Bài giảng Cơ sở khoa học nghiên cứu hệ thống tưới tiêu bằng động lực - Lê Chí Nguyện

Nội dung text: Bài giảng Cơ sở khoa học nghiên cứu hệ thống tưới tiêu bằng động lực - Lê Chí Nguyện

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BỘ MÔN KỸ THUẬT HẠ TẦNG VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN * BÀI GIẢNG CAO HỌC CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU BẰNG ĐỘNG LỰC GS. TS.LÊ CHÍ NGUYỆN HÀ NỘI - 2013
2. MỞ ĐẦU Máy bơm và trạm bơm là một loại thiết bị và công trình được sử dụng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân. Nhằm mục đích tưới tiêu và cung cấp nước cho sinh hoạt và công nghiệp, đến nay chúng ta đã xây dựng nhiều trạm bơm lớn, nhỏ. Tất cả các trạm bơm trên đều do cán bộ kỹ thuật nước ta thiết kế, xây dựng và quản lý vận hành và đã phát huy hiệu quả tưới tiêu đảm bảo an toàn sản xuất nông nghiệp nâng cao năng suất và sản lượng cây trồng. Song song với các trạm bơm tưới tiêu có áp lực thấp xây dựng chủ yếu ở các vùng đồng bằng, các trạm bơm áp lực cao dùng để tưới cho các vùng đồi, cây chuyên canh, sử dụng các kỹ thuật tưới phun, tưới gốc ., các trạm bơm cấp nước cho các khu dân cư đang được xây dựng và phát triển. Để đáp ứng yêu cầu sản xuất, không ngừng hiện đại hóa hệ thống thủy lợi ở nước ta yêu cầu cấp thiết phải: 1. Nâng cao trình độ thiết kế, xây dựng đảm bảo công trình hiện đại, hợp lý. 2. Nâng cao trình độ khai thác vận hành để giảm chi phí quản lý, tăng hiệu quả tưới, tiêu và cấp thoát nước. Để đáp ứng các yêu cầu trên, cần thiết phải nghiên cứu để giải quyết những vấn đề sau đây : Về máy bơm : 1. Xác định được một gam bơm hợp lý phủ được toàn bộ các yêu cầu dùng bơm trong cả nước. 2. Hiện đại hóa thiết bị và trình độ chế tạo. 3. Nghiên cứu hoàn thiện hệ thống dẫn dòng thủy lực (bánh xe cánh quạt, cánh hướng nước ) để nâng cao hiệu suất bơm, kết cấu bơm gọn nhẹ. 4. Nghiên cứu áp dụng các vật liệu mới nâng cao độ bền, giảm trọng lượng, chống khí thực, nước va Về trạm bơm: 1. Nghiên cứu xác định quy mô tối ưu các hệ thống tưới tiêu bằng động lực. 1
3. 2. Nghiên cứu xác định các thông số thiết kế hợp lý Zh, Zt, H, Q cho các trạm bơm tưới, tiêu và cấp nước. 3. Nghiên cứu các kết cấu nhà trạm phù hợp với các loại thiết bị bơm và yêu cầu về nền móng và các điều kiện tự nhiên khác. 4. Nghiên cứu hình dạng và cấu tạo hợp lý các công trình hút nước, tháo nước. 5. Phương pháp tính toán tối ưu mạng ống tưới và cấp nước. 6. Nghiên cứu lập chương trình điều khiển, vận hành tối ưu các trạm bơm và hệ thống tưới tiêu cấp nước bằng động lực. Những vấn đề trên được giải quyết dựa vào các cơ sở. - Lý thuyết phân tích hệ thống - Lý thuyết tối ưu - Lý thuyết về thủy lực và cơ chất lỏng - Các phương pháp thí nghiệm mô hình vật lý Cuốn sách này giúp người đọc nâng cao một số kiến thức chủ yếu về máy bơm, trạm bơm và cung cấp một số vấn đề cơ sở có thể áp dụng để giải quyết các bài toán về hệ thống tưới tiêu và cấp nước bằng động lực. CHƯƠNG I: ĐẶC TÍNH MÁY BƠM VÀ TRẠM BƠM 1.1. ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH MÁY BƠM 1.1.1. Đường đặc tính máy bơm cánh quạt: 2
4. • Máy bơm cánh quạt là máy bơm có bánh xe công tác (BXCT) gắn cnh quạt v khi BXCT quay sẽ truyền năng lượng cho chất lỏng. • Đây là loại máy bơm được dng phổ biến nhất và được nghin cứu đầy đủ nhất. Máy bơm cánh quạt được phn ra thnh 3 loại theo hướng của dịng chảy chuyển động trong máy bơm so với trục bơm: - M¸y b¬m ly t©m - M¸y b¬m hưíng trơc - M¸y b¬m hưíng chÐo MBLT MBHC MBHT Đặc tính công tác của mỗi loại máy bơm biểu thị bằng các đường đặc tính máy bơm. Đường đặc tính máy bơm là đường quan hệ giữa các thông số cột nước H, công suất N, hiệu suất và đặc tính hút (Độ cao chân không cho phép, độ cao hút cho phép hoặc độ dữ khí thực) với lưu lượng Q, số vòng quay n và đường kính ngoài bánh xe cánh quạt D. Với một máy bơm (D = const) làm việc với số vòng quay n = const có một họ đường đặc tính gồm H = f(Q), η = f(Q), N = f(Q), ∆H(NPSH) = f(Q) (hoặc [HCK] = f(Q)). Họ đường đặc tính này có dạng khác nhau tùy theo loại khác nhau của máy bơm cánh quạt. Máy bơm cánh quạt có 3 loại : - Bơm ly tâm : nS ≤ 300 - Bơm hướng chéo nS > 300 ÷ 500 - Bơm hướng trục nS > 500 Dạng đường đặc tính của ba loại máy bơm cánh quạt này (hình 1.1) có khác nhau. 3
5. Η Η Η A'A η η=f(Q) η η=f(Q) η η=f(Q) Ν Ν Ν B C Η=f(Q) B' C' Η=f(Q) Η=f(Q) Ν Ν=f(Q) =f(Q) Ν=f(Q) Q Q Q a. Bơm ly tâm b. Bơm hướng chéo c. Bơm hướng trục Hình1 : Dạng đường đặc tính máy bơm cánh quạt * Máy bơm ly tâm, là loại máy bơm truyền lực ly tâm cho chất lỏng, có hệ số tỷ tốc nS ≤ 300. Họ đường đặc tính bơm ly tâm biểu thị ở hình 1-1a. Dạng đường H = f(Q) có dạng cong trơn, phạm vi hiệu suất cao rộng, Đường N = f(Q) tăng dần theo lưu lượng. Máy bơm hướng trục truyền lực nâng cho chất lỏng có nS≥ 500 có họ đường đặc tính biểu thị ở hình 1.1.c. Đường H = f(Q) và N = f(Q) giảm với tốc độ lớn theo Q tăng và xuất hiện các cực đại và cực tiểu. Vùng từ cực đại C về phía Q giảm đột ngột. Đường hiệu suất η = f(Q) nhọn nên phạm vi hiệu suất cao thường rất bé. Máy bơm hướng chéo (hỗn lưu) là loại máy bơm truyền cho chất lỏng cả lực ly tâm và lực nâng, hệ số tỷ tốc nS = 300 ÷ 500. Các dạng đường đặc tính đều nằm trung bình giữa đường đặc tính của hai loại máy bơm li tâm và hướng trục. Đặc biệt đường N = f(Q) thay đổi rất ít khi Q thay đổi làm cho động cơ làm việc khá ổn định. 1.1.2. Sự tương tự của đường đặc tính máy bơm. Việc xác định các đường đặc tính máy bơm bằng lý thuyết có rất nhiều khó khăn. Vì vậy hiện nay để có các đường đặc tính mỗi loại máy bơm đều dựa vào kết quả thí nghiệm đồng thời dùng phương pháp tương tự và phân tích thứ nguyên làm cơ sở để tổng hợp phát triển kết quả thí nghiệm. Phương pháp tương tự và thứ nguyên cho ta tìm được các quy luật quan hệ giữa cột nước H = f(Q,n,D), công suất N = f(Q,n,D) với lưu lượng Q, số vòng quay n và đường kính ngoài bánh xe cánh quạt D, khi đồng dạng hình học giữa 2 máy bơm đã được xác lập, tức là tỷ số kích thước hình học của hai bộ phận dẫn lD dòng của 2 máy bơm luôn luôn không thay đổi ( 11= = const ). lD22 4
6. Với một máy bơm (D = const) lưu lượng Q và số vòng quay n là đại lượng xác định chế độ làm việc của bơm; Tính chất của chất lỏng được biểu thị bằng mật độ ρ và hệ số nhớt µ. Đối với chất lỏng là không nén được, sự chuyển động của chất lỏng trong máy bơm có thể được xác định bằng các thông số có thứ nguyên D,Q,n,ρ,µ. Cột nước H do bơm tạo ra cho chất lỏng và công suất N biểu thị qua mô men quay M được xác định bởi dạng chuyển động của chất lỏng trong bánh xe cánh quạt, do đó nó sẽ được xác định bởi các thông số có thứ nguyên nêu trên. Công thức thứ nguyên của các thông số trên : D = (m); Q = (m3/s); n = (1/s); ρ = (KG.s2/m4); µ = (KG.s/m2). Theo lý thuyết về thứ nguyên thì số tổ hợp các đại lượng không thứ nguyên m sẽ bằng hiệu số của số đại lượng có thứ nguyên p và số đại lượng có thứ nguyên độc lập k. Ở đây số tổ hợp của các đại lượng không thứ nguyên m = p – k = 5 – 3 = 2. Qρ nD3 Do đó ta có 2 tổ hợp và Dµ Q Tổ hợp thứ nhất có dạng của số Raynôn và tổ hợp thứ hai có dạng số Strukhan. 3 2 Qρ nD Ta có đại lượng thứ nguyên của mô men quay M = ρn f M ( ; ) . Qµ Q Qρ nD3 và công suất N = ρn3D5 f (; ) M DQµ Đại lượng không thứ nguyên của cột nước có thể xác định bằng tỷ số : D22 n Qρ nD3 H = fM , g DQµ Các quan hệ trên chưa tính đến tổn thất bề mặt thành khe cánh quạt và các tổn thất ổ trục. Qρ Cột nước H và công suất N phụ thuộc vào hạn chế bằng một vùng Dµ rộng, trong đó hiện tượng chuyển động có tương tự cơ học khi: 1. Hai máy bơm đồng dạng hình học. nD3 2. Đảm bảo quan hệ = const Q 5
7. Từ đó ta có các công thức đồng dạng : Q Dn3 1= 11  3 Q2 Dn 22  H Dn22 1= 11  22  H2 Dn 22  N Dn53  1= 11 53  N2 Dn 22 Nếu tính đến tổn thất bề mặt có thể viết: Q D3n η 1 = 1 1 d1 3 Q2 D2 n2 ηd 2 2 2 H D n 1 η 1 = 1 t1 2 2 H 2 D2 n 2 ηt 2 5 3 N D n 1 η 1 = 1 c1 5 3 N 2 D2 n 2 ηc2 6
8. 1.1.3. Đường đặc tính tổng hợp máy bơm D Với cùng một máy bơm thì 1 =1, các loại tổn thất thủy lực, tổn thất dung D2 tích và tổn thất cơ khí trong một phạm vi rất rộng thay đổi không đáng kể. Vì vậy quan hệ đồng dạng có dạng : Q nH nN23 n 111111= = = ;;23 Q222222 nH nN n Trong vùng mô hình tự động có thể coi η = const đối với các điểm nằm trên đường parabol. H1 2 H = 2 Q Q1 Từ các kết quả thí nghiệm máy bơm ứng với số vòng quay cho trước có thể vẽ lại đường đặc tính khi số vòng quay thay đổi. Và ta có đường đặc tính tổng hợp của máy bơm (hình 1 – 2). Đường đặc tính tổng hợp máy bơm có được bằng cách trên cùng một đồ thị vẽ các đường đặc tính Hi = f(Q) ứng với số vòng quay ni = const và đường đẳng hiệu suất η. Ηm 25 20 15 n=960 v/ph 10 5 750 600 500 0 40 80 120 160 Q l/s Hình 2: Đường đặc tính tổng hợp máy bơm Xác định các đường đặc tính của một máy bơm bằng thí nghiệm thường có những khó khăn và tốn kém. Vì vậy khi đã có một đường đặc tính với một số vòng quay nào đó người ta có thể mở rộng phạm vi hoạt động của bơm ứng với 7
9. các số vòng quay cần thiết và hiệu suất của máy bơm sẽ đạt được ứng với một giá trị cột nước và lưu lượng. Đường đặc tính tổng hợp máy bơm xác định bằng các công thức đồng dạng trên đây sẽ có mức độ chính xác cần thiết vì trong điều kiện mô hình tự động thì hiệu suất thủy lực, hiệu suất dung tích và hiệu suất cơ khí trong bơm sẽ giữ không đổi trong giới hạn rất rộng và được sử dụng phổ biến trong xác định điểm làm việc của bơm điều tốc, ứng dụng biến tần để thay đổi vòng quay của bơm. 1.1.4. Đường đặc tính toàn phần của bơm Khi máy bơm làm việc bình thường số vòng quay n, lưu lượng Q, cột áp H và mô men quay M có trị số dương. Trong trường hợp có sự cố ở mức độ nào đó, máy bơm sẽ làm việc trong chế độ thuận nghịch. Đường đặc tính toàn phần của một máy bơm biểu thị tính năng máy bơm trong các trạng thái công tác quá độ đó. Nếu biểu thị : HQ hq=%; = % HQHH nM α =%;m = % nMHH Trong đó hệ số h, q,α, m là tỷ số giữa cột nước, lưu lượng, số vòng quay và mô men quay so với chế độ định mức (ứng với ηmax). Quan hệ giữa các hệ số trên được biểu thị trên hệ tọa độ hình (1.3) và gọi là đường đặc tính toàn phần của máy bơm. 8
10. α= n nH +100% 150 +50% 100 -50% B A h=0 I 50 -100% G m=0 -q Q -150 -100 -50 0 50 100 150 200 q = % QH C -50 D F -100 h=0 +100% E m=0 -150 +50% -50% -100% -α Hình 3: Đường đặc tính toàn phần của máy bơm Ghi chú : : Đường m : Đường h Quy ước như sau: Quay thuận chiều (n>0), quay ngược chiều (n 0, Q>0; Tự chảy qua máy bơm Q>0, H 0 Từ quan hệ đó cho thấy đường đặc tính toàn phần chia làm 8 khu vực : 1. Khu vực A : Lưu lượng có trị số dương (lưu lượng bơm lên) và bơm quay thuận chiều (n>0) : bơm làm việc với trạng thái bơm thuận chiều. 2. Khu vực B : Bơm quay thuận nhưng lưu lượng chảy ngược trong trường hợp này bơm nhận được năng lượng của dòng chảy (bắt đầu chảy ngược n>0, H>0, Q 0) (Chảy ngược từ bể tháo qua máy bơm). 9
11. 4. Khu D là khu vực máy bơm quay ngược, lưu lượng chảy ngược, máy bơm làm việc ở trạng thái hãm tiêu hao năng lượng ở dòng chảy và cả động cơ (Từ trạng thái Turbin sang trạng thái tự chảy n 0). 5. Khu E có n 0 và H>0 thuộc trạng thái làm việc bơm chuyển động ngược (kết thúc trạng thái bơm quay ngược bắt đầu chuyển sang trạng thái tự chảy qua bơm). 6. Khu F có n 0, H 0, Q > 0 Nhưng cả H 0, Q > 0, M > 0, nhưng H < 0 là khu vực hãm (Hãm tự chảy qua bơm, chuyển sang bơm thuận chiều). 1.1.5. Số học hóa đường đặc tính máy bơm Đường đặc tính của một máy bơm được xác định từ thí nghiệm. Để có thể sử dụng trong tự động hóa thiết kế hoặc điều hành có thể biểu thị đường đặc tính dưới dạng hàm số phương trình số học. Có thể biểu thị các đường đặc tính H = f(Q), [HCK] = f(Q) và N = f(Q) dưới dạng đường cong bậc 2. Theo E.A.Grepera thì sai số về lưu lượng không quá 6% và cột nước không quá 3%. Các phương trình như sau : 2 H=++ a01() x a () xQ a 2 () xQ  2 [HCK ]=++ b01 () x b () xQ b 2 () xQ  =++2 N c01() x c () xQ c 2 () xQ Trong đó : axbxcxaxbxcxaxbxcx0( ), 0 ( ), 0 ( ); 111 ( ), ( ), ( ); 2 ( ), 2 ( ), 2 ( ); là các hệ số phụ thuộc vào các thông số điều chỉnh x. Nếu không điều chỉnh, các hệ số trên là hằng số phụ thuộc từng loại máy bơm và có thể xác định bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất. Chẳng hạn muốn tìm a0, a1, a2 ta lấy 3 điểm bất kì trên đường H ∼ Q, tìm tọa độ được hệ 3 phương trình với 3 ẩn số a0, a1, a2. Giải hệ 3 phương trình này ta được a0, a1, a2. Thông số điều chỉnh ở đây là góc nghiêng cánh quạt hoặc các vòng quay khác nhau. 10
