiểm soát và điều khiển nước va là rất quan trọng. Cần phải cân nhắc đến việc điều khiển bơm, van xả khí, van một chiều và thiết bị chống nước va. Van một chiều đóng nhanh là một phương thức ít tốn chi phí để ngăn dòng nước chảy ngược lại bơm mà không bị đóng sập, nhưng có thể không đủ hiệu quả trong đường ống dài.
Thậm chí đối với van điều khiển, nước va cũng có thể xuất hiện khi van đóng quá nhanh để ngăn nước quay ngược lại bơm. Vì vậy đối với đường ống dài, cần sử dụng thêm thiết bị điều khiển và giảm nước va như bình tích áp, van xả áp an toàn hay van chống va. Cuối cùng, việc sử dụng phần mềm phân tích tức thời trên máy tính để mô phỏng hệ thống trước khi hệ thống được xây dựng.
Xem thêm:
Van chống va T.i.S - Italy
So sánh van chống va và bình tích áp trong việc bảo vệ hệ thống bơm
LIÊN HỆ TƯ VẤN MIỄN PHÍ VÀ BÁO GIÁ
Justin Pham
Business Development Manager
[M] +84 933 70 55 33
[E] Tinh.pham@Topvan.vn
www.Topvan.vn
www.Topvan.vn
Nhận xét
Đăng nhận xét