Xác định các đặc trưng và đề xuất giải pháp chống nước va trong hệ thống cấp nước bằng phần mềm Hammer V8
BÀI BÁO KHOA HỌC
XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CHỐNG NƯỚC
VA TRONG HỆ THỐNG CẤP NƯỚC BẰNG PHẦN MỀM HAMMER V8
Trần Đăng An(1), Đoàn Thu Hà(2), Nguyễn Thị Thu Trang(2)
Tóm tắt: Nước va là một hiện tượng thường gặp rất nhiều trong các hệ thống cấp nước, hệ thống
máy bơm, đường ống áp lực... Nếu không xác định được các đặc tính của nước va và không có các
biện pháp chống va hợp lý, nước va sẽ gây phá hoại các công trình cấp nước. Do vậy, việc nghiên
cứu để xác định các đặc tính của nước va bao gồm (diễn biến, thời gian, vị trí và các trị số của
nước va) từ đó đề xuất các biện pháp chống va là hết sức cần thiết. Nghiên cứu này trình bày kết
quả nghiên cứu đặc tính và các giải pháp phòng chống nước va trong hệ thống cấp nước đô thị
bằng phần mềm Hammer V8 của hãng Bently, Mỹ.
Từ khóa: Nước va, hệ thống cấp nước, hệ thống máy bơm, đường ống áp lực.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ1
(Hammer User Guide, 2003) vào việc mô phỏng
Nước va trong đường ống áp lực làm việc các trường hợp xuất hiện nước va trong đường
dưới chế độ không ổn định xuất hiện nhiều ống áp lực của mạng lưới cấp nước, từ đó đề
trong thực tế, ví dụ dòng chảy trong ống dẫn xuất các giải pháp để tránh hiện tượng nước va.
dầu, trong ống hút ống đẩy máy bơm, trong
đường ống cấp nước...; đặc biệt nước va xuất
hiện trong ống áp lực của hệ thống cấp nước,
nhà máy thủy điện có ảnh hưởng lớn đến độ
bền, sự vận hành độ an toàn, và tính kinh tế của
hệ thống cấp nước cũng như các nhà máy thủy
điện. Do vậy, tính toán chính xác giá trị nước
va, vị trí và diễn biến nước va theo thời gian là
yêu cầu hết sức quan trọng quá trình thiết kế hệ
thống, nhằm đưa ra các biện pháp chống va
hiệu quả.
2. CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN
NƯỚC VA
Khi vận tốc trong ống biến đổi nhanh theo
thời gian, áp lực sẽ biến đổi và truyền dọc theo
ống với tốc độ âm thanh trong nước. Làn sóng
áp lực này khi truyền dọc trong nước sẽ gặp các
công trình và thiết bị trên mạng lưới như các
van, bể chứa... và dội lại tạo nên một trạng thái
phức tạp về lưu lượng và áp lực trong đường
ống gọi là hiện tượng nước va.
2.1. Phương trình nước va
Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ
của công nghệ thông tin và toán ứng dụng, việc
xác định các đặc tính nước va (diễn biến, thời
gian, vị trí và các trị số của nước va) được hỗ
trợ bởi máy tính cho ta những kết quả trực quan
và chính xác. Bài báo này sẽ đi sâu vào nghiên
cứu ứng dụng phần mềm tính toán và phân tích
nước va Hammer V8 của hãng Bently, Mỹ
Xét một đoạn ống như hình 1 giả thiết ống
nằm ngang. Hướng dòng chảy theo trục x. Vấn
đề là phải xác định được vận tốc nước v và áp
lực P ở bất kì một vị trí nào trên tuyến ống và ở
thời điểm bất cứ nào. Có nghĩa là phải xác định
được 2 hệ thức: v =v(x,t); P = P(x,t). Hai hệ
thức này phải thỏa mãn 2 phương trình cơ bản
của thủy động lực học là:
Phương trình cơ bản của động lực:
1
Bộ môn Kỹ thuật Tài nguyên nước và Môi trường, Đại
v
t
h
x
g
(1)
học Thủy Lợi – Cơ sở 2.
