1. Đặt vấn đề

Hệ thống bơm nước ở trong các nhà máy, khu công nghiệp, tòa nhà đa phần hoạt động liên tục 100% tải từ khi khởi động cho đến khi dừng hệ thống. Việc này gây ra rất nhiều hạn chế và lãng phí cho hệ thống như:

– Khi ở thời gian cao điểm: Lượng nước đầu ra cần sử dụng nhiều mặc dù chạy 100% tải nhưng vẫn không đủ nước cung cấp => Thiếu nước. Nếu muốn bổ sung thêm nước thì người vận hành đóng thêm bơm khác vào hệ thống nhưng các bơm này sẽ chạy 100% tải, việc này có rất nhiều hạn chế vì việc sử dụng như vậy sẽ khiến cho lượng nước đầu ra không cố định, thay đổi liên tục và gây ra lãng phí;

– Khi ở thời gian thấp điểm: Lượng nước đầu ra sử dụng ít nhưng bơm vẫn chạy 100% công suất => Gây lãng phí;

– Các bơm phải chạy liên tục => Giảm tổn thọ về mặt cơ khí.

Vì vậy yêu cầu đặt ra là cần điều khiển tự động ổn định lưu lượng nước và tiết kiệm năng lượng cho hệ thống cấp nước.

2. Tổng quan về hệ thống điều khiển lưu lượng bơm

Các trạm bơm nước phổ biến hiện nay đều được thiết kế theo phương pháp truyền thống với những đặc điểm chính sau:

– Trạm thường có tối thiểu 2 bơm trở lên, cùng cấp nước vào một đường ống chính;

– Các bơm được khởi động trực tiếp hoặc sao/tam giác và tất cả các động cơ đều hoạt động ở tốc độ định mức (50Hz, 1450 v/p);

– Trong quá trình trạm bơm hoạt động, thường luôn luôn để một bơm ở chế độ dừng (mang tính dự phòng);

– Việc điều chỉnh áp lực (hoặc lưu lượng) trên đường ống chính được thực hiện bằng 2 cách:

+ Thay đổi góc mở các van (van tay hoặc van điện) trong trường hợp sự thay đổi áp lực ở khoảng cho phép;

+Trường hợp áp lực vẫn thiếu hoặc thừa, ta có thể ngắt hoặc đóng thêm bơm (có thể là một bơm, hoặc nhiều hơn).

3. Nhược điểm của phương pháp thay đổi áp lực trên đường ống bằng valve hay tắt/mở bơm:

– Các bơm vẫn chạy đầy tải và liên tục, điều này gây lãng phí năng lượng điện vì có những thời điểm nhu cầu xử dụng nước giảm xuống thì bơm chỉ cần chạy 50% hay 60% công suất là đã đáp ứng được;

– Việc vận hành khó khăn và tốn chi phí nhân công vì phải cần công nhân vận hành trực tiếp để điều khiển góc mở valve hoặc tắt mở bơm;

– Các bơm phải chạy liên tục dẫn đến giảm tuổi thọ phần cơ khí;

– Khi thay đổi hệ thống hoặc nhu cầu sử dụng nước tăng lên, chi phí đầu tư sẽ tăng lên do phải tăng số lượng bơm, trong khi với biến tần, ta chỉ cần cài áp lực mong muốn trên biến tần là đáp ứng được, với điều kiện đường ống chịu được áp lực này;

– Khó kiểm soát áp lực nước làm ảnh hưởng tuổi thọ đường ống, ảnh hưởng tuổi thọ các mối nối.

Để giải quyết các vấn đề kể trên, đáp ứng được những yêu cầu về cấp nước với áp suất không đổi trong công nghiệp cũng như dân dụng thì có thể sử dụng phương pháp điều khiển bằng biến tần. Các biến tần chuyên dụng ngay nay đã tích hợp sẵn các bài toán điều khiển, người sử dụng chỉ việc nhập thông số kỹ thuật của hệ thống.

4. Điều khiển áp lực đường ống thông qua biến tần

4.1. Ưu điểm khi điều khiển bằng biến tần

– Hạn chế được dòng khởi động cơ;

– Tiết kiệm năng lượng;

– Điều khiển linh hoạt các máy bơm;

– Dải công suất rộng;

– Tự động ngừng khi đạt tới các điểm đặt;

– Tự động tăng tốc, giảm tốc tránh quá tải hoặc quá điện áp khi khởi động;

– Bảo vệ được động cơ khi: ngắn mạch, mất pha, lệch pha, quá tải, quá dòng, quá nhiệt,…

– Dễ dàng lắp đặt, vận hành;

– Hiển thị thông số, thuận tiện theo dõi.

