Tầm quan trọng của tính toán hiệu quả của máy bơm trong hệ thống với điều chỉnh tốc độ

Tầm quan trọng của tính toán hiệu quả của máy bơm trong hệ thống với điều
chỉnh tốc độ
Tóm lược
Chương trình Bảo tồn Năng lượng Brazil ( Procel ) được thực hiện bởi Eletrobras , công ty năng
lượng điện Latin. Procel được chia thành nhiều tiểu chương trình , trong đó bao gồm Procel
Indústria ,liên quan đến hiệu quả năng lượng công nghiệp. Rất nhiều kiểm toán năng lượng được
phân tích bởi đội ngũ Procel Indústria
Có rất nhiều các hệ thống và quy trình trong đó lưu lượng có thể thay đổi . Trong những tình
huống này , có tiềm năng rất lớn để có được tiết kiệm năng lượng bằng cách đặt van (hoặc thiết
bị điều khiển lưu lượng khác) từ điều chỉnh tốc độ quay ( ASD) . Một trong những điểm chính
để xác định các khoản tiết kiệm , sử dụng ASD , là đánh giá hiệu quả bơm cho các điểm điều
hành mới, trong đó tốc độ quay khác nhau với tốc độ bình thường . Trong hầu hết các kiểm toán
năng lượng nhận được để phân tích, nó được giả định bằng cách ước chừng rằng hiệu quả trong
các điểm hoạt động mới không thay đổi với tốc độ quay và do đó ,là giống nhau ở điểm danh
nghĩa. Một phương pháp thích hợp hơn tính toán hiệu quả ở điểm hoạt động mới . Mục đích của
bài viết này là để cho thấy rằng sự ước chừng được sử dụng trong việc xác định về hiệu quả có
thể dẫn đến sự khác biệt đáng kể về năng lượng và phân tích kinh tế của hệ thống bơm, đặc biệt
là cho các ứng dụng với cột áp tĩnh cao hơn.
1-Giới thiệu
1.1-Procel Indústria
Chương trình Bảo tồn Năng lượng Brazil ( Procel ) được tạo ra bởi chính phủ liên bang vào năm
1985và được điều phối bởi Bộ Mỏ và Năng lượng . Chương trình được thiết kế để thúc đẩy việc
sử dụng hiệu quả năng lượng điện trong cả nước và chống lãng phí của nó . Eletrobras , công ty
điện lực lớn nhất Châu Mỹ La tinh , chịu trách nhiệm lập kế hoạch và thực hiện các hoạt động
chương trình bằng cách cung cấp hỗ trợ kỹ thuật và tài chính cho hoạt động của mình .
Procel được chia thành chín tiểu chương trình , bao gồm Procel Indústria ( hiệu suất năng lượng
trong công nghiệp) , mà trong các lĩnh vực công nghiệp , chịu trách nhiệm về 44 % lượng tiêu
thụ năng lượng điện ở Brazil [1] .
Mặt khác , điện năng tiêu thụ của hệ thống động cơ tương ứng với 62 % tổng số năng lượng điện
tiêu thụ trong ngành công nghiệp Brazil [2] . Do đó, các hành động trong Procel Indústria là tập
trung vào các hệ thống động cơ .

1.2- Hệ thống bơm: điện năng tiêu thụ và hiệu suất
Hệ thống bơm chiếm khoảng 18 % lượng tiêu thụ năng lượng trong hệ thống động cơ quay
công nghiệp [1] và [2] . Xem xét sự liên quan của nó về năng lượng, nó là một trong năm hệ
thống chính được đảm bảo bởi các PNEf (Kế hoạch hiệu quả năng lượng Quốc gia Brazil) [3].
Trong Procel Indústria, nhiều kiểm toán năng lượng trên hệ thống bơm với sự thay đổi lưu lượng
được phân tích. Một đề nghị thường xuyên , trình bày trong các báo cáo kiểm toán năng lượng
khác nhau, là sự thay thế của việc kiểm soát cơ khí ( bằng van ) bằng điện tử (thông qua ASD) .
Một cách tiếp cận thông thường trong các báo cáo này là để xem xét rằng hiệu suất bơm vẫn
không đổi với bất kể tốc độ quay. Cách tiếp cận này , tùy thuộc vào các điều kiện của hệ thống

1


bơm , có thể dẫn đến sự khác biệt đáng kể trong mối quan hệ với phương pháp chính xác hơn,
trong đó hiệu quả tại các điểm mới được sửa đổi.