12. Chẳng hạn nếu máy bơm hướng trục có 6 khả năng thay đổi góc nghiêng cánh quạt thì sẽ có tương ứng 6 phương trình số học khác nhau biểu thị quan hệ H = f(Q); [HCK] = f(Q) và N = f(Q). Ngoài phương pháp số học hóa, để giải trên máy tính, có thể cho bằng bảng các đường đặc tính của máy bơm. 1.2. MÁY BƠM LÀM VIỆC TRONG HỆ THỐNG 1.2.1. Điểm công tác máy bơm Một máy bơm làm việc trong hệ thống sẽ làm việc ổn định tại một điểm, đó là điểm công tác máy bơm. Điểm công tác máy bơm là điểm gặp nhau giữa hai đường : đường đặc tính máy bơm H = f(Q) và được đặc tính yêu cầu : Hyc. 2 Hyc = Hdh + ht = Hdh + SQ . Ở đây : Hdh : cột nước bơm địa hình. ht : tổng tổn thất thủy lực trên đường ống hút và ống đẩy của máy 2 bơm. Trong khu vực bình phương sức cản có thể viết : ht = SQ với S là hệ số tổn thất. Có nghĩa là điểm công tác là điểm cân bằng giữa năng lượng cung cấp của máy bơm và năng lượng yêu cầu ở môi trường sử dụng bơm. 2 H = f(Q) = Hdh + SQ Η η Η=f(Q) η=f(Q) ηA Α ΗΑ Ηyc=Hdh+SQ [ΗCK]=f(Q) [ΗCK]Α QA Q Hình 4 : Điểm công tác máy bơm 11
13. 2 Nếu đặt Hdh = f(Q) – SQ thì điểm công tác máy bơm có thể tìm được khi biết Hdh = Zt - Zh . Ở đây : Zt, Zh là cao trình mực nước tháo và mực nước hút. Nếu biểu thị cột nước máy bơm : 2 H = a0(x) + a1(x)Q + a2(x)Q thì: 2 Hdh = a0(x) + a1(x)Q + [a2(x) – S]Q hay: 2 a0(x) + a1(x)Q + [a2(x) – S]Q – Hdh = 0 Nếu cột nước địa hình là hằng số Hdh = Zt - Zh = const thì phương trình trên sẽ có dạng một phương trình bậc hai cho phép có thể xác định giá trị nghiệm QA và từ đó xác định HA của điểm công tác A. 1.2.2. Máy bơm làm việc song song Có n máy bơm làm việc song song cùng làm việc chung với một đường ống (hình 1.5) + Hệ thống làm việc cân bằng khi : PM1 = PM2 = . = PMn + Áp lực tại M do các máy bơm tạo nên : 22 VVM− hi PM = PMi = Phi + γ[Hi – (ZM - Zhi) - − h ] 2g ti Trong đó : - Phi, Zhi và Vhi : áp lực, cao trình và lưu tốc ống hút tại bể hút. - PM, ZM và VM : áp lực, cao trình và lưu tốc tại điểm M. - hti : Tổn thất của đường ống máy bơm i từ bể hút đến M. - Hi : Cột nước bơm máy i + Để bơm nước lên cao trình ZN đáp ứng áp lực PN và lưu tốc VN, áp lực tại M phải bằng : 22 VVNM− PM = PN + γ(ZN - ZM) + + h 2g tMN Trong đó : - PN, ZN, VN áp lực, cao trình, lưu tốc của mặt cắt cuối cùng của hệ thống (mặt nước bể tháo). 12
14. - htMN : tổn thất thủy lực ống chính (M – N) Như vậy muốn làm việc chung thì tại M phải có áp lực cân bằng đối với các máy bơm, tức là : PM = PMi = const Áp lực PM do các máy bơm i sinh ra phải cân bằng với yêu cầu về áp lực tại M. Muốn cho áp lực tại M cân bằng thì cột nước do bơm tạo ra phải đảm bảo để khắc phục cột nước địa hình và tổn thất M – N. - Để tìm đường đặc tính chung khi ghép song song n máy bơm, từ đường đặc tính của các máy i (1, , n). Hi = fi(Q) P Xác định các đường Mi = fQ() tức là : γ i P P P M1 = M 2 = = Mn (1) γ γ γ n Q = ∑Qi (2) i=1 N(PN, ZN, VN) M(PM, ZM, VM ) I II n P h2 P hn P h1 Z h2 Z hn Z h1 V h2 V hn V h1 Hình 5 : Máy bơm ghép song song Từ quan hệ trên vẽ đường đặc tính chung của n máy. - Điểm công tác là giao điểm của đường đặc tính chung ở trên với đường đặc tính yêu cầu. 13
15. 1.2.3. Máy bơm làm việc nối tiếp. Khi cột nước cần lớn mà cột nước bơm bé thì cần mắc nối tiếp hai hoặc nhiều máy bơm . (hình 1- 6) Có n máy mắc nối tiếp : H1 = f1(Q) H2 = f2(Q) . Hn = fn(Q) Thì : Q = Q1 = Q2 = = Qn nn H=∑∑ Hii = fQ() ii=11= Trong đó : Q, H lưu lượng và cột nước làm việc chung của các máy bơm nối tiếp n 2 Điểm công tác : Hyc = Hdh + SQ = ∑ fQi () 1 Từ đây tìm được Q và các thông số khác Zt Hdh I II Zh Hình 6 : Hai máy bơm ghép nối tiếp 14
16. Câu hỏi thảo luận 1. Với trạm bơm cụ thể (máy bơm đã xác định : số máy, loại máy. Hình thức công trình đã xác định). Để nâng cao hiệu quả phục vụ của các trạm bơm thì biện pháp quản lý phải thế nào? 2. Các yêu cầu cần đạt được khi điều chỉnh điểm công tác của máy bơm (nói chung và nói riêng với trạm bơm làm nhiệm vụ tưới, tiêu). Các phương pháp điều chỉnh điểm công tác của máy bơm trong hệ thống. 15
17. CHƯƠNG II GIỚI THIỆU LÝ THUYẾT PHN TÍCH HỆ THỐNG V ỨNG DỤNG 2.1. HỆ THỐNG VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA HỆ THỐNG 2.1.1. Định nghĩa Hệ thống l một tập hợp cc phần tử được sắp xếp theo một trật tự nào đó, có mối tác động tương tác lẫn nhau tạo thnh một tập hợp đầy đủ. Hệ thống cơng trình trạm bơm l một tập hợp cc phần tử: nguồn nước -> trạm bơm -> knh v cơng trình trn knh -> khu tưới; cĩ mối tác động tương hỗ lẫn nhau thnh một tập hợp đầy đủ lm nhiệm vụ đặt ra (tưới, tiu, kết hợp tưới tiu). 2.1.2. Các đặc trưng của hệ thống 1. Cấu trc hệ thống Cấu trc hệ thống l sự sắp xếp cc phần tử trong hệ thống theo một trật tự nào đó cùng với các tác động tương tác giữa chng. Cấu trc của hệ thống được mơ tả ty thuộc vo mục đích nghiên cứu của hệ thống. Một hệ thống thực, nhưng mục đich nghiên cứu khc nhau sẽ cĩ sự mơ tả cấu trc khc nhau. Mỗi thnh phần tham gia vo cấu trc của hệ thống được đặc trưng bởi tham số nào đó gọi l tham số cấu trúc. Như vậy, nói đến cấu trúc có nghĩa là đ kể đến những tham số đặc trưng cho cấu trc v mối quan hệ qua lại giữa cc thnh phần của cấu trc ấy. Cc thơng số về cấu trc của hệ thống bao gồm: Nhiệm vụ trạm bơm, quy mơ trạm bơm, vị trí đặt trạm bơm, kết cấu nh trạm, chủng loại my bơm, diện tích khu tưới, kích thước mặt cắt knh, chiều dài kênh, đặc điểm v số lượng cc cơng trình trn knh. 2. Thơng tin vo, ra của hệ thống Cĩ thể định nghĩa như sau: - Thơng tin vo của hệ thống l tập hợp tất cả các “ tác động” vo hệ thống để nhận được cc thơng tin ra của hệ thống. - Thơng tin ra của hệ thống l tập hợp tất cả những đặc trưng mà người nghin cứu quan tâm khi có tác động tương ứng ở đầu vo. Như vậy, lựa chọn thơng tin vo, ra cũng phụ thuộc vo mục tiu nghin cứu. Nĩi tĩm lại ci gì cần quan tm ta coi đó là thông tin ra, cịn ci gì lm thay đổi thông tin ra được coi l thơng tin vo của hệ thống. 16
18. + Cc thơng tin vo của hệ thống trạm bơm bao gồm: các điều kiện khí tượng thủy văn; nguồn nước; nhu cầu nước; loại cy trồng; cơ cấu cy trồng; tập qun canh tc; gi thnh sản phẩm. + Cc thơng tin ra của hệ thống trạm bơm bao gồm: quy trình điều khiển; quản lý; vận hnh hệ thống nh trạm bơm knh; cơng trình trn knh; cc chỉ tiu kinh tế, kỹ thuật. - Các thông tin vào và ra được đặc trưng bởi một đại lượng nào đó có thể coi l cc biến v gọi l biến vo, biến ra. Nếu các đại lượng này là các đại lượng phụ thuộc vo thời gian gọi l cc qu trình vo, ra hoặc l cc hm vo, ra của hệ thống. - Cc biến vo của hệ thống bao gồm cả cc biến điều khiển được v cc biến không điều khiển được. Ví dụ, khi vận hnh một trạm bơm tiêu, quá trình mưa, bốc hơi là các biến vào không điều khiển được, lưu lương bơm qua trạm bơm tiêu là biến vào điều khiển được. Biến ra của hệ thống cĩ thể l qu trình năng lượng tiu hao cho trạm bơm tiêu là hàm của cc biến vo, cũng cĩ thể l sự biến đổi mực nước trong khu tiu. 3. Trạng thi của hệ thống v biến của trạng thi Trạng thi của hệ thống l một đặc trưng quan trọng của bài toán điều khiển hệ thống. Với tác động từ bn ngồi hệ thống sẽ “chuyển động” theo một quỹ đạo biến đổi theo thời gian. Quỹ đạo chuyển động của hệ thống tại thời điểm bất kỳ phụ thuộc vo trạng thi của nĩ ở thời điểm trước đó và những tác động từ bn ngồi ở chính thời điểm đó. Hệ thống m trạng thi của nĩ ở một thời điểm nào đó không những phụ thuộc vào tác động từ bn ngồi ở chính thời điểm đó, mà cịn phụ thuộc vo trạng thi của nĩ ở những thời điểm trước đó gọi l hệ thống cĩ nhớ. Đối với hệ thống cĩ nhớ người ta đưa vào một loại biến đặc trưng cho trạng thi của nĩ, gọi l biến trạng thi. Biến trạng thi l một hm của thời gian. Trong trường hợp m trạng thi của hệ thống chỉ phụ thuộc vào tác động bn ngồi ở chính thời điểm đó gọi l hệ thống khơng cĩ nhớ thì việc mơ tả thm biến trạng thi l khơng bắt buộc. Sự mơ tả hệ thống trình by trn đây cần được hiểu nghĩa đầy đủ theo ý nghĩa tốn học của nĩ, tức l sự mơ tả biến vo, biến ra của hệ thống cĩ thể khơng trng với “ ci vo”, “ci ra” của hệ thống thực. Như vậy, cng một hệ thống thực nhưng mục đích nghiên cứu khc nhau thì sự mơ tả hệ thống, bao gồm cc biến ra v biến trạng thi cũng khc nhau. Khi mơ tả hệ thống, điều quan trọng nhất của người lm hệ thống l phải xác định được đâu là biến vo, biến ra và đặc trưng nào là biến trạng thi. Ngồi ra, 17
19. cũng phải mơ phỏng được qu trình trao đổi thơng tin giữa cc thnh phần trong hệ thống, quan hệ giữa biến vo, biến ra v biến trạng thi. 2.1.3. Phn loại hệ thống Phụ thuộc vào đặc điểm của hệ thống, mục đích nghiên cứu m cĩ cch phn loại khác nhau. Dưới đây là một số loại hệ thống đặc trưng: - Hệ thống với mơ hình vo, ra: Loại ny khơng cho biết cấu trc bn trong của hệ thống m chỉ cho biết quan hệ tương tác giữa cc biến vo v biến ra. Hệ thống loại ny cĩ tn l “ hộp đen” (hình trn). Đối với hệ thống trn, biến vo v biến ra cĩ thể l hm của thời gian. Cch mơ tả ny phụ thuộc loại hệ thống khơng cĩ nhớ, tức l kết quả ở đầu ra tại một thời điểm chỉ phụ thuộc vào tác động tại đầu vo ở chính thời điểm đó. Quy trình sản xuất sản phẩm khp kín l loại hệ thống ny. Với đầu vào quy định về vật liệu, thnh phần v quy trình cơng nghệ xác định ra được sản phẩm như tiu chuẩn. - Hệ tĩnh v hệ động: Hệ tĩnh l hệ m cc khơng gian biến của hệ thống khơng phải l hm của thời gian. Hệ động l hệ cĩ chứa biến trạng thi v cc biến vo, biến ra đều l hm của thời gian. Hệ tĩnh là trường hợp ring của hệ động khi cc hm thời gian được lấy bình qun trong một khoảng thời gian nào đó. 18
20. - Hệ có điều khiển v hệ không có điều khiển - Hệ thống cĩ mơ tả cấu trc bn trong – Hộp trắng: Khc với loại hộp đen các hệ thống loại hộp trắng cĩ thm cc biến trạng thi. Việc đưa vào không gian biến trạng thái giúp ta phân tích được “quỹ đạo chuyển động” của hệ thống hoặc đoán biết được xu hướng pht triển của hệ thống trong tương lai. Do đó người nghin cứ định hướng được các tác động vo hệ thống để đạt được mục tiu mong muốn. Cấu trc bn trong của hệ thống cịn phải được mơ tả bằng cc biến gọi l thơng số cấu trc, vì rằng cc thơng số ny sẽ quyết định sự truyền thơng tin từ đầu vào đến sự thay đổi trạng thi v cc phản ứng ở đầu ra. Một hệ thống m mối quan hệ giữa biến vo, biến ra v biến trạng thái được mơ tả một cch chặt chẽ bằng cc biểu thức tốn học gọi l hệ cĩ “cấu trc chặt”, ngược lại l hệ thống “phi cấu trc”, loại hệ thống có đặc tính trung gian gọi l hệ thống cĩ “ cấu trc yếu”. Hệ thống không có điều khiển l hệ m cc thơng tin vo khơng chứa cc biến điều khiển được, ngược lại l hệ có điều khiển. Nĩi chung, biến điều khiển v biến trạng thi l cc biến độc lập nhau, nhưng trong một số trường hợp, biến trạng thi cũng chính l biến điều khiển. - Hệ thống trạm bơm thuộc loại ny. Cấu trc bn trong hệ thống được mơ tả bằng cc biến gọi l thơng số cấu trc như: chủng loại my bơm, kết cấu nh trạm, ống ht, ống đẩy. - Hệ thống cĩ "cấu trc yếu" - Hệ thống trạm bơm có điều khiển. Thơng số điều khiển ở đây là: điều khiển số vịng quay, điều khiển tổn thất trên đường ống ht, ống đẩy; điều khiển độ mở cống để điều khiển mực nước bể ht trạm bơm tưới đặt trong đê. 19
21. Đối với cc hệ thống điều khiển cĩ mối lin hệ ngược, cĩ thể chia ra lm 2 loại: - Hệ thống điều khiển bn tự động (hình vẽ) l hệ thống m khi xử lý thơng tin v điều khiển được thực hiện trực tiếp bởi người điều khiển. Người điều khiển trực tiếp quan st phản ứng của hệ thống (cĩ thể cĩ sự tham gia của máy tính điện tử). Sau khi phân tích, so sánh người điều khiển trực tiếp ra quyết định và điều hnh hệ thống điều khiển. Một hệ thống m qu trình điều khiển hồn tồn được tự động hóa được gọi là điều khiển tự động. Trong trường hợp này người điều khiển chỉ can thiệp vo qu trình điều khiển ở khu lập chương trình điều khiển. Qu trình điều khiển được thực hiện tự động khơng cĩ sự can thiệp của con người. Trình tự thực hiện qu trình điều khiển được mơ tả trn hình vẽ. 20
22. - Hệ tất định v hệ ngẫu nhin Hệ tất định l hệ m cc biến vo, biến ra, cc rng buộc v mối quan hệ giữa cc phn tử trong hệ thống l những hm tất định. Một trong những biến trn l hm ngẫu nhin ta gọi l hệ ngẫu nhin. Cc biến vo hệ thống (cc biến không điều khiển được) l ngẫu nhin ta gọi l “nhiễu”. Cc hệ thống nguồn nước đều l hệ ngẫu nhin. Cần phn biệt khi niệm tất định v ngẫu nhin trong mơ tả hệ thống với khi niệm mơ tả tốn học như mô hình tất định, mơ hình ngẫu nhin. Một hệ thống ngẫu nhin cĩ thể mơ tả bằng mơ hình tất định hoặc mơ hình ngẫu nhin. - Hệ thống trong đó bao gồm cc hệ thống con Một hệ thống cĩ thể phn chia thnh cc hệ thống con. Sự phn chia hệ thống lớn thnh cc hệ con ty thuộc vo kích cỡ, đặc th của hệ thống và các phương pháp phân tích được p dụng đối với hệ thống đó. Hệ thống trạm bơm cũng bao gồm cc hệ thống con. Chẳng hạn bản thn nh my bơm l một hệ thống con, gồm cc phần tử gắn kết với nhau theo một trật tự xác định, hoạt động thống nhất: my bơm, động cơ, thiết bị dịng điện, ; Cống lấy qua đê có hệ thống điều khiển mực nước bể ht trạm bơm tưới trong đê. Hệ thống phn chia theo cấu trc độc lập 21
