Thu hồi năng lượng dư thừa trong mạng lưới cấp nước tiềm năng và giải pháp ở các đô thị Việt Nam
nNgày nhận bài: 13/5/2021 nNgày sửa bài: 10/6/2021 nNgày chấp nhận đăng: 02/7/2021
Thu hồi năng lượng dư thừa trong mạng lưới cấp
nước tiềm năng và giải pháp ở các
đô thị Việt Nam
Energy recovery in surplus water supply network potential and solutions in
urban Vietnam
> THS. PHẠM HUY BẰNG
Khoa Cơ khí động lực - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh
Email: phamhuybang1501@gmail.com
TÓM TẮT:
ABSTRACT
Cùng với việc cung cấp nước đảm bảo liên tục và vệ sinh, một hệ
thống cấp nước bền vững còn đòi hỏi phải cải thiện được hiệu
quả trong việc sử dụng năng lượng, giảm lượng phát thải khí
carbon, giảm thất thoát năng lượng trong mạng lưới phân phối
nước. Một mạng lưới cấp nước được gọi là đạt hiệu quả kinh tế,
kỹ thuật khi áp lực được điều tiết ở mức tương đồng nhau và nằm
trong khoảng giới hạn nhất định cho tất cả các vùng tiêu thụ để
giảm rò rỉ nước, giảm nguy cơ vỡ ống và điều hòa tiêu thụ. Các
giải pháp thiết kế, vận hành hệ thống cấp nước được áp dụng phổ
biến hiện nay như phân vùng tách mạng, bơm biến tần... đã mang
lại hiệu quả, tuy nhiên áp lực ở những vùng tiêu thụ có lợi về áp
như vùng đầu mạng lưới hay vùng có địa hình thấp vẫn thường
rất lớn so với mức yêu cầu. Để triệt tiêu những phần năng lượng
dư thừa này, hiện nay chủ yếu dùng thiết bị van hoặc công trình
giảm áp, tuy nhiên giải pháp này lại lãng phí đi một nguồn năng
lượng sẵn có nằm ngay trong lòng các đô thị. Bài báo lập luận về
tiềm năng thu hồi và tái sử dụng nguồn năng lượng dư thừa trong
mạng lưới phân phối nước ở các đô thị Việt Nam.
Along with the continuous and sanitation of water supply, a
sustainable water supply system also requires improving energy
efficiency, reducing carbon emissions, reducing water leakage,
reducing energy losses in the water distribution network. A water
supply network is called economically and technically effective when
the pressure is moderated at a similar level and is within a certain
limit for all consumption areas to reduce water leakage, reducing the
risk of pipe rupture and conditioning consumption. Solutions for
designing and operating water supply systems are popularly applied
today such as network separation partitions, pump inverters ... have
been effective, but the pressure in pressure-advantaged areas such
as the network head or low-terrain areas is often very large
compared to the required level. To eliminate these excess energy,
currently mainly using valve equipment or pressure reducing works,
however, this solution wastes an existing energy source located right
in the heart of urban areas. The paper argues for the potential for
recovery and reuse of excess energy in the water distribution
network in Vietnam urban areas.
Từ khóa: Mạng lưới phân phối nước, thu hồi, năng lượng
Key words: Water distribution network, recovery, energy.
các vùng tiêu thụ bất lợi mới chỉ đạt mức 10m hoặc thấp hơn. Ở
mức đáp ứng khiêm tốn này cũng đã cho thấy chênh lệch áp lực
giữa những vùng tiêu thụ có lợi và bất lợi về áp đã khá cao, hay nói
cách khác trường hợp này trong mạng lưới cũng đã có một lượng
năng lượng nước dư thừa khá lớn.