2 - Đường cong đặc trưng và điểm hoạt động
Các đường cong đặc trưng (thu được trong thử nghiệm của nhà sản xuất ) là sơ đồ mô tả hoạt
động của một máy bơm , cho thấy mối quan hệ phụ thuộc lẫn nhau giữa các đại lượng hoạt
động của nó.
Một số các đường cong chính là:
H và Q :
cột áp tổng đươc tạo ra bởi bơm trong mối quan hệ với lưu lượng.
ηvà Q :
hiệu suất trong mối quan hệ với lưu lượng (cho 1 tốc độ quay của bơm);
P và Q:
công suất tạo ra bởi chất lỏng theo lưu lượng;
2.1- Đường cong bơm
Phương trình Rateaux , còn được gọi là định luật quan hệ là biểu thức toán học trong đó xác định
mối quan hệ giữa lưu lượng và áp lực và năng lượng thuỷ lực với tốc độ trục quay , theo phương

trình (1), (2) và (3) tương ứng .
(1)
(2)
(3)
Đây là điều quan trọng là để làm rõ các định luật quan hệ chỉ có giá trị cho các điểm tương đồng
( có cùng hiệu quả) trên các đường cong đặc trưng của dòng chảy và máy ly tâm và chúng chỉ ra
điều kiện hoạt động tương tác của hệ thống bơm cho các hệ thống khi không có chiều cao hình
học (thường gọi là cột áp tĩnh ) [4]
Các nhà sản xuất máy bơm ly tâm thường cung cấp đường cong bơm (H x Q, η x Q và P với Q)
có đường kính cánh quạt khác nhau , nhưng chỉ ở tốc độ quay danh nghĩa. Như vậy, có nhiều
cách khác nhau để có được những đường cong khác ở tốc độ khác nhau của danh nghĩa , trình
bày trong phần 4 .
Cột áp của bơm là mối quan hệ giữa năng lượng và khối lượng riêng của chất lỏng thêm vào từ
lượng chất lỏng đi qua các thiết bị với một tốc độ dòng chảy đã cho[4].
Đường cong của cột áp tổng của một máy bơm ly tâm với cánh cong về phía sau, tại tốc độ
quay danh nghĩa (n a) có thể được tính bằng một đa thức bậc hai [5]:
Ha = a0 – a1.Qa – a2.Qa2
(4)
Sử dụng phương trình (2), phương trình xác định đường cong cột áp lưu lượng cho bất kỳ tốc độ
quay của bơm là như sau:
(5)
Như vậy, bằng cách thay thế (1) và (4) (5), ta có:
(6)
2.2- Đường cong hệ thống

2


Côt áp của hệ thống là lượng năng lượng trên một đơn vị khối lượng riêng của chất lỏng mà khối
lượng chất lỏng đó phải hấp thụ để vượt qua cột áp tĩnh, sự khác biệt áp lực giữa hai hồ chứa

(nếu có) và tổn thất áp suất trong đường ống và phụ kiện
Với những tổn thất cột áp (định lượng bằng ∆H) trong các đường ống và phụ kiện tỷ lệ
thuận với bình phương của dòng chảy ( ∆H và Q2 )[4] và xem xét rằng các hồ chứa đang thông
với khí quyển, cột áp có thể được thể hiện bởi:
Hsystem=Hs+kQ2

(7)

Trong đó, thuật ngữ ( Hs ) dùng để chỉ cột áp tĩnh (hoặc chiều cao hình học giữa bể hút và bể
xả) và (k) là một hằng số không đổi mà là một chức năng của hệ thống.
2.3 - Điểm vận hành
Giao điểm của hai đường cong (bơm và hệ thống) định nghĩa các điểm hoạt động, nơi cho từng
dòng chảy, có một cột áp được tạo ra bởi bơm tương đương với yêu cầu của hệ thống.
Từ các tọa độ của các điểm hoạt động (dòng chảy, áp lực), năng lượng thuỷ lực thu được theo
phương trình dưới đây:
Phid = ᵧ.Q.H

(8)

Năng lượng đầu vào trục, còn được gọi là BHP (công suất mã lực) thu được khi xem xét bơm
thực hiện tại các điểm hoạt động, như sau:
(9)
3 - Các phương pháp để kiểm soát lưu lượng trong hệ thống bơm
Kiểm soát lưu lượng có nghĩa là thay đổi các điểm hoạt động( Q,H), được đề cập trong phần
trước, được thực hiện bởi sự thay đổi đường cong của bơm hoặc của hệ thống. Các phương
pháp phổ biến nhất cho sửa đổi các đường cong của hệ thống hoặc các đường cong bơm là: điều
khiển bằng van hoặc điều chỉnh tốc độ quay (ASD), tương ứng.
Hãy xem xét một tình hình công nghiệp mà có 3 dòng lưu lượng yêu cầu ( Qa > Qb > Qc )cho chu
kỳ hoạt động khác nhau. Trong sự kiểm soát bằng van, đường cong hệ thống được sửa đổi để có
được các lưu lượng tương ứng, ngăn chặn việc mất mát chất lỏng và tăng sự mất mát của

tải. Trong trường hợp này, đường cong bơm vẫn liên tục, như thể hiện trong hình 1.