23. - Hệ thống bất định v cc yếu tố bất định của hệ thống Hệ thống bất định l hệ thống chứa cc yếu tố bất định, tức l cc yếu tố cấu thnh hệ thống không được xác định hoặc không có đủ thông tin để xác định nĩ. Cc yếu tố bất định của hệ thống bao gồm cc thơng tin vo ra, mục tiu khai thc, cấu trc hệ thống .v.v Bất định về mục tiu: Bất định về mục tiêu đối với một hệ thống bao gồm cc mặt sau: - Mục tiêu khai thác, điều khiển đối với hệ thống chưa xác định, cc mục tiu ny sẽ được hình thnh trong qu trình tiếp cận hệ thống. Cũng cĩ thể mục tiêu đối với hệ thống đ được dự kiến khi thiết kế, điều khiển hoặc khai thc hệ thống. Nhưng các mục tiêu ban đầu được đặt ra khơng thể đạt được, hoặc l bị sai lệch do không có đủ thơng tin về hệ thống. Đây là bài toán điều hnh với mục tiêu được điều chỉnh theo kết quả vận hnh của thời gian trước đó. - Đa mục tiêu đối với hệ thống trong qu trình thiết kế và điểu khiển nó, đặc biệt trong trường hợp cc mục tiêu điều khiển v khai thc mu thuẫn nhau. Chẳng hạn, đối với kho nước lm hai nhiệm vụ phịng lũ và phát điện. Bất định về thơng tin: Cc yếu tố bất định về thông tin đối với hệ thống bao gồm: - Thiếu cc thơng tin về hệ thống: thơng tin vo, cấu trc của hệ thống, cc ti liệu quan trắc cần thiết về hệ thống .v.v - Sự hiểu biết không đầy đủ của người nghin cứu đối với hệ thống: khơng nắm được cc quy luật vật lý của hệ thống, không có đủ thơng tin cần thiết đối với hệ thống v.v - Tồn tại những yếu tố ngẫu nhin bao gồm: các thông tin vào là các đại lượng hoặc cc qu trình ngẫu nhin, cc tc động ngẫu nhin của môi trường, hoặc cc sai lệch trong thiết kế và điều khiển hệ thống. Hệ thống trạm bơm cĩ yếu tố khí tượng, thủy văn là ngẫu nhin nn thuộc loại ny. - Sự mơ tả hệ thống, đặc biệt l mơ tả tốn học, khơng thể thực hiện được do sự phức tạp của hệ thống hoặc do những hạn chế về kỹ thuật mơ phỏng. Đối với hệ thống bất định, cần tun thủ nguyn tắc tiếp cận từng bước, v cần đánh giá độ tin cậy của cc quyết định đối với hệ thống trong qu trình thiết kế và điều khiển nĩ. 2.2. CC BI TỐN CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG V HỆ THỐNG CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ 22
24. 2.2.1. Các bài toán cơ bản về hệ thống Trong thực tế, khi nghin cứu hệ thống, thường phải giải quyết ba bài toán cơ bản sau: - Thiết kế hệ thống theo hệ thống chỉ tiêu nào đó: chỉ tiu kỹ thuật, kinh tế .v.v - Điều khiển hệ thống để đạt được yu cầu khai thác đ xc định. - Pht triển hệ thống, tức l nghin cứu chiến lược pht triển của hệ thống trong tương lai. Với hệ thống trạm bơm thường gặp hai bi tốn cơ bản l thiết kế hệ thống và điều khiển hệ thống. Trong bi tốn thiết kế hệ thống thường đ xem xt cc phương án điều khiển khi hệ thống đ được thiết lập. Trong một số trường hợp (trong đó có hệ thống nguồn nước), điều khiển hệ thống ở giai đoạn thiết kế thường mới được nghin cứu sơ bộ trên cơ sở xem xt một số phương án điều khiển. Bi tốn pht triển hệ thống l bi tốn bắt buộc phải giải quyết khi việc hình thnh hệ thống trong tương lai kéo dài trong nhiều năm. 2.2.2. Hệ thống chỉ tiêu đánh giá Khi phn tích hệ thống trong điều khiển, điều khiển hoặc pht triển hệ thống, cần phải xác định mục tiu của nĩ. Mục tiêu đối với hệ thống chưa được xác định thì khơng thể nói là “bài toán” được. Mục tiu khai thc hệ thống được mơ tả và lượng hĩa bằng một hoặc hệ thống chỉ tiêu nào đó, mà nó phản nh được mục tiu nghin cứu hoặc khai thc hệ thống. Hệ thống chỉ tiêu đó gọi l hệ thống chỉ tiêu đánh giá. Hệ thống chỉ tiêu đánh giá được lượng hĩa theo những dạng rất khc nhau, cĩ thể khi qut một số dạng cơ bản như sau: - Hệ thống chỉ tiêu đánh giá được mơ tả bằng một hoặc một số hữu hạn các đẳng thức hoặc bất đẳng thức. Cc biểu thức đó được viết đối với hm ra của hệ thống Y(t), trong đó Y(t) được xác định bởi mơ hình mơ phỏng hệ thống. - Hệ thống chỉ tiêu đánh giá là một hoặc một số hữu hạn cc hm số m nĩ cần lm cực trị, cĩ dạng: Fj (Y ) → max(min) với j = 1, hoặc với j = 1,m Cc hm Fj(Y) trong trường hợp này được gọi l hm mục tiu. * Xét bài toán xác định quy mơ hợp lý của trạm bơm tưới vùng đồng bằng sơng Cửu Long. Chỉ tiêu đánh giá ở đây là kinh tế, kỹ thuật với tổng chi phí, xy 23
25. dựng v quản lý v nhỏ nhất. Vì cc trạm bơm cĩ cột nước, lưu lượng yu cầu khác nhau, thay đổi theo quy mơ trạm bơm (tập trung hay phn tn) cho nn chỉ tiu so snh hợp lý nhất ở đây cho các phương n về quy mơ l gi thnh một tấn. mt nước bơm ln CE. C C = E ∑ WH Ở đây: ∑WH l tổng lượng nước nhn với cột nước từng thời kỳ trong năm cộng lại (t.m) C: Tổng chi phí quản lý : C = A + Pk. A: Tổng chi phí vận hnh gồm: Chi tiền lương của CBCNV quản lý trong trạm bơm. Khoản trích để hồn vốn cơng trình, để sửa chữa lớn hàng năm theo quy định của Nh nước; giá thành năng lượng để bơm nước cả năm. P: Tỷ lệ % để tính khấu hao hồn vốn v sửa chữa. K: Tổng vốn đầu tư xy dựng cơng trình. Chỉ tiêu đánh giá là: CE -> min 2.3. PHƯƠNG PHP MƠ PHỎNG TRONG PHN TÍCH HỆ THỐNG Việc ứng dụng cc mơ hình tối ưu trong thiết kế và điều khiển hệ thống cĩ những hạn chế, và do đó làm giảm hiệu lực trong phn tích lựa chọn nghiệm. Những hạn chế của nĩ bao gồm: - Cc mơ hình tối ưu thường được thiết lập sao cho nĩ cĩ thể đưa về một số dạng chuẩn tắc, mà các phương pháp toán học hiện hnh cĩ thể giải được. Muốn vậy cần thực hiện một số php giản hĩa hoặc cc giả thiết. Do vậy, mặc dù các phương pháp tối ưu cho lời giải đẹp đẽ, nhưng có thể khơng phản ánh đầy đủ cc trạng thi thực, trong một số trường hợp bản chất vật lý của cc qu trình trong hệ thống bị sai lệch. - Đối với cc hệ thống lớn v phức tạp, cơng cụ tối ưu hóa tỏ ra bất lực v khơng thể tìm được nghiệm. Trong một số trường hợp, cc mơ hình tối ưu cho nghiệm không đúng thậm chí khơng chấp nhận được. Do hạn chế của các phương pháp tối ưu, một số bi tốn cĩ cực trị địa phương, do vậy cĩ thể khơng nhận được tối ưu mong muốn. - Đối với cc hệ thống bất định, đặc biệt l sự bất định về mục tiu, khơng phải ngay từ đầu, cc mục tiu khai thc hệ thống đ được xác định, trong trường hợp như vậy phương pháp tối ưu không thể p dụng được. Một số trường hợp 24
26. khc, bi tốn phn tích hệ thống khơng thể hoặc khơng cần thiết đưa về dạng một bi tốn tối ưu. Trong những trường hợp như vậy, để khắc phục những hạn chế của phương pháp tối ưu hóa, người ta p dụng các phương pháp mô phỏng, một phương pháp rất đặc th v cĩ hiệu lực của LTPTHT. - Phương pháp mô phỏng là phương pháp sử dụng cc mơ hình mơ phỏng để đánh giá chất lượng của hệ thống khi thiết kế và điều khiển nĩ. Sự phn tích chất lượng của hệ thống được tiến hnh bằng cách đưa ra tất cả những tình huống hoặc phương án có thể v phn tích tất cả cc phản ứng của hệ thống mà ta quan tâm tương ứng với cc tình huống đặt ra. Theo sự phân tích đó người nghin cứu lựa chọn nghiệm của bi tốn trong số cc tình huống đ đặt ra. Như vậy, phương pháp mô phỏng chỉ tìm nghiệm trong tập hữu hạn cc tình huống, bởi vậy nghiệm của bi tốn cĩ thể khơng trng với nghiệm tối ưu. Cũng vì vậy, nghiệm của bài toán được gọi l lời giải hợp lý chứ khơng gọi l lời giải tối ưu. Chất lượng hệ thống được đánh giá bằng hệ thống chỉ tiêu đánh giá. Các hàm mục tiu thiết lập cho phương pháp tối ưu và phương pháp mô phỏng cĩ dạng tương tự nhau hoặc cĩ dạng khác nhau, nhưng hệ thống chỉ tiêu đánh giá được dựa vào như nhau đối với hm mục tiu. Sự khc biệt của hai phương pháp này ở chỗ: - Phương pháp mô phỏng khơng giải bi tốn tối ưu mà chỉ tìm cc gi trị khả dĩ chấp nhận được đối với hm mục tiu. - Vì phương pháp tối ưu có những hạn chế về phương pháp nhận nghiệm, bởi vậy cĩ thể cĩ sự giản hĩa trong mơ phỏng đối với cc qu trình của hệ thống, trong khi đó các mô phỏng đó được mơ tả chi tiết hơn khi sử dụng phương pháp mô phỏng. Trong thực tế, do những hạn chế của các phương pháp giải, cc bi tốn tối ưu có thể dẫn đến những sai lệch so với thực tế. Bởi vậy, phương pháp mô phỏng cịn được sử dụng để kiểm tra những kết quả nhận được từ phương án tối ưu. Như vậy, phương pháp tối ưu và phương pháp mô phỏng thường được kết hợp để phn tích lời giải tối ưu của bài toán đặt ra. Trn hình vẽ là sơ đồ kết hợp của hai phương pháp tối ưu và phương pháp mô phỏng. Mối quan hệ giữa cc khối trong khối mơ phỏng được thể hiện bằng các mũi tên đ chỉ ra trn hình. Đánh giá chất lượng hệ thống theo sơ đồ ny cĩ thể được thực hiện bằng mơ hình tối ưu hóa, nhưng sau đó phải kiểm định bằng phương pháp mô phỏng. Sơ đồ gồm cc phần chính: 25
27. - Mơ hình ton hệ thống: l mơ hình mơ phỏng cc qu trình trong hệ thống bao gồm: cc qu trình vật lý, sự trao đổi thơng tin trong hệ thống v quan hệ giữa hm vo v hm ra của hệ thống. Thnh phần mơ hình ny l chung cho cả phương pháp tối ưu và phương pháp mô phỏng. - Mơ hình tối ưu được thiết lập cho bi tốn tối ưu hóa, hàm ra của hệ thống l hm mục tiêu, trong đó có chứa cc thơng số của hệ thống và các đầu ra của khối mơ hình tốn. - Khối mơ hình mơ phỏng mơ tả quan hệ giữa cc gi trị của hm mục tiu, thơng qua hệ thống cc chỉ tiêu đánh giá, với cc thơng số của hệ thống (bao gồm cả các vectơ điều khiển) v cc hm ra của khối mơ hình tốn. - Khối mơ hình mơ phỏng được thiết lập để đánh giá phản ứng của hệ thống đối với cc gi trị của hm mục tiu, bởi vậy cĩ thể cĩ dạng khc với mơ hình tối ưu. Sơ đồ kết hợp phương php tối ưu v phương php mơ phỏng Để giải bài toán xác định quy mô hợp lý của trạm bơm tưới vùng Đồng bằng Sông Cửu Long đ nu trn, ta tiến hnh mơ hình mơ phỏng một số dạng nh trạm bơm phổ biến, phù hợp cho ĐBSCL như: nh my bơm kiểu buồng v nh my bơm kiểu mĩng tch rời, sử dụng một số loại my bơm phổ biến cĩ chất lượng tốt được thực tế chấp nhận. Thơng số mơ hình mơ phỏng được xác định ở các công trình đ xy dựng ở ĐBSCL. 26
28. - Hm mục tiêu ở đây là: phương n cĩ quy mơ hợp lý l phương n cĩ trị số CE -> min  C1 C2 Ci Cn  F , ; ,  → min  W1H1 W2H 2 Wi Hi Wn H n  C Trong đó: i : l chi phí quản lý đơn vị của phương n số my bơm thứ i Wi Hi (đ/T.m) WiHi l tổng lượng nước nhn với cột nước từng thời kỳ của phương n số my bơm thứ i. - Điều kiện ràng buộc: Thời vụ, cơ cấu và năng suất cây trồng không đổi theo các phương n, tiến hnh nghin cứu với cc cấp cột nước không đổi xác định từ thực tế ở ĐBSCL, quy mô trạm bơm được thay đổi do số máy bơm thay đổi, loại my bơm cho mỗi phương án được ấn định trước trong số cc loại my bơm thơng dụng, cĩ hiệu suất cao trong thực tế sản xuất, chỉ xt my bơm lm việc trong vng cĩ hiệu suất cao (η = 65% - 85%). Số my bơm hợp lý trong trạm l 2 ÷ 8 my. Số điểm làm việc của mỗi my bơm trong vng hiệu suất cao l n = 1 ÷ 6. - Phương php giải: Loại my bơm, số my bơm lắp đặt trong trạm bơm quyết định đến quy mô công trình đầu mối gồm hình thức kết cấu, kích thước nh trạm, bể ht, bể xả. Diện tích khu tưới, hình dạng khu tưới quyết định đến kích thước knh chính, knh nhnh, cơng trình trn knh. Để chọn các thông số kỹ thuật cho thiết kế mô hình mơ phỏng ta tiến hnh thiết kế mẫu cc loại trạm bơm điển hình với số my v loại my đ chọn. Hiệu chỉnh hệ số theo cc trạm bơm đ xy dựng ở ĐBSCL. Lưu lượng trạm bơm Qtrạm = n.Q Với mỗi loại my bơm tiến hnh tìm lưu lượng tại các điểm có hiệu suất cao (m = 1,2, ,6), cho số máy bơm thay đổi (n = 2 ÷ 8) sẽ có Qtrạm thay đổi. Tính CE -> min cho mỗi loại my bơm. - Tìm min (CEmin): So snh giữa cc loại my bơm khc nhau. 2.4. PHƯƠNG PHP TỐI ƯU HĨA TRONG PHN TÍCH HỆ THỐNG - Trong lý thuyết phn tích hệ thống, phương pháp tối ưu hóa và phương pháp mô phỏng là hai phương pháp toán học được sử dụng song song trong qu trình tìm lời giải tối ưu khi thiết kế và điều khiển hệ thống. - Phương pháp tối ưu là phương pháp cho lời giải tối ưu, cịn phương pháp mô phỏng khơng cho lời giải tối ưu mà chỉ cĩ lời giải gần tối ưu, và do đó được coi l lời giải hợp lý. 27
