Chú thích hình: Hình 1: Sơ đồ đo áp dư trong hệ thống làm mát. P1 là áp suất đầu ra bơm trước van tiết lưu. H1 và H2 dùng để tính cột áp tĩnh. Phần áp suất còn lại sau khi trừ áp suất bộ phân phối nước và tổn thất ma sát đường ống chính là áp dư khả dụng.
Định nghĩa vấn đề: Vì sao phải đo áp dư trước khi cải tạo LHRD
Trước khi đánh giá một tháp giải nhiệt có thể cải tạo bằng tua-bin nước LHRD hay không, câu hỏi đầu tiên không phải là quạt có thể tiết kiệm bao nhiêu điện, mà là hệ thống nước làm mát có đủ áp dư khả dụng hay không.
Tua-bin nước không tạo ra năng lượng. Nó chỉ chuyển đổi năng lượng áp suất vốn đã tồn tại trong hệ thống nước làm mát thành công cơ học để kéo quạt quay. Nếu hệ thống có áp dư chưa được sử dụng, phần áp này trước đây thường bị tiêu hao ở van tiết lưu. Sau cải tạo, nó có thể được chuyển thành công suất trục quạt thông qua tua-bin nước. Nếu hệ thống không có áp dư, tua-bin nước sẽ cạnh tranh cột áp với hệ thống đường ống và có thể làm lưu lượng nước làm mát giảm xuống.
Vì vậy, đo áp dư tại hiện trường là điều kiện tiên quyết để xác định cải tạo LHRD có khả thi về mặt vật lý hay không.
Nguyên lý vật lý: Áp dư đến từ đâu?
Trong nhiều hệ thống làm mát công nghiệp, bơm thường được chọn với hệ số dự phòng. Ví dụ, khi cột áp tính toán cần thiết là 22 m, đơn vị thiết kế hoặc nhà thầu có thể chọn bơm 28 m để tránh thiếu lưu lượng. Khi vận hành thực tế, phần cột áp dư này thường bị tiêu hao bằng cách đóng bớt van đầu ra.
Điều này tạo ra một trạng thái vận hành phổ biến: bơm liên tục tiêu thụ thêm điện, trong khi một phần cột áp bị tiêu tán dưới dạng tổn thất tiết lưu tại van. Đối với hệ thống, phần năng lượng này không tạo ra công dụng hữu ích. Đối với cải tạo LHRD, đây chính là nguồn năng lượng áp suất tiềm năng.
Điểm then chốt là phải xác định sau khi trừ cột áp tĩnh, áp suất bộ phân phối nước và tổn thất ma sát đường ống, phần áp còn lại trước van có đủ để kéo tua-bin nước hay không.
Phương pháp đo hiện trường ba bước
Đây là phần quan trọng nhất của bài viết. Toàn bộ lập luận lý thuyết trước đó cuối cùng phải được chuyển thành một bộ phương pháp đo và tiêu chí phán đoán có thể thao tác trực tiếp và lặp lại độc lập.
Việc đo áp dư tại hiện trường không cần thiết bị phức tạp. Một đồng hồ áp suất đáng tin cậy — đồng hồ Bourdon thường đã có trong cấu hình tiêu chuẩn của hệ thống làm mát, độ chính xác cấp 1.6 — cùng với thước đo cao độ là đủ. Các bước như sau:
Bước 1: Chọn điểm đo. Trên đường ống vào tháp giải nhiệt gần mặt đất, tìm điểm lấy áp sau đầu ra bơm và trước van. Áp suất đo tại vị trí này là áp suất do bơm cung cấp trước khi bị van tiết lưu tiêu hao. Đồng thời đo cao độ H1 của điểm lấy áp và cao độ H2 của điểm vào bộ phân phối nước trên đỉnh tháp. Chênh lệch cao độ là cột áp tĩnh mà bơm phải vượt qua. Vì nước mất khoảng 9.8 kPa thế năng áp suất cho mỗi 1 m nâng thẳng đứng trong đường ống, cột áp tĩnh này phải được trừ khỏi tổng áp.
Bước 2: Đọc giá trị áp suất. Khi hệ thống vận hành bình thường — bơm chạy đủ tốc độ, van ở độ mở tiết lưu thường dùng và tháp phân phối nước bình thường — đọc giá trị P1 trên đồng hồ áp, đơn vị kPa. Cần lưu ý P1 phải là giá trị trước van. Nếu đồng hồ áp lắp sau van tiết lưu, áp suất đã bị van tiêu hao và không thể dùng để tính áp dư.
Bước 3: Tính toán. Công thức tính áp dư khả dụng là: áp dư khả dụng = P1 - (H2 - H1) × 9.8 - áp suất định mức của bộ phân phối nước - tổn thất ma sát đường ống. Tổn thất ma sát đường ống là tổn thất sinh ra khi nước chảy trong ống. Nó phụ thuộc vào chiều dài ống, đường kính ống, vận tốc dòng chảy và độ nhám thành ống, cần được ước tính bằng phương pháp cơ học chất lỏng. Tùy quy mô hệ thống, giá trị này thường nằm trong khoảng 5–15 kPa.
