bài giảng cơ sở khoa học nghiên cứu hệ thống tưới tiêu bằng động lực

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
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
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
• 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
M B LT
MBHTMBHC


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 [H
CK
] = 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 : n
S
≤ 300
- Bơm hướng chéo n
S
> 300 ÷ 500
- Bơm hướng trục n
S
> 500
Dạng đường đặc tính của ba loại máy bơm cánh quạt này (hình 1.1) có
khác nhau.


3
η
Q
Η
Ν
η=f(Q)
A
B
Ν=f(Q)
Η=f(Q)
C

A'
B'
C'
η
Q
Η
Ν
η=f(Q)
Ν=f(Q)
Η=f(Q)
η
Q
Η
Ν
η=f(Q)
Ν=f(Q)
Η=f(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 n
S
≤ 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 n
S
≥ 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 n
S
= 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
dòng của 2 máy bơm luôn luôn không thay đổi (
11
22
lD
const
lD
= =
).

4
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 = (m
3
/s); n = (1/s); ρ = (KG.s
2
/m
4
); µ = (KG.s/m
2
).
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.
Do đó ta có 2 tổ hợp
Q
D
ρ
µ
và
3
nD
Q

Tổ hợp thứ nhất có dạng của số Raynôn và tổ hợp thứ hai có dạng số
Strukhan.
Ta có đại lượng thứ nguyên của mô men quay
);(
3
2
Q
nD
Q
Q
fnM
M
µ
ρ
ρ
=
.
và công suất N = ρn
3
D
5
3
(; )
M
Q nD
f
DQ
ρ
µ

Đại lượng không thứ nguyên của cột nước có thể xác định bằng tỷ số :
H =
22 3
,
M
D n Q nD
f
g DQ
ρ
µ




Các quan hệ trên chưa tính đến tổn thất bề mặt thành khe cánh quạt và các
tổn thất ổ trục.
Cột nước H và công suất N phụ thuộc vào
Q
D
ρ
µ
hạn chế bằng một vùng
rộng, trong đó hiện tượng chuyển động có tương tự cơ học khi:
1. Hai máy bơm đồng dạng hình học.
2. Đảm bảo quan hệ
3
nD
const
Q

=


5
Từ đó ta có các công thức đồng dạng :
3
1 11
3
2 22
22
1 11
22
2 22
53
1 11
53
2 22
Q Dn
Q Dn
H Dn
H Dn
N Dn
N Dn

=




=





=



Nếu tính đến tổn thất bề mặt có thể viết:
2
1
2
35
2
1
3
5
1
2
1
2
1
2
22
2
1
2
2
1
2

1
2
1
2
3
2
1
3
1
2
1
c
c
t
t
d
d
nD
nD
N
N
n
D
nD
H
H
n
D
n
D

Q
Q
η
η
η
η
η
η
=
=
=



6
1.1.3. Đường đặc tính tổng hợp máy bơm
Với cùng một máy bơm thì
1
2
1
D
D
=
, các loại tổn thất thủy lực, tổn thất dung
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 :
23
111111
23
222222

;;
Q nH nN n
Q nH nN n
= = =

Trong vùng mô hình tự động có thể coi η = const đối với các điểm nằm
trên đường parabol.
H =
2
1
2
1
H
Q
Q

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 H
i
= f(Q) ứng với số vòng
quay n
i
= const và đường đẳng hiệu suất η.

Ηm
0
5
10

15
20
25
Q l/s
1601208040
n=960 v/ph
750
600
500

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
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 :
%; %
%; %
HH
HH
HQ
hq
HQ
nM
m
nM
α
= =
= =

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 η
max
).
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
-q
q =
Q
QH

%
-α
α=
n
n
H
0
-50-100
-150
50 100 150
200
B
C
D
E
F
G
A
I
50
100
150
-50
-100
-150
+100%
+50%
-50%
-100%
h=0

m=0
h=0
m=0
+100%
+50%
-50%
-100%

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)
Bơm thuận chiều : H>0, Q>0;
Tự chảy qua máy bơm Q>0, H<0
Chảy ngược 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).
3. Khu C là khu vực máy bơm làm việc theo trạng thái tuốc bin (n<0, Q < 0,
H>0) (Chảy ngược từ bể tháo qua máy bơm).