29. - Phương pháp tối ưu hóa là phương pháp xác định lời giải của hệ thống theo mục tiu bằng cách đưa chúng về cc bi tốn tối ưu hóa. 2.4.1. Mơ tả tổng qut bi tốn tối ưu hệ thống Giả sử cĩ hệ thống cĩ cấu trúc nào đó, gọi X(t) là vec tơ thông tin đầu vào, U(t) là vec tơ điều khiển, Y(t) là vec tơ các thông tin ra, Z(t) là vec tơ biến trạng thái, A là vec tơ thông số cấu trc hệ thống. Ta cĩ: X(t) = (x1(t), x2(t),), , xn1(t)) U(t) = (u1(t), u2(t),), , un2(t)) Y(t) = (y1(t), y2(t),), , yn3(t)) Z(t) = (z1(t), z2(t),), , zn4(t)) A = (a1, a2, , an5) Mơ hình mơ phỏng hệ thống cĩ dạng: Y(t) = H(X(t), U(t), Z(t), A) Cần thiết kế và điều khiển hệ thống sao cho cực trị một hm mục tiêu nào đó: F(X(t), Y(t), Z(t), U(t), A) (cực trị) Với rng buộc: G j (X (t),Y (t), Z(t),U (t), A) ≤ b j với j = 1,m Ta cĩ thể chia lm ba loại bi tốn khc nhau: Bi tốn thiết kế: Đối với bi tốn thiết kế thường quy định trước chế độ lm việc của hệ thống, do đó vec tơ U(t) đ biết trước v quy luật thay đổi của biến trạng thái Z(t), X(t) cũng đ biết. Hm mục tiêu khi đó chỉ cịn một loại biến là vec tơ A. Ví dụ: Tìm phương n trạm bơm cĩ tổng chi phí xy dựng v quản lý l nhỏ nhất với cc thơng số về cấu trc: kích thước cc bộ phận cơng trình, loại my bơm, số my bơm xác định. Bài toán điều khiển Giả thiết hệ thống đ được thiết kế, tức l cc thơng số cấu trúc A đ biết trước. Ta cĩ dạng giản hĩa: F(X(t), Z(t), U(t)) cực trị = Với rng buộc: Y(t), Z(t), U(t) ≤ bj, với j 1,m 28
30. Ta cần phải tìm vec tơ U(t) để lm tối ưu mục tiêu nào đó đang được xem xét. Bài toán như vậy cĩ tn gọi là bài toán điều khiển hệ thống. Chẳng hạn trạm bơm đ xy dựng cĩ thơng số cấu trc về kích thước cc bộ phận cơng trình, loại my bơm, số my bơm, diện tích tưới ta cần điều khiển trạm bơm đáp ứng nhiệm vụ trong từng thời kỳ của năm và trong các năm khác nhau với hiệu quả cao nhất. Bi tốn thiết kế tổng qut Đối với bi tốn thiết kế thực ra việc định ra trước cc gi trị lm việ của hệ thống l khơng hợp lý, vì rằng cc thơng số cấu trc của hệ thống cĩ mối quan hệ chặt chẽ với chế độ lm việc của nĩ v quy luật thay đổi của cc biến vào X(t). Do đó, cần giữ nguyên phương trình dạng tổng qut. Tuy nhin tìm nghiệm của dạng bài toán này không đơn giản, khơng những do tính phức tạp của nĩ m cịn do sự bất định về mục đích khai thác hệ thống nữa. Hệ thống trạm bơm thường khơng thuộc dạng bi tốn ny. 2.4.2. Vấn đề thiết lập hm mục tiu v cc rng buộc của bi tốn tối ưu a. Mục tiu v hm mục tiu Cần phn biệt khi niệm “mục tiu” v “hm mục tiu”. - Mục tiu khai thc hệ thống cĩ thể được lượng hĩa bằng một đại lượng nào đó. Cũng có thể không được lượng hóa. Đại lượng dùng để lượng hĩa mục tiu cĩ thể nhận cc gi trị khác nhau, do đó có thể gọi l “mức” của mục tiêu đề ra. Chẳng hạn một kho nước được thiết kế tưới thì “tưới” l mục tiu khai thc cịn diện tích cần tưới hoặc qu trình lượng nước yu cầu tưới l mức đạt mục tiu. - Hm mục tiu l tiu chuẩn đánh giá chất lượng đạt được mục tiêu đề ra với mức đ định, cho nn trong nhiều ti liệu cịn gọi l hm tiu chuẩn hoặc hm chất lượng. Đối với bài toán tưới trên đây có thể cĩ hai cch thiết lập hm mục tiu: - Nếu yu cầu về tưới W(t) đ định ta cần xác định cấu trc v thơng số cấu trc của hệ thống sao cho: P{Wc(t) ≥ W(t)} ≥ [P] Trong đó, P là ký hiệu xc suất, Wc(t) là lượng nước mà kho nước cĩ thể đáp ứng với lượng nước đến khc nhau. Biểu thức trn cĩ nghĩa l xc xuất đảm bảo đủ nước phải lớn hơn mức cho php [P]. - Nếu W(t) chưa định trước, tức l diện tích cần tưới chưa định r ta cĩ thể đặt hm mục tiu theo dạng khc: J = F(a1, a2, , an) max 29
31. Trong đó: J là hiệu ích mang lại lớn nhất. Trong bi tốn phn phối nước nếu a1, a2, , an đ định trước ta cĩ: J1 = F(W(t)) max Với W(t) là vec tơ lượng nước được phn phối cho các khu tưới: W(t) = (w1(t), w2(t), , wn(t)) Nĩi tĩm lại, hm mục tiu l một chỉ tiêu đánh giá chất lượng của mục tiu khai thc hệ thống, được thiết lập theo hệ thống chỉ tiêu đánh giá. b. Rng buộc của hệ thống Cc biểu thức rng buộc mơ tả giới hạn hoạt động của hệ thống khi thiết kế và điều khiển nĩ. Cc giới hạn đó bao gồm các điều kiện kỹ thuật, cc yu cầu khai thc hệ thống, được đánh giá bằng hệ thống cc chỉ tiêu, điều kiện cn bằng năng lượng của hệ thống .v.v 2.4.3. Một số ví dụ: a. Bài toán theo quan điểm kinh tế Giả sử ta cĩ một lượng nước hạn chế Q, cần phn phối cho n vng sao cho tổng lợi ích mang lại l lớn nhất. Giả sử các vùng được nhận nước từ Q cĩ thể là không đủ đáp ứng yu cầu của họ. Trong trường hợp như thế, cc vng cĩ thể khai thc nguồn nước tại chỗ của mình v sắp xếp cơ cấu cy trồng hợp lý của vùng đó. Gọi qj là lượng nước cấp cho vng j : với j = 1,2,3, ,n sao cho thỏa mn rng buộc: n Q = ∑ q j j=1 Đối với vng thứ j, khi nhận lượng nước hệ thống l qj, sẽ cần lm tối ưu một lợi ích trong vng của nĩ biểu thị bằng hm mục tiu: Fi(qvj, sj, Aj) Trong đó: qvj – là lượng nước m nĩ cĩ thể khai thác được ở trong vng. sj – l vốn cần phải đầu tư bao gồm chi phí cho yu cầu về nước, phn bĩn .v.v Aj – l thơng số hình thức đặc trưng cho phương án cây trồng Giả thiết rằng: qj + qvj = Dj Trong đó: Dj – là lượng nước cần, nĩ phụ thuộc vào các phương án cây trồng và đầu tư vốn. 30
32. Mục tiêu đạt được của vng thứ j l lm cực đại hm tiu với rng buộc trn. Ta cĩ: Bj(qj) = maxfj(qj, qvj, sj, Aj) Như vậy qj coi như đ biết, nghiệm của bài toán đối với vng l cc gi trị qvj, sj, Aj. Cần ch ý rằng với qj nhận được, các phương án cây trồng Aj bao gồm các trường hợp bỏ hoang khơng canh t vì khơng cĩ li. Như vậy, gi trị tối ưu của hệ thống l lm cực đại hm lợi ích: n F(q1, q2, , qj, ,qn) = ∑ B j (q j ) j=1 Ví dụ 1: Cĩ hai trạm bơm tưới I v II. Dựa vo tính tốn kinh tế, sau khi xy dựng xong, hiệu quả tưới bình qun trạm bơm I l 15.106đ/ha v trạm bơm II l 20.106 đ/ha. Yêu cầu về năng lượng, vốn và lao động cho 1 ha của hai vng như sau: - Với trạm bơm I: 31kwh/ha/năm; 60 lao động, vốn đầu tư 3.106đ/ha. - Với trạm bơm II: Cần 110Kwh/ha/năm; 120 lao động v vốn đầu tư 2,7.106đ/ha. Điện cung cấp cho trạm bơm hạn chế ở mức 280.104kwh/năm, có khả năng huy động vốn l 460.106đ và 1200.104 công lao động. Xác định phương n về diện tích cần tưới của các vùng để cho hiệu quả kinh tế lớn nhất. Giải: Đặt x1 v x2 l diện tích sẽ tưới hai vng trạm bơm I v II. Hiệu ích = 6 + 6 Mục tiu: Z max 15.10 x1 20.10 x2 + ≤ 4 Rng buộc: 31x1 110x2 280.10 + ≤ 4 60x1 120x2 1.200.10 b. Bài toán theo quan điểm ti chính By giờ ta đặt bi tốn phn phối nước trên đây theo quan điểm phn tích ti chính. Giả sử cơng ty thủy nơng chỉ quan tâm đến lợi ích của cơng ty. Khi đó công ty sẽ phải giải quyết định giá nước bn cho cc hộ dùng nước (cc vng) sao cho tổng số tiền thu được l lớn nhất. Giả sử các vùng được nhận nước với giá tương ứng l xj, hộ phải cn nhắc xem nn mua với số lượng l bao nhiu, giả sử số lượng nước họ đặt mua của cơng ty l qj. 31
33. Cơng ty cũng sẽ phải cn nhắc giá nước ấn định v số lượng nước cĩ thể cấp được cho từng vùng để thỏa mn rng buộc trên để lợi ích thu được l lớn nhất. Lợi ích mang lại cho cơng ty do việc ấn định giá nước xj cho cc vng l: n B = ∑ x j q j − R j=1 Trong đó R là chi phí sản xuất. Mục tiêu đạt được của cơng ty sẽ l cực đại gi trị B của hm mục tiu do việc ấn định giá nước hợp lý x*j cho cc vng cần cấp nước. x*j, với j = 1,2, ,n là giá nước tối ưu. Ví dụ 2: Trn một dịng sơng cĩ hai trạm bơm tưới I v II. Hai trạm bơm đó cung cấp nước cho 3 khu tưới A, B, C. Lượng nước cần tối thiểu cho mỗi khu vực tưới l Khu A = Ma = 4 triệu m3, khu B: Mb = 8 triệu m3. Khu C: Mc = 6 triệu m3. Năng lực tưới của trạm bơm I l 12 triệu m3 v của trạm bơm II l 8 triệu m3. Gi tiền cấp 1m3 nước cho cc khu vực như sau: Trạm bơm Khu tưới A Khu tưới B Khu tưới C I 400đ/m3 350đ/m3 38đ/m3 II 600đ/m3 300đ/m3 32đ/m3 Cách điều hnh hai trạm bơm I v II cấp nước cho cả 3 khu vực để cĩ chi phí nhỏ nhất. Giải: 3 Đặt x1, x2, x3 l số m nước của trạm I cung cấp cho cc khu tưới A, B, C v 3 x4, x5, x6 l số m nước của trạm II cung cấp cho cc khu tưới A, B, C. - Hm số mục tiu: min Z = 400x1 + 300x2 + 380x3 + 600x4 + 350x5 + 320x6. - Điều kiện rng buộc: 6 6 6 x1+ x4 ≥ 4.10 x5+ x6 ≥ 6.10 x4+ x5+ x6 ≤ 8.10 6 6 x1+ x5 ≥ 8.10 x1+ x2+ x3 ≤ 12.10 x1,x2,x3,x4,x5,x6 ≥ 0 Ví dụ 3: P DỤNG LÝ THUYẾT PHN TÍCH HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH QUY MÔ VÀ LOẠI H̀NH MÁY BƠM PHÙ HỢP CHO TƯỚI, TIÊU VÙNG ĐBSCL I. HỆ THỐNG TRẠM BƠM Hệ thống trạm bơm là một loại hệ thống tưới, tiêu mà công trình đầu mối là trạm bơm. Các trạm bơm có thể làm việc độc lập và cũng có thể làm việc hỗ trợ lẫn 32
34. nhau đều được gọi là hệ thống trạm bơm. Theo cấu trúc, tất cả các thành phần cơ bản có liên quan đến quá trình vận hnh của hệ thống trạm bơm được xếp theo thứ tự từ trên xuống dưới gồm: nguồn nước, công trình trạm, knh v cc cơng trình trn knh, v khu tưới. Các đặc trưng cho hệ thống trạm bơm bao gồm các thông số về cấu trúc, các thông tin vào và các thông tin ra. Các thông tin vào và tập hợp tất cả các tác động vào hệ thống để nhận được các thông tin ra của hệ thống. Các thông tin vào của hệ thống gồm có các điều kiện khí tượng thủy văn, điều kiện về nguồn nước, các nhu cầu dùng nước, các loại cây trồng và cơ cấu của nó, tập quán canh tác, giá thành sản phẩm v.v Các thông tin ra của hệ thống là tập hợp tất cả những đặc trưng mà người nghiên cứu quan tâm đến khi có tác động tương ứng ở đầu vào. Các thông tin ra của hệ thống gồm có các quy trình điều khiển, quản lý, vận hành trạm bơm, hệ thống kênh mương và các công trình trn knh, cc chỉ tiu kinh tế v.v Các thông tin ra của phương án này được xem xét để điều chỉnh các thông tin vào, các thông số về cấu trúc của hệ thống cho các phương án khác và dẫn đến các quy mô của hệ thống được thay đổi theo hướng tốt hơn. Nhìn chung, sơ đồ hệ thống trạm bơm tưới như hình vẽ: Nguồn nước là sông Trạm bơm Knh v cơng trình trn knh Khu tưới Hình 1: Sơ đồ hệ thống trạm bơm tưới Các đặc trưng hệ thống trạm bơm tưới có thể phân thành 3 bộ phận như hình dưới đây. 33
35. CC THƠNG CC THƠNG SỐ VỀ CC THƠNG TIN TIN VO CẤU TRC RA - Các điều kiện khí - Nhiệm vụ trạm bơm - Quy trình điều tượng, thủy văn - Quy mô trạm bơm khiển - Nguồn nước - Vị trí đặt trạm - Quản lý - Nhu cầu nước - Kết cấu nh trạm - Vận hnh - Loại cy trồng - Chủng loại máy bơm - Hệ thống knh - Cơ cấu cây trồng - Diện tích khu tưới - Cơng trình trn - Tập qun canh tc - Kích thước mặt cắt knh - Gi thnh sản phẩm - Chiều di hệ thống - Cc chỉ tiu kinh tế Hình 2: Các đ đặc trưng hệ thống trạm bơm tưới 1.2. Cơ sở khoa học nghiên cứu quy mô công trình v loại hình my bơm để tưới tiêu ở Đồng bằng sông Cửu Long Các giải pháp kỹ thuật và kinh tế đ trở thnh hai vấn đề quan trọng trong các dự án quy hoạch, thiết kế các công trình thủy lợi nĩi chung v cơng trình trạm bơm nói riêng. Vì vậy, ngồi việc nghin cứu giải quyết một cch tổng thể về mặt kỹ thuật cần phải chọn quy mơ cơng trình hợp lý, đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế tối ưu là hướng giải quyết đúng đắn và phù hợp trọng việc xây dựng, nâng cấp và quản lý cơng trình trạm bơm hiện nay. Trong các dự án thủy lợi nói chung và đối với các dự án tưới bằng cơng trình trạm bơm nói riêng, muốn biết được dự án có nên đầu tư xây dựng hay không, thì phải thơng qua việc đánh giá hiệu quả kinh tế của dự án. Khi đánh giá dự án, phải chọn được phương pháp tính toán cũng như các chỉ tiêu kinh tế hợp lý, dự n mới cĩ thể phát triển được. Có nhiều phương pháp đánh giá hiệu quả kinh tế của dự án tưới, nhưng tổng hợp lại có thể nói có hai phương pháp đánh giá dự án theo các chỉ tiêu tĩnh và các chỉ tiêu động. Và có nhiều chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật để đánh giá hiệu quả xây dựng v quản lý vận hnh trạm bơm. Muốn tìm được chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật hợp lý thường sử dụng lý thuyết phn tích hệ thống, vì nĩ l một mơn khoa học được hình thnh v pht triển trn cơ sở vận trù học theo lý thuyết điều khiển bằng cách dựa vo hệ thống các quan điểm và phương pháp phân tích hiện đại, nhằm hoàn thiện khả năng lựa chọn lời giải hợp lý nhất đổi với hệ thống phức tạp như hệ thống tưới bằng trạm bơm. 34
