Thiết kế và lắp đặt hệ thống trạm bơm

Hệ thống máy bơm

Nước đang được sử dụng trên toàn thế giới nhằm lưu chuyển nước, các loại lưu chất khác và được áp dụng chủ yếu trong lĩnh vực cung cấp nước phục vụ cho các trung tâm thương mại, toà nhà chung cư cao tầng, cho ứng dụng giải nhiệt điều hoà và sưởi ấm, cấp nước cứu hoả và ứng dụng khác.Theo thống kê thì hệ thống bơm nước công nghiệp sử dụng tới 25% số lượng động cơ điện, và tiêu thụ từ 20% đến 60% tổng điện năng tiêu thụ trong rất nhiều nghành công nghiệp, thiết bi cấp nước và xử lý nước thải.

Thật may mắn có các cơ hội kinh tế khả thi đang tồn tại giúp cho hệ thống bơm công nghiệp tăng hiệu suất sử dụng, giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ, giảm chi phí vận hành và bảo dưỡng, gia tăng lợi ích. 

Việc mua sắm và chi phí lắp đặt hệ thống máy bơm nước công nghiệp ban đầu thường chiếm tỷ phần nhỏ trong tổng số chi phí vận hành hệ thống trong suốt một vòng đời sản phẩm, máy bơm nước công nghiệp nếu được lắp đặt đúng tiêu chí nó có thể làm việc từ 15 đến 20 năm phụ thuộc vào từng ứng dụng. Thường thì chi phí vận hành bao gồm : chi phí tiêu thụ năng lượng, bảo dưỡng, các chi phí định kỳ là các cấu thành cơ bản trong tổng chi phí vòng đời của sản phẩm. Bởi vậy, tối ưu hoá trong thiết kế và vận hành hệ thống bơm là đáng quan tâm nhất trong các yếu tố.

HỆ THỐNG BƠM CĂN BẢN :

Hệ thống bơm thường được thiết kế để đáp ứng nhu cầu của một hệ thống khác, như là quy trình bơm chuyển tiếp, trao đổi nhiệt, phân phối nước. Bên cạnh việc giảm hiệu suất nhà máy nói chung, máy bơm hoạt động tồi là nguyên nhân làm giảm chất lượng sản phẩm, mất thời gian sản xuất, góp phần phá huỷ các thiết bị sản xuất, tăng chi phí bảo dưỡng.

Các nhà chế tạo máy bơm nước công nghiệp đã tạo ra tiến bộ đáng kể cho việc tăng hiệu xuất các thiết bị cơ khi trong các năm qua. Thật không may, một khi máy bơm công nghiệp được lắp đặt, thì hiệu xuất của máy bơm công nghiệp phần lớn phụ thuộc vào điều kiện vận hành của toàn bộ hệ thống. Yếu tố chính tác động đến vận hành bao gồm hiệu xuất máy bơm, các bộ phận trong hệ thống, thiết kế tổng thể, hệ điều khiển hiệu quả, động cơ hiệu xuất cao, bảo dưỡng định kỳ thích hợp. Để đạt được hiệu xuất theo thiết kế kỹ thuật, thì nhà chế tạo máy bơm phải làm việc chặt chẽ với người sử dụng để cân nhắc tất cả các yếu tố khi lựu chọn máy bơm nước công nghiệp. Trong tương lai việc lựa chọn chủng loại và kích cỡ máy bơm phải được cân nhắc trong tổng thể thiết kế hệ thống nói chung, không nên chỉ phụ thuộc vào hiệu suất của các thiết bị đơn lẻ.

TỰ ĐỘNG HOÁ VÀ CÁC NHU CẦU DỊCH VỤ:

Cách mạng thông tin được bắt đầu từ công nghiệp tự động hoá vào khoảng năm1975, với lợi thế của hệ thống điều khiển dùng bảng bán dẫn, ngày nay đã tác động rất lớn đến ngành công nghiệp chế tạo máy bơm nước. Hậu quả, tính cấp thiết của hệ máy bơm thông minh và điều khiển tín hiệu đường ống đã lôi kéo các nhà chế tạo bơm vào một lĩnh vực xa lạ là gia tăng động lực bằng phần mềm hơn là gia tăng bằng phần cứng. Trong cùng thời gian đó, các công ty tự động hoá lại có hạn chế hiểu biết kinh nghiệm trong ngành thuỷ lực. Mặt trái của công nghệ này dẫn đến ngành công nghiệp hợp tác, đó sẽ là yêu cầu tất yếu cho sự thay đổi thích ứng đối với cả nhà chế tạo máy bơm và công ty tự động hoá tiếp cận tới thị trường máy bơm nước công nghiệp. 

