Kiểm Soát Dòng Chảy Nước – Cách Hoạt Động

Van điều khiển lưu lượng là gì?

Van điều khiển lưu lượng được thiết kế để duy trì lưu lượng tối đa đã được cài đặt trước một cách ổn định, bất kể nhu cầu thay đổi hay áp suất hệ thống biến động. Việc giới hạn lưu lượng là cần thiết tại các đầu ra từ hệ thống chính đến các đối tượng tiêu thụ như hệ thống phụ (tuyến chính đến tuyến trụ cứu hỏa; tuyến trụ cứu hỏa đến tuyến phân phối), bể chứa, v.v… nhằm bảo vệ hệ thống cấp nguồn khỏi tình trạng tiêu thụ vượt mức. Mức tiêu thụ được xác định bởi nhu cầu sử dụng ở phía hạ lưu của van điều khiển lưu lượng — dựa trên số lượng đầu tưới trong khu vực và dữ liệu lưu lượng của chúng, số lượng người dùng tưới cùng lúc, các thành phần bên ngoài như bể chứa và hệ thống dự phòng.

Lưu lượng hệ thống theo thời gian với van giới hạn lưu lượng và không có (đường nét đứt)

Không thể kiểm soát người dùng, các nhà thiết kế đang sử dụng van điều tiết lưu lượng để đảm bảo lưu lượng không vượt quá nhiều so với lưu lượng thiết kế. Bằng cách giới hạn lưu lượng, chúng ta bảo vệ hệ thống cấp nguồn khỏi nhu cầu vượt mức, ưu tiên hệ thống hơn người dùng khi họ cố gắng sử dụng vượt quá các thông số kỹ thuật của hệ thống.

<>

Giới thiệu

Hiện đại hóa hệ thống tưới tiêu nhằm mục đích tiết kiệm nước và năng lượng bằng cách cải thiện cơ sở hạ tầng tưới tiêu — nâng cấp từ tưới ngập sang hệ thống tưới áp lực và qua đó, nâng cao hiệu quả tưới tiêu cũng như tối ưu hóa việc sử dụng các nguồn nước hiện có. Thiết kế thủy lực của hệ thống tưới áp lực dựa trên hai thông số chính: lưu lượng và áp suất. Dựa trên các thông số này, toàn bộ thiết kế hệ thống được xác lập: lựa chọn máy bơm, xác định loại và kích thước hệ thống lọc, vật liệu và đường kính của các tuyến ống chính và phân phối, cùng với số lượng, kích thước và vị trí các bể chứa cần thiết.

Sử dụng lưu lượng nhỏ hơn trong thời gian dài hơn biến “phương án vận hành tưới” (ca tưới) thành công cụ thiết kế chính để giảm năng lượng cần thiết và đường kính ống & các thành phần của hệ thống. Việc tưới sau đó được chia thành các ca, giúp tiết kiệm năng lượng và chi phí đầu tư ban đầu. Thiết kế chi tiết này dựa trên thực tế rằng lưu lượng trong đường ống chính và lưu lượng cần thiết cho mỗi ca tưới đều đã được xác định.

Vì vậy, nếu chúng ta không giới hạn lưu lượng trong các hệ thống có nhiều người sử dụng, việc tiêu thụ không kiểm soát sẽ dẫn đến sự sụt giảm áp suất đáng kể trong toàn bộ hệ thống. Điều này có thể gây ra hiện tượng xâm thực ở bơm và các bộ phận, quá tải tiêu thụ điện năng, sinh khí, hút bụi bẩn, v.v. Sự sai lệch đáng kể trên 10-15% so với các thông số thiết kế đã biết về lưu lượng và áp suất sẽ khiến hệ thống tưới hoạt động rất kém. Điều này có thể tránh được bằng cách lắp đặt các van giới hạn lưu lượng.

Nhu cầu thực tế tại hiện trường cao hơn so với lưu lượng thiết kế có thể xảy ra do:

• Đổ đầy ống
• Thay đổi ca tưới tiêu
• Bùng nổ
• Rửa ngược bộ lọc
• Đổ đầy hồ chứa

Ứng dụng kiểm soát dòng chảy trong hệ thống tưới tiêu

1. Bảo vệ bơm & hệ thống

a) Giới hạn lưu lượng tại đầu ra đến khu đất nhằm bảo vệ bơm khỏi tình trạng quá tải, quá công suất & hiện tượng xâm thực, đồng thời duy trì lưu lượng thiết kế.
b) Giới hạn lưu lượng trên đường ống chính để bảo vệ bơm & hệ thống khỏi quá tải và xâm thực, duy trì đường cong bơm ổn định như thể hiện trong biểu đồ dưới đây. Khi nhu cầu vượt quá thiết kế một cách đáng kể:

• Áp suất cung cấp tại hiện trường đã giảm 
• Cánh bơm quay với tốc độ rất cao dẫn đến hiện tượng xâm thực và tải trọng trục theo phương thẳng đứng.
• Mức tiêu thụ điện vượt quá các thông số thiết kế, dẫn đến dòng điện sử dụng cao hơn có thể gây ra sự cố cho bơm do quá tải mạng điện.