36. 1.2.1. Lý thuyết phn tích hệ thống Mục đích của việc phân tích hệ thống là xác định lời giải tối ưu hoặc hợp lý khi thiết kế v điều khiển hệ thống. Phân tích hệ thống bao gồm các quan điểm, các nguyên lý v cc kỹ thuật phn tích. Kỹ thuật phn tích hệ thống rất đa dạng, nhưng thường gặp và sử dụng có hiệu quả nhất là phương pháp tối ưu hóa và phương pháp mô hình mơ phỏng. 1.2.1.1. Phương pháp tối ưu hóa trong phân tích hệ thống Phương pháp tối ưu hóa là phương pháp xác định lời giải của hệ thống theo mục tiêu khai thác hệ thống bằng tối ưu hóa các hàm mục tiêu. Bài toán tối ưu hệ thống được mô tả tổng quát như sau: Giả sử hệ thống có cấu trúc nào đó, gọi: X(t) = (x1(t), x2(t), ., xn(t)) là véc tơ thông tin vào của hệ thống. U(t) = (u1(t), u2(t), ., un(t)) là véc tơ điều khiển hệ thống. Y(t) = (y1(t), y2(t), ., yn(t)) là véc tơ thông tin ra của hệ thống. Z(t) = (z1(t), z2(t), ., zn(t)) là véc tơ biến trạng thái của hệ thống. A = (a1, a2, .,an) là véc tơ thông số cấu trúc của hệ thống. Mơ hình mơ phỏng hệ thống cĩ dạng: Y(t) = H(X(t), U(t), Z(t), A) Trong đó: Y(t) – Véc tơ các thông tin ra hay gọi là phản ứng của hệ thống dưới tác động của véc tơ thông tin vào và véctơ điều khiển hệ thống. H – Các phép biến đổi sao cho các vectơ suy ra được các véc tơ Y(t). Cần thiết kế và điều khiển hệ thống sao cho một hàm mục tiêu nào đó đạt cực trị: F(X(t), Y(t), U(t), Z(t), A) → cực trị. Với điều kiện ràng buộc: Gj(X(t), Y(t), U(t), Z(t), A) ≤ bj với j = 1, 2, , m Bài toán tối ưu hệ thống có thể chia làm 3 loại bài toán như sau: 1. Bi tốn thiết kế Đối với bài toán thiết kế thường quy định trước chế độc làm việc của hệ thống, do đó véc tơ điều khiển U(t) đ biết trước và quy luật thay đổi của biến trạng thái Z(t) và các thông tin vào X(t) cũng đ biết. Trong hm mục tiu F(X(t), Y(t), U(t), Z(t), A) chỉ cịn một loại biến l vc tơ A. Vậy, hm mục tiu sẽ l F(a1, a2, , an) → cực trị. Với điều kiện ràng buộc là: Gj(a1, a2, , an) ≤ bj với j = 1, 2, , m 35
37. Trong cc biểu thức F(a1, a2, , an) Gj(a1, a2, , an) ≤ bj chứa cả các véc tơ thông tin vào X(t) và véc tơ thông tin ra Y(t) nhưng chúng đ được lượng trước nên chúng không phải là tham biến. Vậy, bài toán thiết kế là bài toán cần xác định véc tơ A = (a1, a2, , an) để thỏa mn hm mục tiu theo cc điều kiện rang buộc. A là thông số cấu trúc tối ưu của hệ thống. 2. Bài toán điều khiển Bài toán điều khiển hệ thống là bài toán áp dụng cho các hệ thống đ được thiết kế, tức là các thông số cấu trúc của hệ thống A đ biết trước. Cần phải tìm vc tơ điều khiển U(t) để tối ưu hàm mục tiêu đang xét đạt cực trị F(X(t), Z(t), U(t)) → cực trị. Với điều kiện ràng buộc l Gj(a1, a2, , an) ≤ bj với j = 1, 2, , m. 3. Bi tốn thiết kế tổng qut Đối với bài toán thiết kế, việc định ra trước các giá trị làm việc của hệ thống là không hợp lý vì cc thơng số của hệ thống cĩ mối quan hệ chặt chẽ với chế độ làm việc của nó và quy luật thay đổi của biến vào X(t). Do đó, các phương trình mơ tả bi tốn luơn ở dạng tổng qut. Việc tìm nghiệm của dạng bi tốn ny khơng đơn giản, không những do tính phức tạp của nó mà cịn do tính bất định về mục đích khai thác hệ thống. Trong trường hợp đó có thể dùng phương pháp mô phỏng để tìm nghiệm hợp lý. Việc ứng dụng phương pháp tối ưu trong thiết kế và điều khiển hệ thống có những hạn chế nhất định, do đó làm giảm hiệu lực trong phân tích lựa chọn nghiệm. Những hạn chế đó bao gồm: - Cc mơ hình tối ưu thường được thiết kế sao cho nó có thể đưa về một số dạng chuẩn tắc mà các phương pháp toán học hiện hành có thể giải được. Muốn vậy cần thực hiện một số pháp giản hóa hoặc các giả thiết. Do vậy, mặc dù các phương pháp tối ưu cho lời giải đẹp đẽ, nhưng có thể không phản ánh được các trạng thái thực, trong một số trường hợp bản chất vật lý của cc qu trình trong hệ thống bị sai lệch. - Đối với các hệ thống lớn và phức tạp, công cụ tối ưu hóa bất lực và không thể tìm được nghiệm. Trong một số trường hợp, cc mơ hình tối ưu cho nghiệm không đúng thậm chí không chấp nhận được. Do hạn chế của các phương pháp tối ưu, một số bài toán có cực trị địa phương, do vậy có thể không nhận được tối ưu mong muốn. - Đối với các hệ thống bất định về mục tiêu, không phải ngay từ đầu, các mục tiêu phải khai thác hệ thống đ được xác định, trong trường hợp như vậy phương pháp tối ưu không thể áp dụng được. Một số trường hợp khác, bài toàn phân tích hệ thống không thể hoặc không cần thiết đưa về một dạng bài toán tối ưu. 36
38. Với trường hợp như vậy, để khắc phục những hạn chế của phương pháp tối ưu hóa, có thể áp dụng phương pháp mô phỏng, một phương pháp rất đặc thù và tỏ ra rất có hiệu lực của lý thuyết phn tích hệ thống. 1.2.1.2. Phương pháp mô hình mơ phỏng trong phn tích hệ thống Phương pháp mô phỏng là phương pháp sử dụng mô hình mơ phỏng để đánh giá chất lượng của hệ thống khi thiết kế và điều khiển nó. Sự phân tích chất lượng của hệ thống được tiến hành bằng cách đưa ra các tình huống hoặc phương án có thể và phân tích tất cả cc phản ứng của hệ thống với c tình huống đ đặt ra, bởi vậy nghiệm của bài toán có thể không trung với nghiệm tối ưu. Vì vậy nghiệm của bi tốn được gọi là lời giải hợp lý chứ khơng phải l lời giải tối ưu. Chất lượng hệ thống được đánh giá bằng hệ thống chỉ tiêu đánh giá dạng F(X(t), Y(t), U(t), Z(t), A) → cực trị v F(a1, a2, , an) → cực trị. 1.2.2. Các bài toán cơ bản về hệ thống trạm bơm và vận dụng kỹ thuật phân tích hệ thống bài toán nghiên cứu 1.2.2.1. Các bài toán cơ bản về hệ thống trạm bơm Khi nghiên cứu hệ thống thủy lợi nói chung và hệ thống trạm bơm nói riêng trong thực tế thường phải giải quyết ba bài toán cơ bản sau: - Thiết kế hệ thống theo chỉ tiêu nào đó về kinh tế và kỹ thuật. - Điều khiển hệ thống để đạt được yêu cầu khai thác đ xác định - Nghiên cứu chiến lược phát triển của hệ thống trong giai đoạn sau Trong bài toán thiết kế hệ thống thường đ xem xt cc phương án điều khiển khi hệ thống đ được thiết lập và giải quyết bài toán thiết kế theo phương án điều khiển đ chọn. Bi tốn phát triển hệ thống là bài toán bắt buộc phải giải quyết khi việc hoàn thành hệ thống trong tương lai kéo dài nhiều năm. Bài toán xác định chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của một công trình trạm bơm trong xây dựng và quản lý khai thc bi tốn thiết kế với nhiều phương án quy mô công trình theo một phương án điều khiển. 1.2.2.2. Vận dụng kỹ thuật phn tích hệ thống vo bi tốn nghin cứu Qua việc phân tích nội dung cũng với ưu nhược điểm của hai phương phá trên và đặc điểm của hệ thốgn trạm bơm là một hệ thống phức tạp cả về cấu trc v quy mơ cơng trình lẫn trạng thi (qu trình quản lý vận hnh) v cc bi tốn cơ bản của hệ thống trạm bơm cho thấy: Để xác định chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật trong xây dựng, quản lý vận hnh trạm bơm hợp lý, p dụng cho mọi trường hợp thiết kế ở bất kỳ địa phương nào, địi hỏi việc nghin cứu phải được tiến hành ở nhiều miền khác nhau với nhiều hệ thống thực tế thì kết quả khĩ lịng hội tụ. Mặt khc sẽ tốn nhiều thời gian v cơng sức. Do đó để khắc phục những khó khăn này có thể áp dụng phương pháp mô hình mơ phỏng bi tốn 37
39. nghin cứu trn cơ sở nghiên cứu cá số liệu thu thập được của các hệ thống trực thuộc trong toàn vùng. Để giảm bớt phức tạp trong quá trình tính tốn, cĩ thể tín hành xây dựng các mô hình mơ phỏng thnh phần của hệ thống như: môhình mơ phỏng cc cơng trình đầu mối (kích thước, kết cấu nhà trạm, bể hút, bể xả), mô hình mơ phỏng khu tưới (diện tích tưới, chiều dài, mặt cắt hệ thống kênh mương và công trình trn knh). Ghp nĩi cc mơ hình thnh phần tương ứng với nhau sẽ nhận được mô hình mơ phỏng của cả hệ thống. Việc ứng dụng phương pháp tối ưu một cách độc lập cho toàn hệ thống có thể không thực hiện được do quá phức tạp về thông số đầu vào. Tuy nhiên, bài toán nghiên cứu có thể thực hiện được và cho kết quả chính xác bằng cách kết hợp các phương pháp tối ưu và phương pháp mô phỏng. Trong bài toán tối ưu, để giảm bớt sự phức tạp trong quá trình m khơng lm thay đổi theo phương án, các giả thiết cụ thể sẽ đưa vào trong quá trình xy dựng bi tốn. 1.2.3 Các phương pháp đánh giá hiệu quả kinh tế trong xây dựng và quản lý cơng trình trạm bơm Cc cơng trình thủy lợi nĩi chung v cơng trình trạm bơm nói riêng, khi thiết kế các dự án quy hoạch, ngoài việc đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật cần phải tiến hành phân tích, đánh giá về mặt kinh tế để chọn lựa được phương án có lợi nhất. Các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả kinh tế theo mục tiêu khai thác được phân tích theo 2 quan điểm tài chính và quan điểm kinh tế. Theo quan điểm tài chính thì bất cứ những gì lm giảm lợi nhuận rịng của một đơn vị nào đó dược gọi là chi phí và làm tăng lợi nhuận gọi là lợi ích. Sự phân tích hiệu quả kinh tế của dự án theo quan điểm tài chính gọi là phân tích về mặt tài chính. Việc phân tích này sẽ xem xét chi phí và lợi ích mà đơn vị hoặc cá nhân nhận được và thanh toán trong quan hệ thị trường. Theo quan điểm kinh tế thì bất cứ những gì lm giảm thu nhập quốc dn được gọi là chi phí và những gì lm tăng thu nhập quốc dân được gọi là lợi ích. Việc phân tích về mặt kinh tế sẽ xét một dự án đầu tư ở một góc độ rộng hơn. Nó giúp ước đoán những lợi ích và chi phí đối với toàn bộ nên kinh tế quốc dân. Nhiệm vụ của việc phân tích kinh tế là phải đánh giá được những lợi ích của dự án có lớn hơn chi phí bỏ ra hay không. Trong các dự án thủy lợi, ngoài các dự án đa mục tiêu mang tính chất trọng điểm quốc gia thì hầu hết l cc dự n độc lập có phạm vi hẹp, mang tính chuyên ngành cao. Đây là các dự án có mục tiêu, nhiệm vụ r rng, địa điểm xây dựng và ranh giới vùng ảnh hưởng được xác định. Sau khi dự án hoàn thành, đưa vào sử dụng thường giao cho các địa phương hoặc các đơn vị trực thuộc ngành quản lý, khai thc theo cơ chế hạch toán độc lập. Cho nên, các dự án thủy lợi thường mang tính địa phương cao. 38
40. Nhìn chung, việc phn tích đánh giá hiệu quả kinh tế theo mục tiêu khai thác của các dự án thủy lợi theo quan điểm tài chính tỏ ra phù hợp hơn. Nó được áp dụng cho rất nhiều các dự án, đ v đang thực hiện cho đến nay. Việc phân tích các dự án được áp dụng theo thông lệ hiện nay trên thế giới có thể phân thành 3 nhóm phương pháp: Nhóm 1: Giá trị tương đương (Equivalent Value). Theo phương pháp này toàn bộ chuỗi dịng tiền tệ của dự n (chi phí v lợi ích) trong suốt thời kỳ phn tích được quy đổi tương đương thành: - Gi trị hiện tại của hiệu số thu chi (Net Present Value – NPV) - Giá trị tương lai của hiệu số thu chi (Net Future Value – NFV) - Hệ số thu chi phân phối đều hàng năm (Net Annual Value – NAV) Một giá trị đó là một độ đo hiệu quả kinh tế của dự án và được dùng cơ sở để các so sanh các phương án. Nhĩm 2: Suất thu lợi (Rates of Return). Mức li suất lm cho gi trị tương đương của phương án bằng không là suất thu lợi nội tại (Internal Rate of Return – IRR) của phương án. Đó là một độ đo hiệu quả hay được dùng nhất hiện nay. Nhĩm 3: Tỷ số lợi ích chi phí (Benefit Cost Ratio – B/C). Đó là tỷ số giữa giá trị tương đương của lợi ích và giá trị tương đương của chi phí. Ba nhóm độ đo hiệu quả đó là tạo thành 3 nhóm phương pháp chính được sử dụng phổ biến nhất hiện nay trong phân tích lựa chọn phương án đầu tư dự án. Ngồi ra, cịn cĩ phương pháp phân tích đánh giá theo các chỉ tiêu so sánh việc đầu tư và phương pháp phân tích đánh giá theo mức chi phí đầu tư đơn vị. 1.2.3.1. Phương pháp phân tích đánh giá dự án theo nhóm các chỉ tiêu giá trị tương đương 1. Gi trị hiện tại của hiệu số thu phí (NPV) Điều kiện đánh giá phương án là: n Bt n Ct H = − + ≥ NPV ∑ t ∑ t t 0 (3.1) t=0 (1 + r) t=0 (1 + r) (1 + r) Trong đó: Bt – Thu nhập ở năm thứ t (bao gồm doanh thu, giá trị thu hồi khi đào thải, vốn lưu động ở cuối dự án) Ct – Chi phí ở năm thứ t (chi phí vận hành không có khấu hao cơ bản) H – Gi trị thu hồi khi hết thc dự n n – Thời gian tính tốn (tuổi thọ của dự n hay thời kỳ tồn tại của dự n) 39
41. r – Suất thu lợi tối thiểu chấp nhận được So sánh lựa chọn phương án, các phương án muốn so sánh phải thỏa mn điều kiện sau: - Cc phương án đều là đáng giá. - Thời gian tính toán của các phương án phải giống nhau (thường lấy bằng tuổi thọ của dự án hoặc lấy bằng bội số chung nhỏ nhất (BSCNN) của các trị số tuổi thọ của các phương án). - Điều kiện phương án tốt nhất là NPV = max. - Từ chỉ tiêu NPV, có thể xác định được thời hạn thu hồi vốn đầu tư theo kiểu động (Chính là trị số n ở các công thức NPV khi NPV = 0). 2. Chỉ tiêu giá trị tương lai của hiệu số thu chi (NFV) Điều kiện bảo đảm đáng giá của phương án là: n n NFV = ∑ Bt(1 + r) n−t − ∑Ct(1 + r) n−t ≥ 0 (3.2) t=0 t=0 So sánh lựa chọn phương án: - Các phương án đem so sánh phải là phương án đáng giá. - Thời gian tính toán của các phương án phải giống nhau (là bội số chung nhỏ nhất của tuổi thọ các phương án, nếu các phương án có tuổi thọ khác nhau). - Điều kiện tối ứu cả các phương án là NFV = max. 4. Chỉ tiêu hiệu số thu chi phân phối đều hàng năm (NAV) Một phương án gọi là đáng giá khi thỏa mn điều kiện sau:  r(1 + r) n  =   ≥ NAV NPV  n  0 (3.3)  (1 + r) −1 Chỉ tiêu NPV được tính theo các công thức đ trình by ở mục 1. So snh lựa chọn phương án, khi so sánh các phương án phải thỏa mn điều kiện sau: - Các phương án đem ra so sánh phải là đáng giá - Thời gian tính toán của các phương án không cần bằng nhau - Phương án tốt nhất là phương án cho hiệu số thu chi phân phối đều hàng năm lớn nhất l NAV = max. Ưu nhược điểm của chỉ tiêu NAV: Ưu nhược điểm của chỉ tiêu NAV cũng giống như chỉ tiêu NPV. Tuy nhiên chỉ tiêu NAV có ưu điểm sau: Khi tính NAV chỉ cần tính cho một chu kỳ hoạt động của từng phương án (bằng tuổi thọ của từng 40