Trong tương lai các cơ sở cấp nước sẽ phải phát triển, nâng cấp
hệ thống để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về chất lượng dịch vụ
của khách hàng. Một trong các yêu cầu đó là duy trì áp lực tối thiểu
cho mọi vùng tiêu thụ trong mạng lưới ở mức đủ để cấp nước trực
tiếp cho các ngôi nhà ở gia đình đến 4 tầng mà không cần phải có
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong hệ thống cấp nước, để vận chuyển nước đến mọi vùng
tiêu thụ với áp lực tối thiểu đảm bảo yêu cầu thì những vùng có lợi
về áp lực như những vùng đầu mạng lưới hay những vùng nằm ở
vùng địa hình thấp sẽ có áp lực dư thừa (Áp lực lớn hơn mức yêu
cầu tối thiểu). Áp lực dư thừa đó làm tăng lượng nước rò rỉ, làm
giảm lượng nước sử dụng của những vùng bất lợi về áp lực.
Số liệu tính toán thiết kế, vận hành hệ thống cấp nước đô thị ở
Việt Nam cho thấy áp lực bơm cấp 2 (TB2) dao động trong khoảng
40m đến 50m tùy từng thời điểm trong ngày, trong khi áp lực tại
07.2021
133
ISSN 2734-9888
N G H I Ê N C Ứ U K H O A H Ọ C
hệ thống cấp nước cục bộ gồm bể chứa, bơm, két nước mái như ở
hầu hết các đô thị hiện nay. Khi đó năng lượng nước dư thừa trong
đường ống cũng sẽ tăng lên rất nhiều cho dù các giải pháp kỹ
thuật như phân vùng mạng lưới, biến tần trạm bơm đang được
phát triển và áp dụng...
Hiện nay việc giảm áp lực dư thừa trong mạng lưới phân phối
nước chủ yếu là sử dụng thiết bị van hay công trình giảm áp. Giải
pháp này tuy đã đạt được mục tiêu chính là giảm rò rỉ nước, giảm
nguy cơ vỡ ống, điều hòa tiêu thụ nhưng cũng đã lãng phí đi một
nguồn năng lượng dư thừa sẵn có trong đường ống ngay trong
các đô thị. Bởi vậy tiềm năng thu hồi và tái sử dụng nguồn năng
lượng dư thừa trong mạng lưới phân phối nước rất đáng quan tâm
và nghiên cứu ở đô thị Việt Nam.
Hình 2. Sơ đồ biểu diễn mối quan hệ áp lực giữa các công trình cấp nước
2.2. NĂNG LƯỢNG DƯ THỪA TRONG MẠNG LƯỚI PHÂN
PHỐI NƯỚC
Giải pháp thiết kế, cải tạo, vận hành mạng lưới cấp nước thông
dụng ở các đô thị Việt Nam hiện nay là phân vùng tiêu thụ, tách
mạng lưới ống phân phối độc lập cho từng vùng. Cấu trúc mạng
lưới cấp nước chính (Hình 1) gồm:
2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.1.NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG CẤP NƯỚC ĐÔ THỊ
- Mạng lưới đường ống truyền dẫn hay còn gọi là mạng cấp I,
có nhiệm vụ dẫn nước từ trạm bơm cấp II đến các vùng tiêu thụ.
Mỗi vùng tiêu thụ có khoảng 1000 đến 5000 khách hàng sử dụng
nước, tương đương với lưu lượng 1000 đến 5000 m3/ngày.
- Mạng lưới đường ống phân phối hay còn gọi là mạng cấp II,
có nhiệm vụ đấu nối từ mạng cấp I phân phối nước đến các tiểu
khu tiêu thụ. Tại nút đấu nối từ mạng ống truyền dẫn vào mạng
ống phân phối được lắp đặt các thiết bị quản lý, kiểm soát như:
Đồng hồ đo lưu lượng, đồng hồ đo áp, van giảm áp, thiết bị thu
truyền tín hiệu... gọi là “Nút quản lý” vùng.
Trong thiết kế, vận hành mạng lưới cấp nước, khi mô phỏng
thủy lực quá trình làm việc thấy rằng để đảm bảo áp lực tối thiểu
cho vùng tiêu thụ bất lợi áp thì có rất nhiều vùng sẽ có áp lực lớn
hơn nhiều so với mức yêu cầu như những vùng đầu mạng lưới,
những vùng có địa hình thấp (Hình 2), đó chính là phần năng
lượng dư thừa.