Nghành công nghiệp bền vững và tiên phong có xu hướng dẫn dắt bởi nhu cầu giảm chi phí và đạt lợi ích kinh tế. Theo đó, các khách hàng luôn tìm kiếm dịch vụ mới từ nhà cung cấp. Một số các hãng sản xuất đã gắn kết các dịnh vụ vào trong mỗi sản phẩm. Tuy nhiên, ngay cả khi có các đổi mới trong thiết kế, thật khó có thể đáp ứng toàn bộ yêu cầu trong một sản phẩm hoặc một hệ thống. Ngày càng nhiều các nhà cung cấp chào bán các gói sản phẩm tổng hợp, thông tin, tập huấn,các ứng dụng phụ trội, dịch vụ hoàn thiện tận nơi khách hàng yêu cầu. Tính tiên phong đã mở ra cho các nhà sản xuất bơm cung cấp các sản phẩm và dịch vụ mới, tiên tiến mà có thể hỗ trợ nhà máy tối ưu hoá công nghệ. Đây thực sự là tin tốt, và trong nhiều trường hợp, đó chính là rào cản đầu tiên cho việc thâm nhập thị trường.

Rào cản cho việc thực hiện: Bất chấp về tài chính và hiệu quả sử dụng, các nhà quản lý công nghiệp phải đối mặt với nhiều rào cản khi thực hiện một công nghệ mới. Trong số các rào cản chính là thiếu nhận thức giữa các thành viên nhà quản lý, quản lý nhà máy, nhà phân phối các công nghệ mới và chiến lược nâng cao khả năng vận hành của nhà máy. Khi hiểu rõ, vẫn tồn tại rủi ro là chậm đưa ra quyết định và triển khai thực hiện. Trình độ thấp của nhân viên bảo dưỡng vận hành,và kỹ sư sẽ là hạn chế cho việc đánh giá và đưa công nghệ mới vào ứng dụng. Cần cân nhắc thái độ miễn cưỡng, thường là thái độ của nhân viên nhà máy là : “ Nếu nó không hỏng, thì đừng động vào nó”.

Thực sự đang tồn tại các lợi ích xung đột nhau giữa nhà cung cấp với khách hàng sử dụng trong việc xúc tiến giải pháp công nghệ mới. Rất nhiều người sử dụng vẫn quyết định việc mua sắm dựa vào chi phí ban đầu hơn là cân nhắc việc phải chi đầu tư tăng thêm nhằm đạt được tiết kiệm dài hạn.

Nhằm đạt được nhiều lợi ích từ tối đa hoá hệ thống bơm, người sử dụng, nhà sản xuất và phân phối cũng như bên tư vấn phải ngồi làm việc với nhau để thay đổi cách làm việc. Đó là nhiệm vụ không dễ dàng, nhưng các khoản lời cho các cổ đông là lý do hoàn toàn thuyết phục để xúc tiến chương trình.

Tính kinh tế : Chi phí vòng đời sản phẩm (LCC)

Theo đuổi mục tiêu tối ưu hoá hệ thống thường là chưa đủ thuyết phục để nâng cấp hệ thống máy bơm nước hoặc bằng dự án thay mới. Rất may mắn, các dự án tối ưu hoá hệ thống bơm có thể được chứng minh qua việc giảm tổng chi phí đầu tư. Cơ hội nhận được sự chấp thuận cho dự án thực sự được tăng cao khi các dự án tiềm năng được chứng minh làm tăng lợi nhuận nhà máy và giảm chi phí sản xuất. Vì hệ thống máy bơm nước công nghiệp và cấp nước đô thị có tuổi thọ kéo dài khoảng 15 năm hoặc lâu hơn, nên cho phép cân nhắc tổng chi phí đầu tư cho từng dự án. Đánh giá tổng chi phí năng lượng tiêu thụ, bảo dưỡng và các yếu tố khác. Nghiên cứu chi phí vòng đời sản phẩm LCC là một trong các phương pháp chứng minh xác định so sánh tổng chi phí vòng đời dự án.
Các yếu tố cấu thành chi phí vòng đời sản phẩm bao gồm:

• Chi phí mua sắm thiết bị ban đầu.
• Lắp đặt và đưa vào vận hành.
• Chi phí điện năng tiêu thụ 
• Chi phí vận hành ( nhân công, giám sát )
• Duy tu bảo dưỡng định kỳ.
• Chi phí khấu hao.
• Chi phí môi trường.
• Chi phí dừng hệ thống và tháo dỡ.

Nghiên cứu chi phí vòng đời sản phẩm LCC yêu cầu phải đánh giá độc lập các hệt hống. Thường xuyên chi phí tiêu thụ năng lượng và chi phí bảo dưỡng chiếm phần lớn trong tổng chi phí vòng đời sản phẩm. Bởi vậy rất quan trọng là phải biết được chi phí điện năng và được ước tính theo giá điện và chi phí bảo dưỡng biến đổi theo hàng năm. Các yếu tố chi phí khác trong LCC được ước tính dựa vào dữ liệu ghi chép lại của thiết bị.