42. phương án mà không cần tíh cho cả thời kỳ phân tích bằng bội số chung nhỏ nhất (BSCNN) của phương án). Chỉ tiêu NAV có thể dùng để xác định thời gian hoàn vốn theo kiểu động và thời gian sử dụng máy tối ưu về kinh tế. 1.2.3.2. Phương pháp phân tích đánh giá dự án theo nhóm chỉ tiu suất thu lợi a. Khi niệm Suất thu lợi nội tại l mức li suất m nếu dng nĩ lm hệ số chiết tính để quy đổi dịng tiền tệ của phương án thì gi trị hiện tại của thu nhập sẽ cn bằng với gi trị hiện tại của chi phí. Suất thu lợi nội tại khơng phải chỉ là suất thu lợi của vốn đầu tư ban đầu mà là suất thu lợi tính theo kết số cịn lại của vốn đầu tư ở các thời đoạn (trong đó vốn đầu tư ban đầu cũng có thể coi là một kết số). b. Phương pháp xác định chỉ tiêu IRR và tính đánh giá của các phương án Chỉ tiu thu lợi nội tại (IRR) là một loại suất thu lợi đặc biệt ở trong các công thức tính toán chỉ tiêu NPV sao cho NPV = 0. Để tính toán suất thu lợi nội tại (IRR) có thể thực hiện như sau:  NPVa  = +  −  IRR IRRa (IRRb IRRa)x  (3.4)  NPVa + NPVb  Trong đó: IRRa là một giá trị IRR nào đó để sao cho NPVa > 0. IRRb là một giá trị IRR nào đó sao cho NPVb r. c. So sánh lựa chon các phương án Các phương án đem so sánh phải thỏa mn điều kiện: - Thời kỳ tính toán của các phương án phải quy về giống nhau. - Các phương án so sánh theo chỉ tiêu IRR thường xảy ra hai trường hợp: Trường hợp 1: Khi hai phương án có vốn đầu tư như nhau thì phải lựa chọn phương án nào có chỉ tiêu IRR lớn hơn là tốt nhất . Trường hợp 2: Khi hai phương án có vồn đầu tư khác nhau thì phải lựa chọn phương án theo hiệu quả gia số đầu tư, trong hai trường hợp xảy ra: 41
43. - Nếu hiệu quả của gia số đầu tư thông qua chỉ tiêu IRR() ≥ r thì chọn phương án có vốn đầu tư lớn hơn. - Nếu IRR() r. Phương pháp xác định chỉ tiêu IRR() cũng giống như phương pháp xác định IRR, nhưng dịng tiền tệ l hiệu số giữa dịng tiền tệ phương án có vốn đầu tư lớn hơn và dịng tiền tệ cĩ vốn đầu tư nhỏ hơn. 1.2.3.3. Phương pháp phân tích đánh giá dự án theo tỷ số lợi ích chi phí Điều kiện đáng giá của phương án: Một phương án được gọi là đáng giá khi tỷ số lợi ích chi phí lớn hơn hoặc bằng 1 (B/C ≥ 1) So sánh lựa chọn phương án, lựa chọn phương án theo chỉ tiêu B/C cần có các điều kiện sau: - Các phương án so sánh phải có cùng một thời gian tính toán hoặc quy về cùng một thời gian tính toán. - Khi hai phương án có vốn đầu tư khác nhau thì phương án nào có chỉ tiêu B/C lớn nhất là tốt nhất. - Khi hai phương án có vốn đầu tư bằng nhau thì phải so snh theo chỉ tiu hiệu quả của gia số đầu tư B/C () như sau: Chỉ so sánh phương án có vốn đầu tư lớn hơn so với phương án có vốn đầu tư nhỏ hơn khi phương án có vốn đầu tư nhỏ hơn là đáng giá (B/C ≥ 1). Nếu hiệu quả của gia số đầu tư B/C() ≥ 1 thì chọn phương án có vốn đầu tư lớn hơn, nếu ngược lại thì chọn phương án có vốn đầu tư nhỏ hơn. Phương án được chọn theo chỉ tiêu hiệu quả của gia số đầu tư lợi ích chi phí chưa chắc đ cĩ trị số B/C = max, nhưng chỉ tiêu NPV phải lớn nhất, cịn chỉ tiu B/C phải ≥ 1. Ưu nhược điểm của phương pháp phân tích đánh giá chỉ tiêu B/C tự như chỉ tiêu NPV. Tuy vậy chỉ tiêu này ít được sử dụng hơn ở trong thực tế bởi vì đây không phải là chỉ tiêu xuất phát để tính các chỉ tiêu khác, chỉ là chỉ tiêu cho điều kiện cần và không phải là chỉ tiêu để chọn phương án. 1.2.3.4 Phương pháp phân tích đánh giá dự án bơm nước theo mức chi phí đầu tư đơn vị Phương pháp phân tích đánh giá theo mức chi phí đầu tư đơn vị được áp dụng cho việc lựa chọn phương án của các dự án. Tưới tiêu bằng bơm, phương pháp này chỉ thực hiện khi đ xc định được mục tiêu, nhiệm vụ của dự án. Nói một cách khác nhiệm 42
44. vụ và lợi ích của dự án là không thay đổi theo các phương án công trình. Đây là bài toán xác định mức chi phí đầu tư đơn vị là mức chi phí quản lý vận hnh cho một tấn mt nước bơm lên (CE). En C En = (đ/T.m) (3.5) W n .H n Trong đó: CEn - Chi phí đầu tư đơn vị của phương án thứ n En – Tổng chi phí của phương án thứ n Wn - Tổng lượng nước bơm lên của phương án thứ n Hn – Cột nước bơm b́nh quân của phương án thứ n Tiêu chuẩn lựa chọn phương án là CE = Min(CE1, CE2, CE3, , CEn) Ưu điểm đặc biệt của chỉ tiêu này là có thể so sánh được giữa các trạm bơm có các cột nước bơm khác nhau. 1.2.3.5 Lựa chọn phương án phân tích đánh giá kinh tế để vận dụng cho bài toán nghiên cứu Các phương pháp phân tích kinh tế dựa vào chỉ tiêu NPV, IRR, B/C thương áp dụng cho các dự án cụ thể, có tính đến cả chi phí và lợi ích. Việc phân tích NPV. IRR, B/C chỉ cần thiết khi xét đến nhiều phương án đầu tư, chi phí mà các phương án đầu tư khác nhau sẽ dẫn đến sự khác nhau hoặc độc lập nhau về lợi ích. Trong bài toán nghiên cứu, lợi ích của phương án giả thiết là không đổi, chỉ có sự khác nhau về chi phí xây dựng và quản lý vận hnh. Bi tốn nghin cứu cc chỉ tiu kinh tế kỹ thuật trong xy dựng, quản lý, khai thc trạm bơm là bài toán có tính tổng hợp, không nghiên cứu cho một dự án nào cụ thể. Nó được tính toán dựa trên cơ sở tổng hợp từ thực tiễn nhằm đưa ra một số liệu để kiến nghị về việc lựa chọn loại máy bơm đảm bảo thỏa mn nhu cầu cấp nước của trạm bơm với hiệu quả kinh tế cao nhất. Muốn vậy, phải so sánh kinh tế kỹ thuật các phương án số máy bơm theo chi phí xây dựng cơ bản cũng như chi phí quản lý vận hnh m tìm ra loại my bơm có chỉ tiêu kỹ thuật tốt nhất trong cùng một điều kiện cột nước Thực chất đây cũng là phương pháp phân tính toán kinh tế trong thiết kế trạm bơm khi đ cĩ một vi phương án số máy bơm, để chọn phương án tốt nhất. Căn cứ vào yêu cầu của bài toán nghiên cứu kết hợp với việc phân tích ưu nhược điểm, khả năng áp dụng của các phương pháp phân tích kinh tế đ nu trn, đề tài đ sử dụng phương pháp phân tích đánh giá theo mức chi phí quản lý vận hành đơn vị (CE) để giải bài toán tối ưu lựa chọn quy mô và laọi hình my bơm phục vụ tưới, tiêu ở Đồng bằng sông Cửu Long. 43
45. II. XY DỰNG HM MỤC TIU 2.1. Hm mục tiu Bài toán tối ưu ở đây là bài toán quy hoạch, xác định quy mô tối ưu và loại máy bơm phù hợp để tưới tiêu cho vùng ĐBSCL, dùng chỉ số quản lý đơn vị CE. Áp dụng phương pháp tối ưu hóa trong phân tích hệ thống, hàm mục tiêu được xác định như sau:   E1 E2 En  P , , ,   W1 H1 W2 H 2 Wn H n   H1 = H 2 = H 3 = = H n → Min   C C C  P , , ,       ω1η1 ω2η 2 ωnη n  Trong đó: E i - Mức chi phí đơn vị của phương án số máy bơm thứ i (đ/T.m) Wi H i C i - Chi phí đầu tư cho một đơn vị ha đất (đ/ha) ωiη i i – Phương án số máy bơm thứ i Hi - Cột nước bơm yêu cầu của phương án thứ i (m) 3 Wi – Tổng lượng nước bơm kên của phương án thứ i (m ) WiHi – Tổng lượng nước nhân với cột nước của phương án thứ i. 2.2. Điều kiện ràng buộc Chỉ số CE phụ thuộc nhiều điều kiện hồi quy đến chi phí xây dựng và quản lý. Để tiến hành giải bài toán, ta hạn chế một số điều kiện ràng buộc sau: Thời vụ, cơ cấu và năng suất cây trồng không đổi theo các phương án. Nghiên cứu cho trạm bơm với các cấp cột nước đ định, được xác định tổng quan từ thực tế ở ĐBSCL, và quy mô thay đổi trong phạm vi xác định. Với điều kiện ràng buộc là máy bơm luôn hoạt động nằm trong phạm vi hiệu suất cao (η = 65÷85%). 2.3 Phương pháp giải Loại máy bơm, số máy bơm lắp đặt trong trạm bơm quyết đinh đến quy mô công trình đầu mối gồm có hình thức kết cấu, kích thước nhà trạm, bể hút, bể xả. Diện 44
46. tích, hình dạng v cc điều kiện địa hình của khu tưới quyết định đến quy mô của hệ thống kênh mương bao gồm chiều dài, kích thước mặt cắt kênh chính, kênh nhánh và các công trình trn knh. Tổng chi phí quản lý vận hnh hng năm được tính theo công thức 3.6 C = A + pK (3.6) Trong đó: K – Tổng chi phí đầu tư xây dựng công trình trạm bơm, bao gồm công trình đầu mối trạm bơm, hệ thống kênh mương và các công trình trn knh (đ), được tính theo công thức (3.7). A – Chi phí quản lý vận hnh cơng trình trực tiếp hng năm, bao gồm chi phí điện năng, chi phí bảo dưỡng và sửa chữa thường xuyên, chi phí tiền lương và các chi phí khác (đ). P – Tỷ lệ phần trăm trích để khấu hao hoàn vốn và sửa chữa lớn (%). Mức khấu hao này là do nhà nước quy định, và luôn được sửa đổi theo hướng tính đúng, tính đủ chi phí khấu hao tài sản cố định vào chi phí kinh doanh, tạo điều kiện thay thế, đổi mới máy móc thiết bị theo hướng áp dụng công nghệ tiên tiến, kỹ thuật hiện đại trong điều kiện nền kinh tế thị trường. Trong báo cáo này, áp dụng Quy định về quản lý sử dụng v trích khấu hao ti sản cố định theo Quyết định số 206/2003/QĐ-BTC ngày 12-12-2003 của Bộ Tài chính, để tính toán thành phần chi phí khấu hao tài sản cố định của các trạm bơm. 2.3.1. Tính toán chi phí đầu tư xây dựng công trình trạm bơm (K) Tổng chi phí đầu tư xây dựng công trình trạm bơm được xác định theo công thức: K = Kđm + Kkm (3.7) Trong đó: K – Tổng chi phí đầu tư xây dựng công trình trạm bơm (đ) Kđm – Chi phí xy dựng cơng trình đầu mối trạm bơm (đ) Kkm – Chi phí xy dựng hệ thống knh v cc cơng trình trn knh (đ) Kđm được tính theo phương pháp tính dự toán các công trình xy dựng cơ bản, sau khi đ cĩ bảng thống k cc hạng mục khối lượng. Tuy nhiên, trong tính toán chỉ thống kê được các phần khối lượng xây đúc chính, các hạng mục khối lượng khác bên ngoài nhà trạm (trạm máy biến áp, cống, hàng rào bảo vệ ) không tính đến, trong dự toán sẽ được đưa vào thêm sau khi có chi phí tính toán dự toán công trình (Ktt), gọi l cc chi phí ngồi trạm (Kngồi ntr). 45
47. Theo kết quả thực tế thì Kngồi ntr = (10÷12)%Ktt, trong tính tốn lấy 12%. Kđm = Ktt + Kngồi ntr = 1,12Ktt (3.8) Khi tính dự tốn cơng trình để xác định Ktt ta thường tính tách riêng phần chi phí xây lắp và chi phí thiết bị. Thiết bị bao gồm máy bơm, động cơ, các chi phí xây lắp và các chi phí thiết bị điện trong nhà trạm. Do thời gian hạn chế và các trường hợp tính toán nghiên cứu lại nhiều nên việc thống kê chi tiết, đầy đủ các thiết bị là rất khó khăn, để giảm bớt sự phức tạp trong trính toán mà không ảnh hưởng đến kết quả nghiên cứu, trong báo cáo phần chi phí thiết bị điện thì dựa vo chi phí thiết bị chính theo một tỷ lệ chọn từ thực tế cc cơng trình đ xy dựng 15%. Chi phí xây dựng hệ thống kênh mương bao gồm chi phí xây dựng kênh chính (gọi là KKC), knh nhnh v cc cơng trình trn knh (KKN+CT) Kkm = KKC + KKN+CT (3.9) Trong thực tế lập dự tốn, quyết tốn cc cơng trình trạm bơm đ xy dựng, chi phí xy dựng cc knh nhnh v cc cơng trình trn knh thường bằng 35% chi phí xây dựng kênh chính. Do vậy, trong báo cáo chi phí xây dựng kênh nhánh và các công trình trn knh cĩ thể lấy theo tỷ lệ phần trăm đ được nêu trên. Kkm = KKC + KKN+CT = 1,35 KKC (3.10) Vậy tổng chi phí xây dựng hệ thống được tính là: K = Kđm + Kkm = 1,12Ktt + 1,35 KKC (3.11) 2.3.2. Chi phí quản lý vận hnh cơng trình trực tiếp hng năm (A) Chi phí quản lý vận hnh cơng trình trực tiếp hng năm bao gồm chi phí điện năng, chi phí bảo dưỡng và sửa chữa thường xuyên, chi phí tiền lương và chi phí khác. Chi phí quản lý vận hnh cơng trình trực tiếp hng năm được tính theo công thức: A = Cđiện + Cbd + Clg + Ckhc (3.12) Trong đó: Cđiện – Chi phí điện năng (đ) Cbd – Chi phí bảo dưỡng và sửa chữa thường xuyên (đ) Clg – Chi phí tiền lương của công nhân vận hành và cán bộ quản lư trạm bơm (đ) Ckhc – Chi phí khc trong qu trình hoạt động của trạm bơm (đ) a. Chi phí điện năng (Cđiện) Chi phí điện năng của trạm bơm được xác định theo công thức: 46
48. Qb H bt Cdien = γ a (3.13) η tr.b Trong đó: – Trọng lượng riêng của nước, = 9,81 KN/m3 a – Đơn giá điện năng, tùy theo từng vùng, ở đây lấy a = 800đ/KWh Hb – Cột nước bơm (m) 3 Qb – Lưu lượng bơm (m /s) được tính theo công thức: Qb = nQ n – Số lượng máy bơm trong trạm Q – Lưu lượng của một máy bơm (m3/s) ηtr.b – Hiệu suất trạm bơm ηtr.b = ηdηbηtηml ηd – Hiệu suất của động cơ, ηd = 0,9 ηml – Hiệu suất mạng lưới, ηml = 0,9 ηb – Hiệu suất máy bơm, tra trên đường đặc tính của máy bơm với các điểm tính toán. ηt – Hiệu suất truyền động, ứng với trường hợp máy bơm và động cơ nối cùng trục ηt = 1. T – thời gian chạy máy (giờ). Dựa vào tài liệu tổng kết từ thực tế và kết hợp với kinh nghiệm cho thấy đối với máy bơm ở trạm bơm tưới thời gian làm việc trong một năm từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau và cũng có thể phải bơm nước để chống hạn vào tháng 6 đến tháng 7. Do vậy ở đây chọn t = 3.240 giờ trong một năm để tính cho các phương án.( Với trạm bơm tiêu sẽ có tính cụ thể theo thực tế) Công thức tính chi phí điện năng có thể viết lại như sau: nQH bt Cdien = 9,81 a (3.14) 0,81η b b. Chi phí bảo dưỡng và sửa chữa thường xuyên (Cbd) Chi phí bảo dưỡng và sửa chữa thường xuyên bao gồm chi phí bảo dưỡng các hạng mục xây lắp và chi phí bảo dưỡng máy móc thiết bị. Theo Quyết định số 211/1998/QĐ-BNN-QLN ngày 19/12/1998 của Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, đối với trạm bơm các chi phí này được tính cho hai bộ phận: Chi phí bảo dưỡng các hạng mục xây lắp: Lấy bằng 1,5% chi phí xây lắp 47