2 Bộ môn Cấp thoát nước - Đại học Thủy Lợi.
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 53 (6/2016)
87
2.2. Các trường hợp gây ra áp lực nước va
trong đường ống áp lực
Hiện tượng nước va xảy ra chủ yếu do bơm và
do đóng mở các thiết bị quản lý vận hành trên
đường ống áp lực. Trong hai nguyên nhân cơ bản
trên thì nước va xuất hiện trên một đường ống áp
lực có bơm do: Mất điện cấp cho động cơ, bơm
khởi động, bơm ngừng, đóng mở van trên đường
ống khi bơm đang hoạt động. Khi xem xét hiện
tượng nước va chúng ta cần xem xét các yếu tố
ảnh hưởng đến nước va bao gồm:
Hình 1. Sơ đồ diễn toán phương trình động lực
dòng chảy trong ống có áp
Phương trình liên tục:
v
x
g h
a2 t
(2)
o Chiều dài và đặc điểm hình học của tuyến
ống;
o Mối tương quan giữa đường trắc dọc
tuyến ống so với đường thủy lực;
o Các đặc điểm của bơm;
Các loại thiết bị đặt trên hệ thống bơm và
tuyến ống.
Hình 2. Sơ đồ diễn toán phương liên tục
của dòng chảy trong ống có áp
Kết hợp 1 và 2 ta có hệ phương trình:
v
t
h
x
g
v
x
g h
a2 t
( I)
Muốn giải hệ phương trình này ta khử một
trong 2 ẩn số và lấy vi phân bậc 1 của 2 phương
trình trong hệ (I). Kết quả giải hệ phương trình
(I) như sau:
g
x
x
v vo ( f (t ) F (t
)
a
a
a
x
x
h ho f (t ) F (t
)
a
a
Hình 4. Quá trình tạo hốc và tách cột nước
theo thời gian.
Trong đó: ho, vo là áp lực và vận tốc vào thời
điểm t = 0 (trước khi đóng van).
F và f là hàm phụ thuộc vào cách đóng van.
2.3. Hiện tượng tách cột nước trong quá
trình xảy ra nước va
Cho đến nay, người ta cho rằng ở hiện tượng
nước va áp lực khi tụt xuống vẫn còn cao hơn
áp lực hơi nước và cột nước được bảo toàn.
Trên thực tế không phải luôn luôn như vậy. Ở
các hệ thống áp lực thấp, trên đường ống áp lực
đi qua vùng địa hình thay đổi lớn và khi quá
trình va xảy ra quá nhanh, áp lực có thể tụt
xuống áp lực hơi nước. Kết quả là trong khối
Hình 3. Sơ đồ mô phỏng các thông số tính toán
nước va
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 53 (6/2016)
88
nước có hốc và cột nước có thể tách ra (mất liên trọng của nước va (trị số, vị trí diễn biến theo
tục) điều này ảnh hưởng rất lớn đến sự an toàn thời gian của nước va) từ đó xác định các vị trí
của đường ống. Hiện tượng này làm cho va bất lợi trên đường ống giúp người thiết kế
thêm trầm trọng. Tách cột nước là sự mất liên đường ống áp lực đưa ra các biện pháp hạn chế
tục của cột nước khi áp lực trong ống xuống và triệt tiêu các ảnh hưởng của nước va đối với
thấp tới áp lực hơi nước. Hiện tượng tách cột sự làm việc của hệ thống.
nước xảy ra trong hai giai đoạn: Giai đoạn tạo
hốc và giai đoạn tách cột nước
3.2. Phân tích nước va trên mạng lưới cấp
nước điển hình
Giai đoạn tạo hốc: Ở giai đoạn này sự tạo
hốc và sự phát hốc là do áp lực trong đường ống
tụt xuống áp lực hơi nước. Nước bốc hơi hoặc
sôi tạo thành bọt khí, các bọt này kết lại thành
hốc nước như hình 4.
Mạng lưới cấp nước điển hình cho khu vực
nghiên cứu có cấu tạo gồm 37 nút và 50 đoạn
ống tính toán, có hệ thống bơm, 2 bể chứa tại vị
trí Res1 và Res2 và thiết bị chống va như hình 5
dưới đây.
Giai đoạn tách cột nước: Tùy theo đặc điểm
hình học của tuyến ống, hốc có thể phát triển và
chiếm toàn bộ tiết diện ống, tách nước thành 2
cột. Một số tài liệu khảo sát thực tế cho thấy bọt
khí lan ra hai bên hốc khá xa. Tách cột nước
thường xảy ra trên đỉnh của các tuyến ống ở đây
có cút chuyển hướng dòng chảy. Trên các tuyến
nằm ngang hốc có thể được tạo ở lưng trên của
ống và phát triển trên một đoạn dài. Bọt khí tỏa
ra 2 bên hốc rất xa tạo thành dòng chảy hốc.