Ví dụ thực tế. Giả sử một nhà máy đo được: P1 = 120 kPa, H1 = 0 m, H2 = 5 m, áp suất định mức bộ phân phối nước = 20 kPa, tổn thất ma sát đường ống = 5 kPa. Khi đó áp dư khả dụng = 120 - (5 - 0) × 9.8 - 20 - 5 = 46 kPa. 46 kPa ≥ 36 kPa.
Vì kết quả tính toán ≥ 36 kPa, hệ thống có điều kiện vật lý để lắp tua-bin nước LHRD. Bước tiếp theo là chọn tua-bin phù hợp và tính ROI, được trình bày trong các bài viết sau.
Nếu áp dư thấp hơn 36 kPa thì sao? Điều này cho thấy hệ số dự phòng trong thiết kế ban đầu nhỏ, hoặc đường ống đã có cáu cặn và tắc nghẽn trong quá trình vận hành, khiến phần áp dư ban đầu bị tiêu hao. Nếu nhà máy vẫn muốn giảm tiêu thụ năng lượng của hệ thống làm mát, có thể cân nhắc thay tháp hiện hữu bằng tháp dòng ngang có tổn thất cột áp bơm thấp hơn. Ở cùng lưu lượng, tổn thất của tháp dòng ngang thấp hơn tháp ngược dòng 4–6 kPa và có thể giảm tải vận hành dài hạn cho bơm.
Các câu hỏi mở rộng
Tua-bin nước có làm giảm lưu lượng nước không? Bản thân tua-bin nước là một phần tử có trở lực. Trở lực thiết kế, tức độ sụt áp mà nó tiêu thụ, được tính chính xác dựa trên công suất trục cần thiết của quạt. Nếu hệ thống có đủ áp dư, tua-bin chỉ tiêu thụ phần áp trước đây bị tiêu hao ở van tiết lưu và không làm giảm lưu lượng thiết kế. Nếu hệ thống không đủ áp dư, độ sụt áp của tua-bin sẽ chiếm phần áp vốn dùng để vượt qua trở lực đường ống và cột áp tĩnh, từ đó làm giảm lưu lượng. Đây là lý do phải hoàn tất đo áp dư tại hiện trường trước khi chọn tua-bin nước.
Nếu áp dư đủ, có thể tiết kiệm bao nhiêu tiền điện? Khi đã có áp dư khả dụng đo được và thông số trên nhãn bơm, có thể bắt đầu tính tiết kiệm năng lượng. Tiết kiệm điện hằng năm = công suất quạt ban đầu × thời gian vận hành hằng năm × đơn giá điện. Với dự án có nhiều tháp lắp song song, tổng tiết kiệm được cộng theo số lượng tháp. Phân tích chi tiết về tiết kiệm điện và ROI được trình bày trong bài: Sau khi EVN tăng giá điện, nhà máy có thể tiết kiệm điện quạt làm mát bằng tháp tua-bin nước như thế nào?
Thời gian thi công cải tạo là bao lâu? Nếu kết cấu tháp còn tốt, phương án cải tạo giữ lại thân tháp, lớp đệm và hệ thống phân phối nước ban đầu, chỉ thay động cơ và hộp giảm tốc trên đỉnh tháp bằng cụm tua-bin nước, đồng thời bổ sung đường bypass cho tua-bin. Cải tạo một tháp thường hoàn thành trong vòng 48 giờ. Khi nhiều tháp lắp song song, có thể cải tạo từng tháp mà không ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của các tháp còn lại. Nên sử dụng khung thời gian dừng máy cuối tuần hoặc ngày nghỉ.
Hỗ trợ kỹ sư
Điều kiện áp dư của mỗi hệ thống nước làm mát đều khác nhau. Nó phụ thuộc vào hệ số dự phòng khi chọn bơm, chiều dài bố trí thực tế của đường ống, thói quen mở van hằng ngày và mức độ cáu cặn trong ống sau nhiều năm vận hành. Không biến số nào trong số này có thể được phán đoán từ xa; chỉ có thể xác nhận bằng đo hiện trường.
Nếu bạn nghi ngờ hệ thống có năng lượng áp suất chưa sử dụng nhưng chưa biết cách đo chính xác, hãy chụp ảnh giá trị đồng hồ áp tại đầu ra bơm dưới các độ mở van khác nhau, cùng với nhãn thông số bơm tại hiện trường, rồi gửi cho kỹ sư ứng dụng COOLTEK. Sau khi nhận dữ liệu, chúng tôi sẽ hoàn tất tính toán áp dư và phân tích ghép chọn tua-bin nước trong vòng 24 giờ, đồng thời cung cấp báo cáo đánh giá sơ bộ về khả thi kỹ thuật của phương án cải tạo.