Có rất nhiều chi phí tăng thêm trong quá trình vận hành có thể xẩy ra trong đời sản phẩm. Bời vậy, nhà nghiên cứu cần phải thêm hoặc loại trừ các yếu tố cấu thành giá để đánh giá đúng giá trị đầu tư giữa các phương án khác nhau. Quy trình giảm thiểu chi phí là việc đánh đổi giữa các yếu tố chi phí, như là việc trả phí đầu tư mua sắm thiết bị và lắp đặt ban đầu cao thì giảm được chi phí bảo dưỡng và tiêu thụ năng lượng và khấu hao.

Dành thành công dự án được chấp thuận

Một nghiên cứu chỉ ra rằng lợi ích về tài chính của dự án tối ưu hoá hệ thống bơm có thể là chưa đủ để dự án đưa ra được chấp thuận. Nhằm giúp cho sự thành công, người phát triển dự án cần phải :
• Tìm kiếm sự ủng hộ từ thành viên chủ chốt của ban lãnh đạo trước khi thuyết phục các dự án.
• Thu nhận thông tin các nhân nhằm xác nhận các quan hệ cộng tác chiếm ưu thế.
• Bắt đầu từ những dự án đơn giản nhằm tăng cơ hội thành công.
- Tạo ra các bản báo cáo tóm tắt hoặc kiến nghị về các điểm lợi ích rất rõ ràng đem lại được sau thay đổi.
Một số lợi ích của hệ thống bơm tối ưu hoá không thể xác định bằng lợi ích giảm chi phí hoặc nghiên cứu chi phí vòng đời sản phẩm, nhưng dù sao cũng cần được cân nhắc và đánh giá. Các lợi ích đó có thể bao gồm :
1. Tăng năng xuất sản phẩm
2. Giảm chi phí sản xuất
3. Tăng chất lượng sản phẩm
4. Nâng cao khả năng tận dụng.
5. Nâng cao độ tin cậy.
6. Nâng cao an toàn lao động.
Các lợi ích phải lên được văn bản trong các cuộc trình bày hoặc kiến nghị cho lãnh đạo doanh nghiệp. Khi ban lãnh đạo không tự nguyện chấp thuận một dự án dựa vào các rủi ro nhận biết được hoặc thiếu tham khảo từ các công trình tương tự, thì có thể hữu ích bằng tham dẫn các tài liệu của các dự án thành công của các thiết bị khác. Chương trình kỹ nghệ công nghiệp nằm trong bộ năng lượng Mỹ (www.eere.energy.gov/industry) và Vấn đề cơ bản hệ thống bơm ( www.pumpsystemsmatter.org) cả hai đều có rất nhiều các trường hợp tham khảo cho rất nhiều hệ thống dự án hiểu quả trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và thiết bị.

Hệ thống bơm trong tương lai - Giải quyết các vấn đề :

Các công ty công nghiệp đang phải đối mặt với sự cạnh tranh khốc liệt dành thị phần trên thế giới. Điều này tạo áp lực mạnh đến giảm giá, trong khi giá nhân công, vốn, nguyên vật liệu lại leo thang trong cùng thời gian. Đối mặt với áp lực giảm lợi nhuận nhiều, trước mắt công ty phải tìm ra con đường mới để giảm chi phí vận hành. Trong nhiều trường hợp, thu nhập ròng thực tế chỉ có thể đạt được thông qua nâng cao hiệu quả sản xuất, do cải tạo lại hệ thống sẵn có hoặc áp dụng quy trình mới nhằm đạt được khả năng vận hành vượt bậc. Làm cho hệ thống bơm thông minh hơn và hoà nhập chúng với quá trình sản xuất và giá trị trong hệ thống sẽ trở thành điều tối quan trọng trong tương lai.

Hệ thống mới

Thiết kế và lựa chọn hệ thống mới cung cấp các cơ hội, cơ sở vật chất cho mua sắm hệ thống mới được tối ưu hoá chi phí vòng đời sản phẩm, bao gồm năng lượng tiêu thụ, bảo dưỡng và các chi phí khác. Các cơ hội thực tiễn nhằm tối ưu hoá vòng đời sản phẩm là tối ưu lựa chọn kích cỡ đường ống ( đường ống lớn hơn cót hể chuyển tải lưu chất với áp lực thấp hơn), sử dụng điều khiển biến tần, lựa chọn máy bơm công nghiệp và các phụ kiện cần thiết khác.