4.2. Các phương pháp điều khiển bơm phổ biến

4.2.1. Chế độ điều khiển độc lập

Hình 1: Chế độ điều khiển độc lập

Nguyên lý hoạt động:

Biến tần sẽ điều khiển bơm tùy theo nhu cầu sử dụng nước đầu ra. Với việc hỗ trợ chức năng điều khiển PID, biến tần sẽ nhận tín hiệu analog (dòng hoặc áp) từ cảm biến áp suất (được gắn trên đường ống chính) đưa về, biến tần sẽ tự động thay đổi tần số, từ đó thay đổi tốc độ bơm, vì thế việc khống chế áp lực trên đường ống trở nên dễ dàng hơn.

Ưu và nhược điểm:

– Ưu điểm:

+ Giá thành đầu tư thấp.

– Nhược điểm:

+ Khi biến tần hỏng thì không có phương án điều khiển dự phòng;

+ Nếu lượng nước đầu ra cần sử dụng nhiều hơn so với khi động cơ chạy 100% tải => không đủ nước cung cấp.

4.2.2. Chế độ tăng cường/ sa thải

Hình 1: Chế độ tăng cường/ sa thải

Nguyên lý hoạt động:

– Biến tần sẽ điều khiển bơm 1 tùy theo nhu cầu sử dụng nước đầu ra. Với việc hỗ trợ chức năng điều khiển PID, biến tần sẽ nhận tín hiệu analog (dòng hoặc áp) từ cảm biến áp suất (được gắn trên đường ống chính) đưa về, biến tần sẽ tự động thay đổi tần số, từ đó thay đổi tốc độ bơm, vì thế việc khống chế áp lực trên đường ống trở nên dễ dàng hơn;

– Khi nhu cầu sử dụng nước cao, cần áp lực trên đường ống cao thì biến tần sẽ tự động điều khiển động cơ quay ở tốc độ cao nhất để duy trì áp lực, ngược lại khi nhu cầu sử dụng nước thấp, cần áp lực thấp, biến tần sẽ điều khiển động cơ giảm tốc độ xuống hoặc dừng hẳn, khi đó năng lượng điện được tiết kiệm;

– Nếu bơm 1 đã hoạt động 100% công suất mà vẫn không đáp ứng được nhu cầu phụ tải sử dụng, biến tần tự động gọi lần lượt các bơm khác chạy điện lưới trực tiếp vào hệ thống cho tới khi đáp ứng nhu cầu đầu ra. Nếu lượng nước đầu ra đã ổn định, biến tần sẽ tự động nhả lần lượt các bơm khỏi hệ thống sao cho chỉ đáp ứng vừa đủ nhu cầu đầu ra. Nếu nhả hết các bơm mà hệ thống vẫn dư áp thì biến tần sẽ tự động giảm tốc độ bơm chính xuống mức thấp hơn và duy trì ở 1 tần số nhất định đã đặt trước. Khi nhu cầu nước đầu ra tăng hệ thống lại hoạt động trở lại và tự động gọi thêm bơm khi cần thiết.

Ưu và nhược điểm:

– Ưu điểm:

+ Giá thành đầu tư thấp.

+ Các bơm không nhất thiết cùng công suất, cùng hãng.

– Nhược điểm:

+ Bơm chính luôn chạy, chỉ luân phiên các bơm phụ => Không luân phiên tất cả các bơm để đảm bảo cân bằng thời gian vận hành;

+ Do các bơm phụ dùng trực tiếp điện lưới (khởi động trực tiếp, khởi động mềm, ..), khi hoạt động sẽ chỉ hoạt động ở một mức cố định => Không tiết kiệm điện được nhiều. Áp suất đầu ra có thể dư so với nhu cầu mong muốn.

+ Khi biến tần hỏng thì không có phương án điều khiển dự phòng.

4.2.3. Chế độ điều khiển đa bơm

Hình 2: Chế độ điều khiển đa bơm

Nguyên lý hoạt động:

Mỗi một máy bơm được nối với một bộ biến tần trong đó có một biến tần là MASTER, các biến tần khác là SLAVE. Với việc hỗ trợ chức năng điều khiển PID, biến tần đóng vai trò MASTER sẽ nhận tín hiệu analog (dòng hoặc áp) từ cảm biến áp suất (được gắn trên đường ống chính) đưa về, từ đó tác động đến các biến tần SLAVE để thay đổi tần số, từ đó thay đổi tốc độ bơm, vì thế việc khống chế áp lực trên đường ống trở nên dễ dàng hơn.

Ưu và nhược điểm:

– Ưu điểm:

+ Bình đẳng về vai trò hoạt động của các bơm. Chọn bơm nào làm MASTER cũng được, các bơm phụ không phải chạy 100% công suất như phương án trên => Luân phiên được thời gian hoạt động đều cho các bơm. Tiết kiệm điện năng nhiều hơn;

+ Các bơm không nhất thiết phải cùng công suất, hãng;

+ Khi 1 trong các biến tần bị lỗi thì có phương án dự phòng để điều khiển các bơm còn lại;

+ Đảm bảo giá trị đầu ra mong muốn dựa về tín hiệu phản hồi được đưa đến tất cả các biến tần.

– Nhược điểm:

+ Chi phí đầu tư cao.