2. Dòng trống “làm đầy” điều khiển 

Kiểm soát dòng chảy cho các hệ thống được xả hết nước giữa các ca tưới như:

• Máy tưới tiêu và hệ thống tưới trục giữa
• Hệ thống phun nước tưới dốc
• Hệ thống nhỏ giọt không bù áp suất thấp
• Hệ thống tưới theo nhịp  

Video sau đây minh họa quá trình bơm đầy của máy tưới tiêu (trục quay trung tâm):

3. Kiểm soát lưu lượng trong quá trình rửa ngược bộ lọc

Kiểm soát dòng chảy nhằm ngăn ngừa hiện tượng “tràn” vật liệu lọc khỏi bộ lọc, lưới lọc và nguy cơ sụp đổ phần tử lọc, đồng thời tiết kiệm nước và năng lượng.

Video sau đây trình bày các loại van điều khiển khác nhau cần thiết trong một hệ thống lọc, trong đó có van điều khiển lưu lượng:

4. Bơm đầy và kiểm soát mực nước hồ chứa

Van điều khiển mực nước điều chỉnh khi mực nước trong bể chứa giảm xuống. Khi điều này xảy ra đồng thời với việc hệ thống đang vận hành/tưới tiêu, nó có thể gây ra hiện tượng giảm áp cho tất cả các người dùng khác. Do đó, bằng cách giới hạn lưu lượng nạp vào bể chứa, chúng ta bảo vệ hệ thống khỏi tình trạng giảm áp này. Ngoài ra, việc sử dụng van điều khiển lưu lượng & mực nước có thể bảo vệ cả van & bể chứa khỏi các điều kiện lưu lượng nạp cao & hiện tượng xâm thực.

Hệ thống với van điều khiển lưu lượng – Nguyên lý

1. Van điều khiển lưu lượng phản ứng với sự gia tăng các thông số mà chúng kiểm soát bằng cách đóng lại.
2. Đây là một quá trình “tiến triển” = nhu cầu tăng lên dẫn đến van giảm lưu lượng một cách dần dần.
3. Van càng đóng nhiều thì áp suất phía hạ lưu càng giảm.
4. Khi nhu cầu thấp hơn các thông số thiết kế, van sẽ mở hoàn toàn.

Nếu lưu lượng cài đặt của van bằng với lưu lượng danh định thiết kế, van sẽ liên tục ở chế độ tiết lưu, tạo ra tổn thất áp suất lớn hơn (áp suất phía hạ lưu tại hiện trường thấp hơn) và điều kiện vận hành khắt khe hơn, làm tăng nguy cơ hư hỏng van do hiện tượng xâm thực.

Một số lý do nên hiệu chuẩn cao hơn 10-15% so với lưu lượng thiết kế:

Bermad khuyến nghị mạnh mẽ việc hiệu chuẩn van điều khiển lưu lượng lên mức cao hơn 10-15% so với lưu lượng thiết kế danh định của khu vực vì các lý do sau:

1. Nếu lưu lượng cài đặt của van bằng với lưu lượng danh định thiết kế, van sẽ liên tục ở chế độ tiết lưu, các thiết bị sử dụng sẽ gặp phải áp suất vận hành thấp và van sẽ liên tục hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt.
2. Khả năng tất cả người dùng hệ thống tưới áp lực sẽ tưới cùng một lúc là rất thấp về mặt thống kê, do đó nguy cơ nhu cầu vượt mức trong hệ thống, ngay cả khi cài đặt cao hơn 15% so với mức danh định, là rất khó xảy ra.
3. Các yếu tố thiết kế tập trung vào việc tính toán năng lượng và ưu tiên sử dụng các van có tổn thất áp suất tối thiểu. Việc buộc các van liên tục hoạt động ở chế độ điều chỉnh sẽ làm gián đoạn và đi ngược lại xu hướng này.
4. Nếu chúng ta đặt ở lưu lượng danh định, lưu lượng sẽ không tăng ngay cả khi có sự cố vỡ trong hệ thống, khiến bộ điều khiển hệ thống không thể phát hiện và cảnh báo khi xảy ra sự cố vỡ.

Van điều khiển lưu lượng – Các cảm biến lưu lượng & phương pháp điều khiển phổ biến

1. Lỗ đo phía thượng lưu làm cảm biến lưu lượng

Gắn vào phía thượng lưu của van, tấm orifice được gia công có kích thước để tạo ra áp suất chênh lệch đã biết cho một lưu lượng nhất định.