49. Chi phí bảo dưỡng, sửa chữa máy móc thiết bị: lấy bằng 4% chi phí thiết bị. Cbd = 1,5% Kxl + 4% Ktb (3.15) c. Chi phí tiền lương cho cán bộ, công nhân viên vận hành trạm bơm (Clg) Đến nay ở ĐBSCL chưa có quy định nào về tính toán số lượng cán bộ, công nhân vận hành trạm bơm. Trong báo cáo này sử dụng cách tính số lượng cán bộ công nhân theo từng loại trạm bơm theo kinh nghiệm vùng đồng bằng Bắc bộ. Clg = socn.lg.sothg (3.16) d. Chi phí khc (Ckhc) Trong qu trình quản lý vận hnh cc trạm bơm ngoài chi phí điện năng, chi phí bảo dưỡng và sửa chữa thường xuyên cịn cĩ một số chi phí cho quản lý chung (văn phịng phẩm, hội họp, ) gọi l chi phí khc (Ckhc). Theo quy định, mức chi phí này bằng 10% của chi phí vận hành năm, nghĩa là: Ckhc = 0,1A (3.17) Thay Ckhc = 0,1A vào công thức (3.12) thu được: A = Cđiện + Cbd + Clg + 0,1A (3.18) Vậy, chi phí quản lý vận hnh cơng trình trực tiếp hng năm là: C + C + C A = dien bd jg (3.19) 0,9 2.3.3 Tổng chi phí quản lý vận hnh cơng trình trong suốt qu trình hoạt động công trình quy về năm đầu tiên (E) Tổng chi phí quản lý vận hnh cơng trình trong suốt qu trình hoạt động công trình quy về năm đầu tiên được tính theo công thức: (1 + i)T −1 E = C (3.20) i(1 + i)T Trong đó: C – Tổng chi phí quản lý vận hnh hng năm được tính theo công thức (3.6) T – thời gian hoạt động của công trình, thời gian hoạt động của công trình ty thuộc vo từng loại cơng trình trạm bơm, loại trạm bơm có kết cấu càng kiên cố tuổi thọ càng lớn. Trong đề tài áp dụng Quyết định số 206/2003/QĐ-BTC ngày 12/12/2003 của Bộ Tài Chính. i – Mức li suất tính tốn, p dụng mức li suất cho php của cc dự n hiện nay l i=10%. 48
50. Kết luận Hệ thống trạm bơm tưới bao gồm 3 bộ phận: Nguồn nước, các công trình trạm, hệ thống đường kênh và các công trình trn knh. Cơ sở khoa học đánh giá quy mô công trình v loại hình my bơm gồm nhiều phương pháp, dùng các chỉ tiêu khác nhau. Dựa vào điểu kiện cụ thể của ĐBSCL, chọn chỉ tiêu về giá thành chi phí cho một tấn mét nước bơm lên làm chỉ tiêu đánh giá chọn phương án (CE). Chỉ tiu CE là một chỉ tiêu kinh tế có thể bao trùm tất cả các yếu tố có liên quan đến chi phí xy dựng v quản lý vận hnh cơng trình, chi phí quản lý vận hnh hng năm trong suốt quá trình hoạt động công trình được quy về năm đầu tiên, nó phản ánh được các yếu tố kinh tế và có thể đánh giá được công tác quản lý vận hnh cơng trình trạm bơm một cách đầy đủ hơn. 49
51. III. TÍNH TỐN CHO CƠNG TRÌNH TRẠM BƠM TƯỚI TIÊU Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG I.Tiu chuẩn v ti liệu tính tốn 1.1. Tiu chuẩn tính tốn Thời gian hoạt động của các công trình tưới bằng động lực dùng theo quyết định số 206/2003/QĐ-BTC ngy 12/12/2003 của Bộ Ti Chính. Mức đảm bảo của công trình thủy lợi phục vụ tưới và các hệ số có liên qua đến cấp công trình, lấy theo tiu chuẩn TCXDVN 285-2002. Quyết định số 211/1998/QĐ-BNN/TCCB, ngày 19/12/1998 về chế độ sử dụng chi phí cho sửa chữa thường xuyên tài sản cố định của Doanh nghiệp khai thác thủy lợi. Tính toán và đánh giá hiệu quả kinh tế dự án thủy lợi phục vụ tưới tiêu, theo Tiêu chuẩn ngành 14TCN 112-2006, Hà Nội. Dựa vào Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 4118-85 để tính toán các thông số kỹ thuật hệ thống kênh mương. 1.2. Ti liệu tính tốn Muốn tìm dược mô hình mơ phỏng hệ thống st với thực tế, trong qu trình xy dựng mơ hình mơ phỏng đ dựa vo cc ti liệu quy hoạch, thiết kế của cc hệ thống cơng trình đ được xây dựng. Sau đó kết hợp với việc tính tốn kiểm chứng qua cc ti liệu quản lý vận hnh trong thực tế để hiệu chỉnh các thông số sao cho hợp lý nhất. Các ti liệu tính tốn gồm cĩ: - Bản đồ quy hoạch hệ thống tưới, bản thuyết minh tính toán, các bản vẽ kỹ thuật và tổng dự toán của cơng trình đầu mối và hệ thống kênh mương, - Ti liệu tổng kết cc thơng số về quản lý vận hnh bao gồm số giờ chạy my, năng lượng tiêu thụ, quá trình bảo dưỡng và sửa chữa. - Các thông số kỹ thuật về khu tưới gồm có hình dạng v quy mơ diện tích tưới, chiều dài, kích thước mặt cắt kênh và các công trình trn knh. - Các tài liệu về điều kiện khí hậu, khí tượng thủy văn sông ngịi v nguồn nước. Các tài liệu về mùa vụ và cơ cấu cây trồng trong hệ thống. II. MƠ HÌNH MƠ PHỎNG CƠNG TRÌNH TRẠM BƠM 2.1. Mơ hình mơ phỏng cơng trình đầu mối Nhìn chung, cc cơng trình đầu mối trạm bơm bao gồm các công trình: Cơng trình lấy nước từ nguồn, công trình dẫn nước, bể tập trung nước, nhà trạm, các ống đẩy và bể xả. Nhưng thực tế cũng không nhất thiết phải có tất cả các hạng mục cơng trình 50
52. kể trn nn dựa vo điều kiện địa hình cụ thể để bố trí các loại công trình cho hợp lý. Đối với công trình trạm đ được xây dựng ở ĐBSCL đa số là các công tŕnh nhỏ lấy nước trực tiếp từ sông cho nên công trình lấy nước và dẫn nước ít khi nhìn thấy. Với một loại máy bơm nhất định, khi thay đổi số lượng máy bơm, quy mô công trình sẽ thay đổi, dẫn đến tổng chi phí xây dựng công trình thay đổi theo. Khi tăng số lượng máy bơm, chi phí xây dựng các hạng mục công trình sẽ tăng và ngược lại. Phần lớn l chi phí của phần xy lắp cơng trình trạm v phần thiết bị, bể ht v bể xả tăng học giảm nhiều, cịn chi phí xy dựng cc hạng mục cơng trình lấy nước và công trình dẫn nước thường thay đổi không đáng kể. Vì vậy, khi xy dựng mơ hình để so sánh với các hạng mục cơng trình như bể hút, nhà trạm và bể xả sẽ được mô hình mơ phỏng trong thiết kế sao cho cc phương án số máy bơm khác nhau. Để chọn các thông số kỹ thuật cho thiết kế mô hình mơ phỏng, nn dựa vo hình dạng v kích thước của các công trình thực đ được xây dựng, nhưng trong thực tế các thông số của các công trình đó không phải tất cả là hợp lý, cĩ thể do yếu tố khch quan v chủ quan cũng như quan điểm của người thiết kế. Do đó cần phải tính toán lại thông số kỹ thuật cho mô hình thiết kế mẫu trạm bơm theo các phương án thay đổi số lượng máy bơm. 2.2. Tính tốn cc thơng số kỹ thuật của cơng trình đầu mối mô hình Với cơng trình trạm bơm mô hình mẫu, cc thơng số kỹ thuật cần tính l cc thơng số về quy mơ kích thước công trình, cch tính cũng dựa trên cơ sở tính toán thiết kế sơ bộ trạm bơm tưới và được tiến hành theo các bước sau: 2.2.1. Tính toán lưu lượng bơm toàn trạm Trong cơng trình trạm thực tế, việc xc định lưu lượng bơm toàn trạm được tính dựa vào biểu đồ lưu lượng yêu cầu xác định từ hệ số tưới, diện tích tưới và chỉ tiêu dùng nước khác. Thông thường, lưu lương thiết kế của toàn trạm có thể chọn với lưu lượng lớn nhất xuất hiện với thời gian tương đối dài (t ≥ 20 ngày), với trường hợp này lưu lượng thiết kế toàn trạm được tính theo công thức: q max F Qtram = (4.1) η ht Trong đó: F - Diện tích tưới (ha) qmax – Hệ số tưới (l/s.ha) ηht – Hệ số lợi dụng hệ thống Ở đây, với công trình trạm bơm mô hình cĩ thể tính lưu lượng toàn trạm từ lưu lượng bơm của một máy và số lượng bmáy bơm đạt trong trạm. Mỗi một loại máy 51
53. bơm đ được chọn, sẽ biết được lưu lượng có thể lấy bơm được của tổ máy đó, thay đổi số lượng máy bơm (n) để tính lưu lượng toàn trạm (Qtrạm). Lưu lượng bơm toàn trạm được tính theo công thức: Qtrạm = n.Q (4.2) Trong đó: Q – Lưu lượng bơm của máy bơm (m3/h) n – Số máy bơm lắp đặt trong trạm Cho số lượng máy bơm (n) thay đổi sẽ có các trường hợp tính toán nghiên cứu. Qua thực tế kinh nghiệm và những kết quả nghiên cứu khoa học đ được công bố thì số lượng máy bơm hợp lý trong trạm là từ 2 đến 10 máy. Dựa vào tài liệ về số máy bơm được lắp đặt và sử dụng ở ĐBSCL là từ 2 đến 8 tổ máy. Để sát với thực tế của ĐBSCL với diện tích cần tưới không lớn lắm và số lượng máy bơm nằm trong phạm vi số lượng máy bơm hợp lý kinh nghiệm nêu trên, trong báo cáo này, số máy bơm chọn để tính toán là từ 2 đến 8 máy (n=2÷8) 2.2.2. Tính tốn cc thơng số kỹ thuật của trạm, bể ht, bể xả Ty theo mơ hình đại diện cho các mục tiêu phục vụ khác nhau: tướ, tiêu úng, xổ phèn nuôi trồng thủy sản mà cĩ cc số liệu mơ phỏng tính tốn khc nhau. 2.3. Mơ hình hệ thống knh mương Để tính toán các chỉ tiêu kinh tế đầu tư xây dựng cho hệ thống kênh mương và các công trình trn knh, phải xy dựng được mô hình cho tồn khu tưới. Nhưng trong thực tế khi xét cả hệ thống thì rất phức tạp vì cĩ rất nhiều dạng, số lượng, chiều dài, kích thước mặt cắt các kênh nhánh và công trình trn knh. Qua nghin cứu ti liệu cc hệ thống cơng trình trạm bơm đ xy dựng ở ĐBSCL, thấy rằng với các khu vực có diện tích gần bằng nhau v hình dạng gần giống nhau thì tổng chiều di của knh chính, knh nhnh v số lượng các công trình trn knh cũng gần tương đương nhau. Trong thiết kế quy hoạch thực tế các công trình trạm bơm tưới thường bố trí trên một kênh chính lấy nước từ đầu mối trạm bơm và cung cấp nước cho các kênh nhánh qua các cống lấy nước đầu kênh nhánh. Với điều kiện về khí hậu, khí tượng thủy văn và tập quán canh tác cây trồng gần giống nhau, các khu tưới có diện tích gần bằng nhau thì tổng lượng nước yêu cầu trong năm cũng tương đương nhau. Quan hệ giữa diện tích tưới, chiều dài kênh và lưu lượng tưới tăng hoặc giảm tỷ lệ với nhau. Các điều kiện về khí hậu khí tượng thủy văn, địa hình v cơ cấu cây trồng càng gần giống nhau thì tỉ lệ tăng giảm gần bằng nhau. Để chọn được cc thơng số kỹ thuật cho thiết k mơ hình mơ phỏng hệ thống knh mương sát với thực tế, cần dựa vào hình dạng, diện tích v lượng nước yêu cầu của các 52
54. khu tưới đ được xây dựng và lấy chiều dài kênh tăng giảm tỷ lệ với lưu lượng toàn trạm trong các phương án thay đổi số máy bơm. Trong báo cáo này, tiến hành xây dựng mô hình mơ phỏng cc knh chính, cịn hệ thống knh nhnh cc cấp thì lấy theo tỷ lệ phần trăm mức chi phí xây dựng cho kênh chính, tỷ lệ đó được xác định dựa trên các hệ thống thực tế đ xy dựng ở ĐBSCL. III. LẬP CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN CHỈ TIU RW NHỎ NHẤT (min RW) Để chính xác hóa và tính toán được nhanh, ở đây đưa ra chương trình my tính để tính toán trị số nhỏ nhất của chi phí cho một tấn mét nước bơm lên cho một loại máy bơm. 3.1. Sơ đồ khối tính toán Sơ đồ khối tính toán trị số RW nhỏ nhất cho trạm bơm lắp một loại máy bơm được minh họa ở h́nh dưới. 3.2. Thuật tốn giải Để tính toán trị số minRW cho một loại máy bơm qua các bước sau: 3.2.1. Nhập số liệu Các thông số về loại máy bơm, lưu lượng bơm, cột nước bơm và hiệu suất bơm của các điểm tính toán (m) trên đường đặc tính máy bơm: Qb(m), Hb(m), ηb(m). Các số liệu về thời gian bơm nước (tg), đơn giá điện năng (a), thời gian hoạt động công trình trạm bơm (t), li suất nội tại (i), tỷ lệ phần trăm khấu hao chi phí xây dựng (p), giá thành một tổ máy bơm (Kmb), số tháng làm việc của trạm bơm (sothg) và tiền lương công nhân (lg). Các số liệu về chi phí xây dựng theo số lượng máy bơm: Chi phí xây dựng phần xây lắp (Kxl(n)) v chi phí xy dựng phần kênh mương (Kkm(n)). 3.2.2. Các bước tính toán Theo các điểm tính toán trên đường đặc tính bơm m = 1, 2, , 6 Theo số lượng máy bơm thay đổi n = 2, 3, , 8 Nội dung chương trình tính tốn viết theo ngơn ngữ Visual Studio. 53
55. Cc số liệu khơng thay đổi: tg, a, t, ii, p, Kmb, sothg, lg Các thông số kỹ thuật mb Các chi phí XD Nhập số liệu theo các điểm làm việc: theo số lượng mb Qb(m), Hb(m), hsb(m) (n): Kxl(n), Kkm(n) m=1, 2, , 6 n=2, 3, ., 8 n<=5 Scon=2 Scon=3 Cđ(m,n) =f(n, Qb(m), Hb(m), Cbd(n) = f(n, Kxl(n), Clg=f(lg, socn, sothg) hsb(m), t, a) Kmb) K(n)=f(Kxl(n), Kkm(n), Kmb, n) A(m,n)=f(Cđ(m,n), Cbd(n), Clg(n)) C(m, n)=f(p, K(n), A(m,n)) E(m,n)=f(C(m,n), T, ii) RW(m,n)=f(E(m,n), t, n, Qb(m), Hb(m Min(RW)=RW(1, 2 RW(m,n)<min(R Min(RW)=RW(m,n) Min(RW)=RW(1,2 ) Min (RW) Hình 3: Sơ đồ tính toán chi phí nhất cho một ha đầu tư RW 2.5. HỆ THỐNG CÁC QUAN ĐIỂM V NGUYN LÝ TIẾP CẬN HỆ THỐNG 54