3


Hình 1: Thay đổi các điểm hoạt động của van
Lưu lượng thu được tương đương với việc tăng tốc độ trục quay của bơm (ncchỉnh tốc độ quay. Thiết bị này cho phép động cơ điện (xoay chiều) thay đổi tốc độ bằng
cách thay đổi tần số (f). Trong phương trình [9], số vòng quay được cho bởi phuong trình (10),
trong đó p là số của cực của động cơ.
(10)
Bằng phương pháp này chỉ có đường cong bơm được sửa đổi, như thể hiện trong hình 2.
Phân tích công thức (3), có giá trị cho máy bơm ly tâm, có thể kết luận rằng giảm tốc độ quay,
4


công suất được tạo ra bởi chất lỏng được giảm với bậc 3 của tỷ lệ tốc độ hoạt động, mang lại lợi
ích rất lớn về kinh tế và năng lượng nếu so với sự kiểm soát của van như được hiển thị trong
phần 5. Trong sự kiểm soát của van máy bơm tạo ra áp lực dư cho hệ thống (Hb > H'b
và Hc> H'c). Cần lưu ý, việc sử dụng các bộ biến tần phải được phân tích kỹ thuật và kinh tế.
Nhược điểm của các thiết bị này được trình bày trong [7].

Hình 2: Thay đổi các điểm hoạt động của ASD

4 . Các phương pháp để xác định hiệu quả hoạt động của bơm ở tốc độ khác nhau.
Một trong những điểm quan trọng trong việc đánh giá tiết kiệm năng lượng với việc sử dụng
điều chỉnh tốc độ (ASD) là việc xác định hiệu suất bơm tại các điểm vận hành mới, trong đó tốc
độ quay trục bơm khác với danh nghĩa. Trong phần lớn các kiểm toán năng lượng nhận được bởi
Procel Indústria để phân tích, nó được xem là, bằng xấp xỉ hiệu suất ở điểm vận hành mới không
thay đổi theo sự thay đổi của tốc độ quay, vì vậy hiệu quả danh định thường được sử dụng.

5


Phương pháp này có thể dẫn đến khuyết điểm đáng kể trong đo lường tiết kiệm kinh tế và năng
lượng trình bày trong phần 5.
Xem xét một hệ thống bơm vận hành tại một dòng chảy danh định Qa ở tốc độ quay na danh
nghĩa. Khi cần thiết để hoạt động ở một dòng chảy thấp hơn Qb , nó thường được quyết định để
sử dụng một ASD, bởi một tốc độ quay mới nb thu được, như thể hiện trong hình 3. Bằng sự ước
chừng, hàng chục các kỹ sư đã xem xét hiệu suất của các điểm A và B, thể hiện trong hình 3 là
tương tự, khi tính toán những hiệu đó là khác nhau, nó sẽ được hiển thị sau đây.

Hình 3: điểm hoạt động của hệ thống bơm cho tốc độ quay khác nhau
Áp dụng định luật quan hệ (1) và (2) để có được điểm B:
 Hb

 Ha

  Qb
 = 
  Qa





2

(11)

6


Khi cột áp tĩnh giữa các hồ chứa không phải là không, theo (7) thì phương trình (11) là không
hợp lệ vì:
H s + kQb2  Qb 
≠ 
H s + kQa2  Qa 

2

(12)
Như vậy có thể thấy rằng luật quan hệ định luật có thể được sử dụng khi không có cột áp tĩnh
giữa các hồ chứa. Chỉ trong trường hợp này, hiệu quả của 2 điểm ở tốc độ khác nhau (x, x ') là
như nhau, như (1), (2) và (3):
ρgQx H x
2
3
'
ηx
Px
Qx H x Px '  n x  n x   n x 
=
=
=
η x ' ρgQx' H x ' Qx ' H x' Px  n x '  n x'   n x ' 
Px '
= 1 (13)
Vì vậy, nếu chiều cao hình học không bằng không các giá trị hiệu suất của các điểm A và B, thể
hiện trong hình 4, là khác nhau [6]. Để có được thực hiện chính xác trong các điểm hoạt động

mới (B) nó là cần thiết để có được những đường cong hiệu suất, (bằng cách sử dụng mối quan hệ
định luật) qua điểm (B), ngăn chặn các đường cong bơm ở tốc độ xoay danh định (điểm B '), như
thể hiện trong hình 4. Vì vậy, có thể khẳng định rằng ηA = ηA’ ηB =ηB’

Hình 4: Điểm tương đồng.