2. Ống đo chênh áp (bên trong “TubeOrifice”) làm cảm biến lưu lượng

Ống đo chênh áp bên trong thực chất là một thiết bị nội bộ, được lắp đặt bên trong van, được thiết kế để cảm nhận một áp suất chênh lệch đã biết cho một lưu lượng nhất định. Những lợi ích của TubeOrifice so với lỗ orifice tiêu chuẩn là:

3. Lỗ thoát phía hạ lưu làm cảm biến lưu lượng (cho các ứng dụng bơm đầy bể chứa)

Vị trí đặt tại van phía hạ lưu, chênh lệch áp suất qua lỗ orifice có thể được xác định chỉ bằng cách kiểm soát áp suất đầu vào của orifice, vì áp suất phía hạ lưu của orifice luôn không đổi bằng với mực nước trong bể chứa. Van giới hạn lưu lượng nạp vào bể chứa bằng cách đơn giản giảm áp suất phía thượng lưu của orifice (giữa orifice và van), nhờ đó ưu tiên cấp nước cho người dùng hơn là nạp vào bể chứa, đồng thời kiểm soát mực nước và bảo vệ van khỏi hiện tượng xâm thực.

4. Cảm biến lưu lượng kiểu cánh gạt

• Nếu nhu cầu tăng, tốc độ dòng chảy tăng — đẩy cánh quạt để bộ điều khiển phi công điều chỉnh van đóng lại và giới hạn lưu lượng về mức cài đặt của phi công. Nếu nhu cầu giảm, tốc độ dòng chảy giảm, lò xo của bộ điều khiển phi công sẽ đẩy cánh quạt trở lại vị trí thẳng đứng và bộ điều khiển phi công điều chỉnh van mở hoàn toàn.
• Phương pháp này có tổn thất áp suất rất thấp (so với các cảm biến chênh lệch áp suất) và có dải điều chỉnh rất rộng, dễ dàng điều chỉnh tại hiện trường.

Lưu ý: Đối với tốc độ dòng chảy dưới 1m/s, nên sử dụng Bộ điều khiển dạng cánh gạt 2/3 chiều có trợ lực.

Van Điều Khiển Lưu Lượng – Lắp Đặt Dự Án

Hệ thống Quản lý Đại lý Orissa, Ấn Độ

Các bức ảnh dưới đây trình bày một hệ thống quản lý đầu ra điển hình ở Ấn Độ được trang bị van điều khiển lưu lượng & giảm áp suất (Bermad Model IR-2″L-172). Mỗi van kiểm soát việc tưới tiêu cho một thửa ruộng thuộc sở hữu của một nông dân khác nhau. Dự án bao gồm 726 Hệ thống Quản lý Đầu ra (OMS), mỗi hệ thống bao gồm van cách ly, bộ lọc bẫy đá, van xả khí, van điều khiển tại hiện trường & tự động hóa.

Dòng chảy được kiểm soát bởi các bộ điều khiển kiểu cánh quạt 3 ngả.

Bermad là nhà cung cấp chính cho dự án đang triển khai này với khoảng 3.500 van polymer; mỗi van đều được kiểm tra và hiệu chỉnh theo yêu cầu thiết kế tại nhà máy Bermad.

Hình bên trái cho thấy Van điều khiển lưu lượng & giảm áp Bermad Model IR-172 đang được kiểm tra & hiệu chuẩn trên bàn thử nghiệm; hình bên phải cho thấy hệ thống OMS được lắp đặt tại công trường, Orissa, Ấn Độ.

Nghiên cứu tình huống: CCRR Callen tại Tây Ban Nha

CCRR Callen ở Tây Ban Nha là một hiệp hội tưới tiêu với diện tích 1.872 ha gồm 70 thành viên trồng ngô, lúa mạch, lúa mì và cỏ linh lăng. Hiệp hội muốn hiện đại hóa hệ thống tưới tiêu của mình vì nó đã lỗi thời, kém hiệu quả và đòi hỏi nhiều công sức vận hành thủ công.

Giải pháp tưới tích hợp của Bermad cho Callen bao gồm đường ống chính và các giải pháp chống sốc, cũng như các đồng hồ đo lưu lượng và giảm áp điều khiển từ xa IR-972 cho từng lô đất.

Liên danh điều khiển từ xa từng đồng hồ đo nước theo các ca tưới đã được thiết kế.

Đồng hồ đo lưu lượng IR-972 với bộ điều khiển dạng cánh được lắp đặt tại đầu hệ thống tưới để kiểm soát:

• Tưới bình thường: Đảm bảo áp suất hệ thống và các thành phần (máy bơm, đường ống, bộ lọc, van, van xả khí) không vượt quá yêu cầu thiết kế.
• Làm đầy ống: Giới hạn lưu lượng làm đầy đường ống, ngăn ngừa sụt áp trong hệ thống cấp và hiện tượng búa nước có thể xảy ra do tốc độ cao ở cuối quá trình làm đầy đường ống.
• Burst: Đảm bảo hệ thống vẫn hoạt động ngay cả khi xảy ra vỡ ống tại phía nông dân.