9
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, Q <0; H>0).
5. Khu E có n < 0 và Q> 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 nhưng Q > 0, H < 0 và M < 0 thuộc trạng thái hãm (hãm
chảy ngược khi bơm quay ngược, chuyển sang tự chảy từ bể hút qua
bơm).
7. Khu G có n > 0, Q > 0 Nhưng cả H < 0, M < 0 là giai đoạn có trạng thái
tuốc bin chuyển ngược (Tự chảy qua bơm nhưng vẫn còn mômen quay
ngược theo đà).
8. Khu I có n > 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), [H
CK
] = 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
01 2
2
01 2
2
01 2
() () ()
[ ] () () ()
() () ()
CK

H a x a xQ a xQ
H b x b xQ b xQ
N c x c xQ c xQ

=++

=++


=++


Trong đó :
0 0 0 111 22 2
( ), ( ), ( ); ( ), ( ), ( ); ( ), ( ), ( );axbxcxaxbxcxaxbxcx
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 a
0
, a
1
, a
2
ta lấy 3 điểm bất kì trên đường H ∼ Q, tìm
tọa độ được hệ 3 phương trình với 3 ẩn số a
0
, a
1

, a
2
. Giải hệ 3 phương trình này
ta được a
0
, a
1
, a
2
. Thông số điều chỉnh ở đây là góc nghiêng cánh quạt hoặc các
vòng quay khác nhau.

10
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); [H
CK
] = 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 : H
yc
.
H

yc
= H
dh
+ h
t
= H
dh
+ SQ
2
.
Ở đây : H
dh
: cột nước bơm địa hình.
h
t
: tổng tổn thất thủy lực trên đường ống hút và ống đẩy của máy
bơm. Trong khu vực bình phương sức cản có thể viết : h
t
= SQ
2
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.
H = f(Q) = H
dh
+ SQ
2

η

Q
Η
Η=
f(Q)
η=f(Q)
Ηyc
=Hdh+SQ
[ΗCK]=
f(Q)
Α
ηA
ΗΑ
[ΗCK]Α
Q
A


Hình 4 : Điểm công tác máy bơm

11

Nếu đặt H
dh
= f(Q) – SQ
2
thì điểm công tác máy bơm có thể tìm được khi
biết H
dh
= Z
t

- Z
h
.
Ở đây : Z
t
, Z
h
là cao trình mực nước tháo và mực nước hút.
Nếu biểu thị cột nước máy bơm :
H = a
0
(x) + a
1
(x)Q + a
2
(x)Q
2
thì:
H
dh
= a
0
(x) + a
1
(x)Q + [a
2
(x) – S]Q
2
hay:
a

0
(x) + a
1
(x)Q + [a
2
(x) – S]Q
2
– H
dh
= 0
Nếu cột nước địa hình là hằng số H
dh
= Z
t
- Z
h
= const thì phương trình
trên sẽ có dạng một phương trình bậc hai cho phép có thể xác định giá trị
nghiệm Q
A
và từ đó xác định H
A
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 :
P
M1
= P

M2
= …. = P
Mn

+ Áp lực tại M do các máy bơm tạo nên :
P
M
= P
Mi
= P
hi
+ γ[H
i
– (Z
M
- Z
hi
) -
22
]
2
M hi
ti
VV
h
g
−
−

Trong đó :

- P
hi
, Z
hi
và V
hi
: áp lực, cao trình và lưu tốc ống hút tại bể hút.
- P
M
, Z
M
và V
M
: áp lực, cao trình và lưu tốc tại điểm M.
- h
ti
: Tổn thất của đường ống máy bơm i từ bể hút đến M.
- H
i
: Cột nước bơm máy i
+ Để bơm nước lên cao trình Z
N
đáp ứng áp lực P
N
và lưu tốc V
N
, áp lực
tại M phải bằng :

P

M
= P
N
+ γ(Z
N
- Z
M
) +
22
2
NM
tMN
VV
h
g
−
+

Trong đó :
- P
N
, Z
N
, V
N
áp lực, cao trình, lưu tốc của mặt cắt cuối cùng của hệ
thống (mặt nước bể tháo).

12
- h

tMN
: 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 :
P
M
= P
Mi
= const
Áp lực P
M
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).
H
i
= f
i
(Q)
Xác định các đường
()
Mi
i
P
fQ
γ
=

tức là :
γ
γγ
MnMM
PPP
===
21
(1)
∑
=
=
n
i
i
QQ
1
(2)

P h1
Z h1
V h1
P h2
Z h2
V h2
P hn
Z hn
V hn
M(P
M
, Z

M
, V
M
)
N(P
N
, Z
N
, V
N
)
I II
n

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
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 :
H
1
= f
1
(Q)

H
2
= f
2
(Q)
….
H
n
= f
n
(Q)
Thì :
Q = Q
1
= Q
2
=… = Q
n
11
()
nn
ii
ii
H H fQ
= =
= =
∑∑

Trong đó : Q, H lưu lượng và cột nước làm việc chung của các máy bơm
nối tiếp

Điểm công tác : H
yc
= H
dh
+ SQ
2
=
1
()
n
i
fQ
∑

Từ đây tìm được Q và các thông số khác

Zh
Z
t
I
II
H
dh

Hình 6 : Hai máy bơm ghép nối tiếp

14


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
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
+ 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
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
- 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
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
- 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
- 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
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:
( ) (
)
minmax
→YF
j
với j = 1, hoặc với
mj ,1=

Cc hm F
j
(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
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 C
E
.
WH
∑
=
C
C
E

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: C
E
-> 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