7


Hiệu suất của điểm A và B ' được biết vì người sản xuất máy bơm cung cấp (η và Q ) đường
cong cho tốc độ quay danh nghĩa. Bằng cách này hiệu suất hoạt động ở điểm B đạt được một
cách gián tiếp, như trong hình [ 4 ].
Một cách khác cho việc tính hiệu suất của điểm B được trình bày trong hình 4, là sử dụng
phương trình thực nghiệm được đề xuất trong [ 5 ].

Ngoài hai phương pháp bên trên, theo [ 8 ] có thể sử dụng phương trình ( 3 ) điều chỉnh để đạt
được độ hiệu quả đúng của điểm B ( Hình 4 ), theo ( 15 ). Đây là phương pháp của mối quan hệ
định luật điều chỉnh.

Áp lực ( cột áp ) tại điểm Avà B đạt được khi sử dụng công thức ( 7 ) cho dòng chảy danh định
tương ứng, vì thế sử dụng phương trình ( 8 ) công suất thủy lực ở mỗi điểm thì đạt được. Tốc độ
quay nA là thường tốc độ quay danh địa của máy bơm dùng động cơ điện, trong khi tốc độ quay
nB có thể thu được từ phương trình ( 6 ) bằng phương pháp lặp lại. Một cách thiết thực để đạt
được tốc độ quay (nB ) là sử dụng dụng cụ" Mục tiêu Tìm kiếm", của Microsoft Office Excel.
Có lỗi trong mỗi phương pháp của ba phương pháp trên. Trong phương pháp đồ họa, đó là trong
cách tiếp cận để có được những điểm khác nhau. Trong phương pháp thực nghiệm đó là nội tại.
Về phương pháp của định luật quan hệ điều chỉnh, lỗi này là do các đặc tính vật lý của máy bơm
và chất lỏng. Ví dụ, điều kiện vật lý của máy bơm và khối lượng riêng thực tế của chất lỏng. Các
khía cạnh khác cũng ảnh hưởng đến các phương pháp.

5 - Trường hợp Nghiên cứu
Như đã thấy trong phần trước, trường hợp duy nhất mà hiệu suất của bơm có thể được coi là
hằng số, không phụ thuộc vào tốc độ hoạt động, là trường hợp trong đó cột áp tĩnh giữa các hồ
chứa là không. Nhưng trong hầu hết các hệ thống bơm, các hồ chứa có độ cao khác nhau, xem
xét này (hiệu suất không đổi) có thể dẫn đến sự khác biệt đáng chú ý trong việc định lượng các
lợi ích của hoạt động nhất định của hiệu suất năng lượng đối với tình hình khi mà hiệu suất được
điều chỉnh, như sẽ được hiển thị trong ví dụ sau đây.
Hệ thống bơm của ví dụ này được điều khiển bởi van. Đề xuất lắp đặt một ASD để thực hiện
điều khiển này. Các dữ liệu được lấy từ [6] với một số sửa đổi.
Các tính toán tiết kiệm kinh tế và năng lượng đầu tiên sẽ được thực hiện hiệu quả không đổi của
tốc độ vận hành của 1 bơm độc lập, khi thường xuyên được thực hiện. Sau đó, tiết kiệm năng
lượng sẽ được thu được bằng cách thích hợp, giả sử hiệu suất của bơm thay đổi theo tốc độ quay,
theo phương trình (15).
Bảng 1 : Trình bày các đặc điểm kỹ thuật của ví dụ này.
Bảng 1: Đặc điểm kỹ thuật của quá trình cài đặt.
Đặc điểm kỹ thuật
Mô hình của máy bơm

KSB Meganorm 50-160 com rotor 174
8


Tuổi của bơm
Chất lỏng (nước)