56. 2.5.1. Hệ thống các quan điểm (1) Lý thuyết phn tích hệ thống coi trọng tính tổng thể, đây chính là quan điểm hệ thống, thể hiện tính biện chứng trong nghin cứu hệ thống. Xuất pht từ quan điểm hệ thống, khi nghin cứu một hệ thống cần xem xt cc quy luật của hệ thống trong mối quan hệ tương tác giữa cc thnh phần cấu thnh hệ thống v quan hệ của hệ thống với môi trường tác động ln nó. Quan điểm đó phải được lượng hĩa bằng cc mơ hình tốn học mơ tả cc qu trình của hệ thống. Động thi v xu thế pht triển của hệ thống được xác định nhờ cc mơ phỏng, và qua đó có thể pht hiện các tác động hợp lý ln hệ thống. Sự phn tích hệ thống trong mối quan hệ tương tác giữa cc qu trình trong hệ thống sẽ pht hiện tính “trồi”, m nĩ khơng nhận biết được nếu chỉ phn tích cc qu trình ring rẽ của hệ thống. (2) Lý thuyết phn tích hệ thống thừa nhận tính bất định của hệ thống, bao gồm bất định về mục tiu, bất định về sự trao đổi thơng tin trong hệ thống, sự hiểu biết không đầy đủ của người nghin cứu về hệ thống v bất động do sự tác động ngẫu nhin từ bn ngồi. 55
57. (3) Với cc hệ thống lớn, tồn tại nhiều mối quan hệ phức tạp liên quan đến nhiều lĩnh vực khc nhau. Bởi vậy, LTPTHT tơn trọng v thừa nhận tính lin ngnh. Khi nghin cứu cc hệ thống phức tạp như vậy, cần thiết cĩ sự tham gia của nhiều ngnh khoa học. Trong qu trình nhận nghiệm phải xem xét đến quyền lợi của những đối tượng khc nhau v quan hệ qua lại giữa chng trong hệ thống. Nếu cc quyết định chỉ vì quyền lợi cục bộ thì trong qu trình pht triển của hệ thống, cc quy luật được thiết lập đối với hệ thống sẽ bị ph vỡ. (4) Thừa nhận tính bất định, LTPTHT ch trọng sự kết hợp giữa phương pháp hình thức và phương pháp phi hình thức, kết hợp giữa phn tích tốn học v kinh nghiệm v tơn trọng vai trị của tập thể trong nghin cứu. 2.5.2. Nguyn lý tiếp cận hệ thống Đối với những hệ thống phức tạp do sự tồn tại cc yếu tố bất định trong hệ thống, người nghin cứu khơng thể ngay một lc pht hiện hết được những tính chất của hệ thống, cũng khơng thể dự báo ngay được xu thế pht triển của hệ thống. Do đó, các mục tiu khai thc hệ thống cũng chỉ hình thnh r nt sau khi thử phản ứng của hệ thống bằng cc kỹ thuật phn tích hợp lý. Mơ hình mơ phỏng đóng vai trị đặc biệt quan trọng trong qu trình tiếp cận hệ thống. Trn hình vẽ trình by sơ đồ tổng qut của qu trình tiếp cận hệ thống bằng cch sử dụng mơ hình mơ phỏng. Qu trình tiếp cận hệ thống theo sơ đồ ny l qu trình tìm lời giải của hệ thống trên cơ sở lin tiếp lm r mục tiu của khai thc hệ thống, v xem xt sự cần thiết bổ sung thơng tin về hệ thống. Câu hỏi thảo luận: Anh (chị) hãy lập ra một bài toán ví dụ ngoài các bài toán đã nêu ra ở trên. 56
58. CHƯƠNG III XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ THIẾT KẾ 3.1. MỞ ĐẦU Các trạm bơm được xây dựng với các mục đích khác nhau và với những điều kiện khác nhau thì việc xác định các thông số tối ưu để dùng cho thiết kế và quản lý sẽ khác nhau. Có thể kể đến các loại trạm bơm sau đây : 1. Trạm bơm tưới áp lực thấp: sử dụng thích hợp cho điều kiện các vùng đồng bằng, các vùng đồi thấp. Trạm bơm cung cấp nước cho một hệ thống các kênh dẫn nước tự chảy vào các ô ruộng. 2. Trạm bơm tưới áp lực cao: Dùng để tưới cho các cây trồng cạn ở vùng đồi núi, các vùng chuyên canh. Mạng dẫn nước tưới là hệ thống ống dẫn có áp. 3. Trạm bơm tiêu nước mặt cho các vùng đồng bằng. 4. Trạm bơm tiêu nước ngầm dùng cho việc cải tạo đất phèn mặn hoặc cho các vùng đồi. Các trạm bơm trên đều được xây dựng trong các điều kiện khác nhau về nguồn nước, về các đối tượng dùng nước, về các yếu tố địa hình địa thế và các yếu tố tự nhiên khác nhau. Các thông số thiết kế chủ yếu của trạm bơm bao gồm: - Lưu lượng (Q) - Cột nước (H) - Mực nước (Z) Các thông số này đều cần được xác định trong các trường hợp thiết kế và trường hợp kiểm tra. Cc ti liệu cơ bản cần trong qu trình thiết kế kỹ thuật trạm bơm gồm: Cc thơng số cơ bản : H , H , H , Q , Q , Q tk max min tk max min • Biểu đồ cung cấp nước bình thường theo thời gian Q~t • Cc ti liệu về nguồn nước :  Lưu lượng theo thời gian  Mực nước theo thời gian  Lượng hạt lơ lửng theo mùa trong năm 57
59.  Các điều kiện quản lý khai thc như: có phải cung cấp lượng nước tăng cường khơng, trạm bơm có ngừng hoạt động trong một thời gian di khơng,  Các kích thước cơ bản v cấu tạo của cc knh hoặc cc cơng trình lin quan với trạm bơm,  Ti liệu địa hình khu vực đặt trạm bơm  Ti liệu địa chất và địa chất thủy văn Cc cơng trình lin quan khc: knh dẫn, knh tho, 3.2 TÍNH TỐN CỘT NƯỚC 3.2.1 Tính cột nước thiết kế Htk: Cột nước thiết kết của my bơm cũng chính l cột nước thiết kế của trạm bơm được tính theo cơng thức: HTK = H dhbq + ∑ hms H : cột nước địa hình bình qun m tính theo phương pháp bình qun gia dhbq quyền với địa hình. ∑ hms : tổng tổn thất thuỷ lực trên đường ống hút và đẩy. Theo kinh nghiệm thì : TB thơng thường lấy ∑ hms =1−1,5m TB có đường ống đầy Lođ dài : hđ = 2-3 m/km Q 4 3 (Q~t) 2 Zt (Zt~t) h1 h5 h2 h4 (Zh~t) Zh h3 0 t1 t2 t3 t4 t5 t Công tiêu hao để bơm nước ln với cột nước bình qun gia quyền bằng cơng cần tiêu hao để bơm nước ln với cc cột nước thay đổi theo cc thời kỳ. Ta cĩ: γ .H dhbq .∑(Qi .ti ) = γ .∑(Qi .ti .hi ) 58
60. n ∑(Qi .ti .hi ) ⇒ = i=1 H dhbq n ∑(Qi .ti ) i=1 3.2.2 Tính cột nước kiểm tra: Dùng để kiểm tra qu tải động cơ và khí thực a. H : max max H max = H dh + ∑ hms max H dh = Zt max − Zhmin Với Z được xác định như sau: tmax Với trạm bơm tưới: Z ứng với Q • t gia cường Với trạm bơm tiêu: Z ứng với tần suất kiểm tra • s Pkiểm tra Với Z được xác định như sau: hmin • Với TB tưới: Z ứng với P s kimtra min (90%) Với TB tiu: • Tiu triệt để: Zhmin = A0 + h0 -Σi.l - Σhc • Thủy sản • Tiêu nước điệm min b. Hmin: H min = H dh + ∑ hms min Trong đó: H dh : cột nước địa hình nhỏ nhất trong qu trình lm việc. min H dh = Zt min − Zhmax Z với: tmin • Trạm bơm tưới: Zt ứng với Qmin • Với trạm bơm tiêu: Nếu Z + h > Z Z = Z + h đáy kênh tháo min sơng tmin đáy kênh min Nếu Z + h < Z Z = Z + ∆Z đk min s tmin sơng Z với: hmax • Trạm bơm tưới: Trạm trong đê: do người thiết kế quyết định. 59
61. Trạm ngoài đê: Z ứng với Z hmax s kiểm tra. • Với trạm bơm tiêu: Mực nước điều tra ngập lớn nhất khi chưa xây dựng trạm bơm. 3.3 CHỌN LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ TRẠM BƠM 3.3.1 Với trạm bơm tưới Q (Q~t) Qmax 0 t  Q = Q trn biểu đồ TK max  Q = K.Q gia cường TK  Q = Q trn biểu đồ min min 3.3.2 Với trạm bơm tiêu • Q = q.ω TK q: hệ số tiu thiết k (l/s-ha) ω: diện tích khu vực cần tiu (ha) • Q = K.Q gia cường TK Q Q = TK min 3 3.4. NHỮNG VẤN ĐỀ RING BIỆT CỦA TRẠM BƠM TƯỚI VNG CAO Vùng núi và trung du, các khu tưới thường mang những đặc điểm sau: • Khu tưới nhỏ hẹp & phn tn Qyc nhỏ. • Xa nguồn nước nên H cao, thay đổi nhiều. • Mực nước nguồn thay đổi nhiều theo ma lũ & ma kiệt. 60
62. Từ những điều kiện địa hình đặc biệt như vậy, ta đưa ra các giải php kĩ thuật sau: a) d) b) 3.4.1 Bố trí cơng trình trạm bơm tưới vng cao  Theo điều kiện địa hình, ta cĩ 4 cch bố trí:  Bố trí một trạm bơm đảm bảo tưới cho cả vùng. Khi đó cao trình bể tho phải khống chế được tồn bộ khu tưới.  Bố trí một trạm bơm lên nhiều bể tho cĩ cao trình khc nhau.  Bố trí nhiều trạm bơm riêng biệt cung cấp nước cho từng khu tưới cĩ cao trình khống chế khc nhau.  Bố trí nhiều cấp trạm bơm, nối từng trạm bơm cấp 1 đến trạm bơm cấp cuối cng.  Nhận xt:  Hình a,c l hình thức thơng dụng mà ta đ biết.  Hình b,d l trường hợp đặc biệt. Nếu chng ta phn cấp bể tho hoặc phn cấp trạm bơm thì đạt được yu cầu tiết kiệm năng lượng bơm hơn là làm 1 trạm bơm tập trung. 3.4.2 Phn cấp khu tưới & xác định vị trí bể tho Để lm sng tỏ nhận xt trn ta xt ví dụ sau: Một vùng tưới cĩ diện tích l ω v cột nước yu cầu để khống chế hết diện tích khu tưới. 61
63. Khi bố trí trạm bơm một cấp cơng suất yu cầu l: γωqH γQH N yc = = ηtr ηtr Trong đó: q- hệ số tưới thiết kế ηtr- hiệu suất của trạm bơm Q- lưu lượng thiết kế của trạm bơm Giả sử hệ thống trạm bơm có 3 cấp, giả thiết cc cấp cĩ cột nước bằng nhau thì khi đó công suất yu cầu cho khu tưới l: H =H =H = H/3 1 2 3 γqω1H1 γq(ω2 +ω3 )H 2 γqω3H3 N yc = + + ηK1.ηtr1 ηK 2.ηtr 2 ηK 3.ηtr3 Trong đó: ω1 +ω2 +ω3 = ω ω1;ω2 ;ω3 : - diện tích tưới cho mỗi cấp trạm bơm phụ trch; H1;H2;H3 - cột nước yu cầu của mỗi cấp trạm bơm Nếu coi : ηK1 =ηK 2 =ηK 3 =ηK ηtr1 =ηtr 2 =ηtr3 =ηtr Cơng suất tiết kiệm được l: γω1qH 2 + γ (ω2 +ω3 )qH3 ∆N = N yc − N'yc = ηK .ηtr Như vậy, khi bố trí trạm bơm phân thành nhiều cấp sẽ cĩ lợi về mặt kinh tế năng lượng v cần xc định phương n cĩ cơng suất tiết kiệm được DN l lớn nhất. Câu hỏi thảo luận : Trong công tác thiết kế các trạm bơm hiện nay, việc xác định các thông số cần thiết cho thiết kế còn có điểm nào chưa hợp lý. Để khắc phục điều chưa hợp lý đó ta làm thế nào? 62
64. CHƯƠNG IV CÔNG TRÌNH HÚT NƯỚC TRẠM BƠM 4.1. MỞ ĐẦU Bộ phận hút nước của trạm bơm là một bộ phân quan trọng ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả làm việc của máy bơm. Phụ thuộc từ chiều cao hút nước, loại máy bơm và loại nhà máy bơm mà bộ phận hút nước có cấu tạo khác nhau. Đối với các loại máy bơm ly tâm, chiều cao hút dương, ống hút hút nước trực tiếp từ bể tập trung nước (là một bộ phận của bể hút), với nhà máy bơm kiểu buồng, máy bơm hút nước qua ống loe đặt trong buồng hút và với trạm bơm kiểu khối tảng, máy bơm lớn, ống hút có dạng hướng dòng dẫn nước từ bể hút vào máy bơm. Bộ phận hút nước không tốt sẽ ảnh hưởng đến tình trạng làm việc của máy bơm, đó là : - Đưa không khí vào ống hút và vào máy bơm làm giảm lưu lượng, hiệu suất máy bơm, thậm chí làm cho bơm không hút được nước. - Làm cho phân bố áp lực không đều tạo chỗ vào máy bơm và cả trong máy bơm làm giảm hiệu suất máy bơm, gây ra mất cân bằng động và rung động. Vì vậy bộ phận hút nước của trạm bơm được nhiều người nghiên cứu cả về lý thuyết lẫn trên mô hình và đã có được một số kết quả tốt. Nhiều kết quả nghiên cứu đều nhận thấy rằng sự hình thành các dòng xoáy trong các bộ phận hút nước là nguyên nhân chủ yếu gây ra các hiệu quả không tốt trên đây. 4.2 ỐNG HT TRONG NH MY BƠM KHỐI TẢNG  Trong nhà máy bơm khối tảng, ống ht rất quan trọng, thường lưu lượng Q1may lớn nn Doh lớn hmsoh nhỏ, nhưng nếu ta tăng đường kính ống ht qu lớn thì khối lượng mĩng nh my gi thnh xy dựng tăng.  Để xác định được hình dạng, đường kính của ống hút, người ta đ thí nghiệm mơ hình. Thiết kế sao cho nước chảy vào máy bơm được đều đặn, tốc độ dịng chảy biến đổi từ từ. 2g.h ξ = mso oh v2 63
65. 1 Hiệu suất của ống ht:ηoh = 1+ξoh h – tổn thất mực nước do ma st ở ống ht (m); mso v – tốc độ dịng chảy trong ống ht (m/s);  Theo kinh nghiệm, ống ht cĩ 2 loại:  Thẳng : D < 1m. ctac  Cong : cĩ 2 loại:  Bình diện rộng, chiều cao nhỏ.  Bình diện hẹp, chiều cao lớn.  Ty tình hình thực tế m ta chọn 1 trong 2 loại trn. 4.3. DÒNG XOÁY TRONG BỘ PHẬN HÚT NƯỚC TRẠM BƠM Dòng xoáy được hình thành dưới các dạng - Dòng xoáy mặt: Là dòng xoáy tạo nên trên mặt nước ở vùng quanh miệng ống hút. Nguyên nhân chủ yếu sinh ra xoáy mặt là độ ngập miệng ống hút không đủ. Một nguyên nhân nữa là do dòng chảy đến ống hút vì một nguyên nhân nào đó phân bố lệch hoặc do bố trí máy bơm không hợp lý. - Dòng xoáy ngầm cục bộ sinh ra tại các góc buồng hút, ở thành ống hút, đáy bể hút, tại các mặt cắt co hẹp và mở rộng đột ngột của bộ phận hút. Dòng xoáy mặt gồm dòng xoáy cục bộ và xoáy vòng quanh ống hút. Xoáy cục bộ phụ thuộc chủ yếu từ độ ngập h2 ở các mức độ khác nhau. (Xem hình 4 – 1) - Xoáy gợn lăn tăn : Ở mức độ cao khi mặt nước bị lõm xuống nhưng lưu tốc xoáy còn bé và chưa hình thành bọt khí trong nước. 64
66. - Xoáy cạn : Mặt nước hình thành các phễu cục bộ nhưng nằm trên miệng ống hút. Bọt khí bị hút vào và đưa vào miệng ống hút một phần nhỏ, mức độ ảnh hưởng nhẹ. - Xoáy sâu : Lưu tốc xoáy tăng lên và áp lực tâm xoáy là áp lực chân không, đuôi xoáy sâu vào miệng ống đưa một bộ phận lớn không khí vào ống. - Xoáy vòng là xoáy vòng quanh đồng tâm với ống hút. Phụ thuộc từ độ ngập miệng ống hút, xoáy vòng sẽ phát triển với các mực độ khác nhau. Sự hạ thấp phễu xoáy đến mép ống sẽ đưa ồ ạt không khí vào máy bơm làm ngắt dòng hút. a) Xoáy lăn b) Xoáy chứa bọt c) Xoáy chứa d) Xoáy đồng trục tăn khí ngắt quãng bọt khí liên tục Xoáy mặt Xoáy đáy Dòng xoáy ngầm tạo nên khi : - Phân bố lưu tốc dòng chảy vào không đối xứng với công trình. - Tại các vị trí có cấu tạo thay đổi như góc buồng, chỗ có vật cản, chổ mở rộng, co hẹp đột ngột .(hình 4 – 2). Trên hình vẽ cho thấy với xoáy cục bộ ở mức độ xoáy cạn và xoáy vòng nhưng chưa ăn sâu đến mép ống thì đã có một bộ phận không khí dưới dạng bọt khí đi vào miệng ống hút. Nếu dòng xoáy phát triển sâu đến mép ống hút thì lượng không khí vào ống hút và vào bơm sẽ lớn làm cho lưu lượng, cột nước và hiệu suất giảm thấp nhanh chóng. 65