Việc lựa chọn chủng loại bơm và độ lớn, kích thước đường kính cánh, và tốc độ hoạt động tất cả sẽ tác động đến điểm hoạt động và xác định điểm hoạt động tối ưu. Đưa điểm hoạt động tối ưu BEP đến gần điểm vận hành của hệ thống máy bơm là một phần quan trọng trong thiết kế hệ thống máy bơm đạt hiệu quả cao.

Việc lựa chọn kích thước ống, vật liệu ống, các bộ phận ghép nối và các bộ phận khác ảnh hưởng đến tổn thất ma sát của hệ thống, đường đặc tính hệ thống và điểm hoạt động. Các vật liệu nên lựa chọn trên cơ sở cân nhắc chi phí vòng đời sản phẩm, đặc biệt với các bộ phận sẽ rất khó thay thế trong hệ thống máy bơm trong tương lai.

Một ghi nhớ quan trọng là hệ thống bơm sẽ biến đổi theo thời gian tác động đến điểm hoạt động. Như năm sử dụng, sự ăn mòn, sự cọ sát hoặc đóng cặn thường xảy ra trong đường ống, đang làm biến đổi kích thước đường ống. Cùng với chịu tải cơ khí và nhiệt độ sẽ là nguyên nhân phá hỏng ống theo thời gian. Các van và gioăng kín cũng bị ăn mòn, rách hỏng. Ăn mòn hay phá hỏng vành mòn, cánh bơm và các bộ phận của máy bơm sẽ tác động đến đường đặc tính. Điều này cũng ảnh hưởng xấu đến quy trình điều khiển lặp trong hệ thống bơm. Thêm vào đó, vận hành thay đổi theo thời gian của hệ thống sẽ ảnh hưởng tới hiệu xuất của hệ thống. Bởi vậy thông số hoạt động của máy bơm có thể thay đổi theo yêu cầu.

Các bước làm tăng hiệu quả hệ thống.

Hệ thống bơm đang sử dụng.

Quy trình xác định, nhận biết, loại bỏ hiệu quả các chi phí không cần thiết, trong khi giảm chi phí tiêu thụ năng lượng, tăng độ tin cậy, và giảm thiểu chi phí đầu tư vòng đời của hệ thống thường được hiểu là tối ưu hoá hệ thống. Chìa khoá để nâng cao hiệu xuất và tối ưu hoá hệ thống đang sử dụng được bắt đầu bằng việc tìm kiếm các triệu chứng đang tồn tại của hệ thống chưa hiệu quả cao.

Bảng : Các triệu chứng của hệ thống bơm không hiệu quả

1. Van chặn tiết lưu đang bị đóng nhiều
2. Đường hồi ngược đang mở nhiều
3. Quy trình xử lý mà 1 hoặc nhiều bơm chạy liên tục
4. Thường xuyên đóng / ngắt liên tục máy bơm trong quy trình cấp liên tục.
5. Hiện hữu tiếng ồn xâm thực ngay trong bơm hoặc đâu đó trong hệ thống.
6. Hệ thống bơm song song chạy toàn bộ số bơm đang có.
7. Một hệ thống bơm đang bị thay chức năng mà không được điều chỉnh.
8. Một hệ thống bơm không có các phương tiện đo áp xuất, lưu lượng, dòng điện

Việc lựa chọn bơm cho một ứng dụng cụ thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm lưu lượng, tổng cột áp, áp lực của hệ thống, độ hút sâu, loại lưu chất, nhiệt độ môi chất, trọng lượng riêng và môi trường lắp đặt.

Các cấu thành chính của hệ thống bơm điển hình cũng có ảnh hưởng lớn đến hiệuxuất của hệ thống. Việc lựu chọn hiệu quả và chính xác công xuất động cơ điệncũng có ý nghĩa sống còn, thêm vào đó là sử dụng động cơ biến tần trong nhữngđiều kiện đặc biệt. Chọn đúng kích thước đường hút, đường xả cũng rất quantrọng đến hiệu quả của hệ thống. Thêm vào đó, việc lựa chọn thích hợp và ứngdụng van là điều kiện tiên quyết , đặc biệt với van chặn tiết lưu và van xảngược.

Cùng với thiết lập bơm biến tần và nhiều bơm song song, dùng van chặn đường xả và van xả ngược là những phương pháp cơ bản giúp điều khiển lưu lượng của hệ thống. Phương án sử dụng hệ biến tần điều khiển tốc độ là tốt nhất cho hệ thống. Lắp đặt đường chảy ngược cho phép lưu chất chạy vòng ngược trong hệ thống, tuy nhiên gây tốn phí bởi năng lượng dùng cho lưu lượng chảy ngược bị bỏ đi. Van chặn hạn chế lưu lượng đi qua và tăng tiêu hao áp lực qua vị trí van.