Tách cột nước và dòng chảy hốc là do áp suất
thấp trong đường ống áp suất này do sóng âm
gây ra. Sóng âm phản chiếu tại một biên hở ví
dụ bể chứa thành sóng dương. Sóng dương trở
về nén các bọt khí trong dòng chảy hốc, ở nơi
có tách cột nước thì sóng dương làm giảm kích
thước hốc và làm hốc khép lại; lúc đó hai cột
nước gặp nhau ở vận tốc rất lớn tạo nên lực va
chạm lớn trong đường ống. Gây phá hoại đường
ống và các thiết bị.
Để phân tích các đặc tính nước va ta cần đưa
ra các tiêu chuẩn phân tích như sau:
- Chọn tuyến phân tích dựa trên các điều kiện
về đặc điểm dùng nước, trắc dọc tuyến ống cấp
nước có các điểm cao;
- Lựa chọn trường hợp cần tính toán nước va;
Trên cơ sở đó, đối với mạng lưới cấp nước
nghiên cứu ta chọn các tuyến có khả năng xảy
ra hiện tượng nước va khi mất điện đột ngột là
các tuyến:
- Tuyến 1: TB1 – Bể chứa 2 ;
- Tuyến 2: TB1 – Nút 37;
- Tuyến 3: TB1 – Nút 34.
Khi mất điện đột ngột hiện tượng nước va
xảy ra trên 3 tuyến như hình 6. Trên tuyến TB1-
Bể chứa 2 nước va gây ra áp lực âm trên toàn
tuyến và xuất hiện hiện các hốc. Dựa vào kết
quả phân tích trên ta thấy các đặc tính nước va
trên tuyến TB1- Bể chứa 2 như sau:
-
Vhốc = Qvào - Qra = 0.3 m3
3. ỨNG DỤNG PHẦN MỀM HAMMER
V8 TRONG TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG
NƯỚC VA
-
Áp lực nước va Max Pv =192.03m, tại điểm
cách TB1 là L = 640.08 m
-
Thời gian xảy ra va lớn nhất là 45s sau khi
3.1. Giới thiệu về phần mềm Hammer
mất điện.
Phần mềm Hammer V8 là sản phẩm của
hãng Bently, Mỹ (Hammer User Guide, 2003).
Phần mềm này cho phép tính toán các kịch bản
cấp nước khác nhau, đồng thời mô phỏng, tính
toán các kịch bản xuất hiện nước va trong
đường ống áp lực. Xác định các đặc tính quan
Trên tuyến TB1- Nút 37 nước va gây ra áp
lực âm từ TB1 tới van giảm áp V1 và xuất hiện
các hốc nước như hình 7 và hình 8. Hiện tượng
này sẽ gây ra phá hoại tuyến ống và các công
trình trên mạng lưới cấp nước.
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 53 (6/2016)
89
Hình 5. Hệ thống cấp nước khu vực nghiên cứu
Hình 6. Hiện tượng nước va trên tuyến
TB1- Bể chứa 2
Hình 8. Hiện tượng nước va trên tuyến
TB1- Nút 34
3.3. Biện pháp chống va trên mạng lưới
cấp nước
Sau khi đã xác định được các đặc tính của
nước va ở các tuyến dẫn bất lợi có khả năng
xuất hiện nước va lớn nhất thệ thống cấp
nước, tiến hành đề xuất biện pháp để chống va
trên các tuyến này. Có nhiều biện pháp để
chống áp lực va như sử dụng van khí (van thu
xả khí), sử dụng bể chống va có mặt thoáng,
bể xả một chiều, van giảm áp, van một chiều
đóng nhanh.