Hình 1. Sơ đồ mạng lưới cấp nước (1- nguồn nước từ bể chứa)
Bản chất của việc truyền dẫn và phân phối nước đến các đối
tượng tiêu thụ là do năng lượng từ TB2 tạo ra, hoặc do sự chênh
cao của vị trí đặt bể chứa đối với cao độ của mạng lưới phân phối
(nếu đủ lớn). Năng lượng từ TB2 phải đảm bảo đưa nước tới vị trí
bất lợi nhất so trên mạng lưới , đồng thời tại vị trí đó cũng phải có
một áp lực tự do cần thiết để nước được đưa tới các thiết bị vệ sinh
ở vị trí bất lợi nhất của ngôi nhà ( theo TCVN:332006 thì H bất lợi
nhất với nhà 2 tầng là 12m). Như vậy tại các điểm đầu của mạng
lưới gần với TB2 sẽ tạo ra các vùng năng lượng (áp lực cần thiết)
lớn hơn nhiều lần so với nhu cầu của các đối tượng tiêu thụ (trung
bình từ 40-50m)
Hình 3: Sơ đồ cấu trúc mạng lưới cấp nước
Hình 4: Sơ đồ mô phỏng năng lượng trên mạng lưới cấp nước
134
07.2021
ISSN 2734-9888
nNgày nhận bài: 15/3/2021 nNgày sửa bài: 12/4/2021 nNgày chấp nhận đăng: 07/5/2021
Năng lượng nước dư thừa trong ống là phần chênh giữa giá trị
tổng năng lượng và năng lượng tối thiểu theo yêu cầu.
thế giới là hệ thống 5BTP, các bộ phận cơ bản của hệ thống gồm
bộ cánh quạt hình ống năm cánh gắn với trục quay đặt đồng trục
trong lòng ống và thoát ta khỏi ống qua cút cong 450, trục quay
sau đó nối với máy phát điện [2]. Nguyên lý hoạt động là tổng
năng lượng dòng chảy trong ống làm quay hệ thống cánh quạt,
trục quay và được máy phát chuyển thành điện năng rồi kết nối
vào mạng điện thành phố (Hình 3).
Ưu điểm của hệ thống 5BTP là được đặt trực tiếp vào ống và có
thể thực hiện được với tốc độ dòng chảy và áp lực thay đổi. Hiệu
suất thu hồi năng lượng nước trong ống của hệ thống 5BTP đạt
khoảng 60% [2].
H = H – Hmin (m)
Trong đó:
+ H: là năng lượng nước trong ống tại vị trí xem xét (m);
+ Hmin: là năng lượng nước tối thiểu để đảm bảo dịch vụ theo
quy định hay theo yêu cầu của khách hàng (m).
2.3.GIẢI PHÁP THU HỒI NĂNG LƯỢNG DƯ THỪA TRONG
ỐNG CẤP NƯỚC BẰNG VI THỦY ĐIỆN
Hệ thống vi thủy điện phù hợp để thu hồi năng lượng dư thừa
trong đường ống cấp nước đã được nghiên cứu và phát triển trên
Hình 3: Mô tả chi tiết lắp đặt hệ thống vi thủy điện 5BTP trong ống cấp nước
Công suất điện do 1 hệ thống vi thủy điện thu hồi được từ
năng lượng nước dư thừa trong ống được xác định bằng công
thức:
Tổng lượng nước sinh hoạt tiêu thụ ở các đô thị ở Việt Nam
hiện nay là khoảng 10,9 triệu m3/ngày, đến năm 2025 tăng lên
khoảng 15 triệu m3/ngày. Với yêu cầu luôn duy trì đủ áp lực theo
các kế hoạch đảm bảo cấp nước an toàn giai đoạn đến năm 2025
của các đô thị thì năng lượng nước dư thừa trong các mạng lưới
phân phối nước trung bình khoảng 30m cột nước, tương đương
với lượng điện có thể thu hồi được bằng hệ thống vi thủy điện
5BTP là khoảng 30,7 MWh.
Rõ ràng, đây là lĩnh vực đầy tiềm năng về công nghệ, kỹ thuật,
kinh tế và có ý nghĩa lớn về bảo vệ môi trường, phát triển bền
vững nên cần được nghiên cứu, đánh giá cụ thể cho các đô thị Việt
Nam ở hiện tại và đặc biệt là trong tương lai khi mà dịch vụ cấp
nước ngày càng phải được nâng cấp theo quy định và theo yêu
cầu ngày càng cao của khách hàng.
P = ..g.Q.H.t (Wh)
Trong đó:
+ : là hiệu suất thu hồi năng lượng trong ống cấp nước của hệ
thống;
+ : là khối lượng riêng của nước, = 1000 kg/m3;
+ g: là gia tốc trọng trường, g=9,81 m/s2;
+ Q: lưu lượng nước (m3/s);
+ H: năng lượng nước dư thừa trong ống (m);
+ t: thời gian tính toán (h).
Các bước để xây dựng hệ thống thu hồi năng lượng nước dư
thừa trong mạng lưới cấp nước có thể thực hiện như sau:
- Bước 1: Thiết lập sơ đồ mạng lưới ống gồm mạng lưới ống
truyền dẫn cho toàn khu vực cấp nước và mạng lưới ống phân
phối cho từng vùng tiêu thụ.
- Bước 2: Mô phỏng thủy lực quá trình làm việc của toàn mạng
lưới theo thời gian bằng phần mềm Epanet, Watercad... để xác
định số liệu về mức năng lượng dư thừa có thể thu hồi được tại
từng “Nút quản lý”.
- Bước 3: Tính toán xác định hiệu quả kinh tế từ số liệu lưu
lượng, năng lượng dư thừa tại từng “Nút quản lý” trên cơ sở chi phí
đầu tư hệ thống và chi phí điện năng thu hồi được để quyết định
nên lắp đặt van giảm áp hay xây dựng hệ thống vi thủy điện ở
từng “Nút quản lý”.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nguyễn Văn Tín. Cấp nước - Mạng lưới cấp nước. NXB Khoa học & Kỹ thuật 2001.
[2]. Samora, I.; Hasmatuchi, V; Münch-Alligné, C.; Franca, M.J.; Schleiss, A.J.; Ramos,
H.M. Experimental characterization of a five blade tubular propeller turbine for pipe inline
installation. Renew. Energy 2016, 95, 356-366. [CrossRef].
[3]. Cobb, B.R., Sharp, K.V. Impulse (Turgo and Pelton) Turbine Performance
Characteristics and Their Impact on Pico-Hydro Installations, Renewable Energy, 50, 959-
964, 2013.
[4]. Urquiza, G.,Garcia, J.C., Gonzalez, J.G., Castro, L., Rodriguez, J.A., Basurto-
Pensado, M.A., Mendoza, O.F. Failure Analysis of a Hydraulic Kaplan Turbine Shaft,
Engineering Failure Analysis, 41, 108-117, 2014.
[5]. Rossman, L. EPANET-2 Users Manual, US Environmental Protection Agency,
Cincinnati, Ohio, 2000.
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
[6]. Bentley Systems, WaterGEMS V8i, GIS-Integrated Water Distribution Model, 2015.
Năng lượng nước dư thừa trong mạng lưới phân phối nước là
rất lớn, trong khi các giải pháp sử dụng thiết bị van hay công trình
giảm áp như hiện nay tuy đã đạt được mục tiêu giảm rò rỉ, giảm
nguy cơ vỡ ống, điều hòa tiêu thụ nhưng cũng đã lãng phí đi một
nguồn năng lượng nước dư thừa sẵn có ngay trong lòng đô thị.
07.2021
135
ISSN 2734-9888
3 trang
20/04/2022
2240
Bạn đang xem tài liệu "Thu hồi năng lượng dư thừa trong mạng lưới cấp nước tiềm năng và giải pháp ở các đô thị Việt Nam", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- thu_hoi_nang_luong_du_thua_trong_mang_luoi_cap_nuoc_tiem_nan.pdf