Hình 7. Hiện tượng nước va trên tuyến
TB1- Nút 37
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 53 (6/2016)
90
Tuy nhiên, các biện pháp này không thể triệt
tiêu áp lực va âm và áp va dương hoàn toàn trên
hệ thống cấp nước, chỉ giảm được một phần
hoặc không thể chống được hiện tượng tách cột
nước. Trong khi đó, sử dụng bình điều áp chứa
khí và nước có thể giải quyết được yêu cầu triệt
tiêu áp va âm do mất điện đột ngột và đóng mở
van nhanh trên hệ thống cấp nước, ngoài ra có
thể khắc phục được hiện tượng tách cột nước
(TCN) và có biên độ chống chịu áp lực va lớn
và khả năng làm việc có độ tin cậy cao. Do vậy,
trong nghiên cứu này sẽ sử dụng bình điều áp
chứa nước và khí đặt tại trạm bơm J1 và tại
điểm cao ở nút J19 là điểm có hiện tượng tách
cột nước (xem hình 5).
Hình 10. Kết quả phân tích nước va trên tuyến
TB1- Nút 37
Sau khi lắp đặt thiết bị chống va tại nút J1và
J19 kết quả kiểm tra nước va trên các tuyến đã
lắp đặt thiết bị chống va như hình 9, 10 và hình
11 dưới đây.
Kết quả cho thấy rằng, theo tuyến TB 1- Bể
chứa 2 áp lực va lớn nhất giảm mạnh từ 154.7
mH20 tại vị trí xảy ra áp va về tới trạm bơm trị
số áp va tương ứng với giá trị Max, Min chỉ còn
dưới 100 mH20 và 53.5 mH20. Tương tự như
vậy, trên các tuyến ống từ TB1 về tới nút 37 và
TB1 về nút 34 không còn hiện tượng tăng áp đột
ngột, áp lực tại các vị trí này dao động khoảng
25 – 35 mH20 và các hốc nước bị triệt tiêu do
vậy đảm bảo yêu cầu an toàn áp lực trên hệ
thống không gây phá hoại công trình.
Hình 11. Kết quả phân tích nước va trên tuyến
TB1- Nút 34
Nhận xét: Khi sử dụng các biện pháp chống
va trong đó có biện pháp lắp đặt bình điều áp
trên các tuyến dẫn nước trong mạng lưới cấp
nước áp lực trong các tuyến này được kiểm soát
không vượt qua các giá trị áp lực giới hạn gây
nguy hiểm cho đường ống trong mạng lưới.
4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Qua phân tích các kết quả tính toán ở trên,
chúng ta thấy: sử dụng phần mềm Water
Hammer V8 có thể xác định được diễn biến theo
thời gian của các thông số đặc trưng của nước
va bao gồm vị trí các tuyến có khả năng xuất
hiện nước va nguy hiểm nhất trong mạng lưới,
thời gian xảy ra va, diễn biến áp lực, lưu
lượng... từ đó đề xuất các phương án chống va
hợp lý. Trong thiết kế hệ thống cấp nước, hệ
thống đường ống áp lực dẫn nước trong các nhà
máy thủy điện và các hệ thống có tính chất
Hình 9. Kết quả phân tích nước va theo tuyến
TB 1- Bể chứa 2
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 53 (6/2016)
91
tương tự ngoài việc sử dụng các phương pháp phân tích, kiểm tra các kết quả tính toán một
giải tích và đồ thị để mô tả hiện tượng nước va cách chính xác đảm bảo sự hoạt động an toàn
ta có thể sử dụng phần mềm Hammer V8 để cho hệ thống dẫn áp lực.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Trịnh Xuân Lai (2009), Mạng lưới cấp nước và tính toán nước va, NXB Xây dựng.
Hammer User Guide (2003), Haestad Methods, Inc;.
Abstract:
CHARACTERRIZATION OF WATER HAMMER IN WATER SUPPLY SYSTEMS
The water hammer is a common phenomenon in many water supply systems, pumping systems, pipe
pressure... If it is not identified, and the characteristics of the water and there are no reasonable
measures and water hammer will cause works damaged. Therefore the study to determine the
characteristics of water hammer includes (events, time, location and values of water hammer) from
that proposed measures to combat and is indispensable.
Keywords: Water Hammer, Water supply system, Pumping system, pipe pressure.
BBT nhận bài: 11/3/2016
Phản biện xong: 08/6/2016
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 53 (6/2016)
92
6 trang
22/04/2022
840
Bạn đang xem tài liệu "Xác định các đặc trưng và đề xuất giải pháp chống nước va trong hệ thống cấp nước bằng phần mềm Hammer V8", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- xac_dinh_cac_dac_trung_va_de_xuat_giai_phap_chong_nuoc_va_tr.pdf