Mới
1,000 kg/m³

Dòng chảy danh nghĩa của máy bơm

105 m³/h

Chiều cao hình học giữa các hồ chứa

25 m

Chi phí năng lượng

R$ 120.00/MWh

Thời gian hoạt động (h / năm)
Hiệu suất khớp nối

8,000 h/năm
95%

Các đặc tính kỹ thuật chính của động cơ điện trong bảng 2. Trong tất cả các tình huống được
trình bày trong trường hợp này, sự thay đổi của hiệu suất với tải trọng được xem xét

Bảng 2: Đặc điểm kỹ thuật của động cơ điện
Đặc điểm kỹ thuật – Động cơ điện
Công suất

30 cv

Tải

Hiệu suất

50%

89.3%

75%

90%

100%

91%

Bảng 3 Trình bày các chu kỳ hoạt động của các nhà máy công nghiệp.
Bảng 3: Điểm vận hành
Điểm vận hành
Lưu lượng (m³/h)
Thời gian vận hành (h)
1

50

2,500

2

70

2,500

3

105

3,000

Đường cong bơm được cung cấp bởi các nhà sản xuất được trình bày trong hình 5

9


Hình 5: đường cong bơm được cung cấp bởi nhà sản xuất

Đường cong bơm và đường cong hệ thống, cho bởi phương trình (7), được trình bày trong
hình 6

Hình 6: đường cong bơm và đường cong hệ thống
Trong Bảng 4 giá trị của các thông số chính theo phân tích cho hệ thống bơm điều khiển bằng
van được trình bày.

10


Lưu
Điểm vận lượng
hành

Thời gian
vận hành

(mH2O)

1

m³/h
50

h
2,500

2

70

2,500

3

Cột áp Hiệu suất Hiệu suất điện Công suất Năng lượng Số tiền vận hành 1
bơm
điện
năm

105

3,000

61

%
68%

%
90%

kW
13.6

MWh
33.99

R$/year
4,078.00

58

76%

91%

16.0

39.96

4,795.00

80.5%

90%
19.6

58.82

7,058.00

Tổng

132.76

15.931,0

50

8,000

Chi phí ước tính hoạt động hàng năm của hệ thống bơm xem xét rằng hiệu suất bơm không thay
đổi với tốc độ quay (phương pháp không chính xác) được trình bày trong bảng 5.
Bảng 5: Kết quả / hệ thống bơm kiểm soát bởi ASD / hiệu quả liên tục
Điểm vận Lưu Thời gian
hành lượng vận hành

Cột áp

Giá tiền vận
hành 1 năm

Hiệu suất
bơm

Hiệu suất
Công suất
động cơ điện điện

Năng
lượng

%

%

kW

MWh

R$/ year

(mH2O)
m³/h

h

1

50

2,500

31

80.5%

66%

8.32

20.81

2,497.00

2

70

2,500

37

80.5%

85%

10.81

27.01

3,241.00

3

105

3,000

51

80.5%

89%

21.26

63.77

7,652.00

Total

111.59 13,391.00

8,000

Xem xét sự thay đổi của hiệu suất bơm với tốc độ quay (phương pháp chính xác), chi phí hàng
năm ước tính là R $ 13,222.00, được trình bày trong bảng 6.
Bảng 6: Kết quả hệ thống / Bơm điều khiển bởi ASD / hiệu quả biến với sự thay đổi tốc độ

11


Lưu Thời gian
lượng vận hành
Điểm vận
hành

Cột áp

Hiệu suất Hiệu suất
Năng lượngGiá tiền
bơm
động cơ điện Công suất
vận hành
1 năm

m³/h

h

(mH2O)

%

%

kW

MWh

R$/ year

1

50

2,500

31

61%

77%

9.48

23.69

2,843.00

2

70

2,500

37

71%

88%

11.83

29.58

3,549.00

3

105

3,000

51

81%

89%

21.26

63.77

7,652.00

Total

117.04

14,044.00

8,000

Vì vậy, số tiền tiết kiệm được tính là R $ 2,709.00 khi hiệu suất bơm được điều chỉnh và R $
3,195.00 khi hiệu suất là không đổi.

Ví dụ này cũng có thể được giải quyết cho những cột áp tĩnh khác nhau và kết quả được trình
bày trong bảng 7.

Bảng 7: Sự so sánh giữa nhiều cột áp tĩnh
Chi phí hàng
Chi phí
năm với ASD
hằng năm không đổi
với van [R$](ηbơm) [R$]

Chi phí hàng
năm với ASD Chi phhi1 tiết Chi phí tiết kiệm
thay đổi
kiệm với η
khi thay đổi
(ηbơm) [R$] không đổi [R$] (ηbơm) [R$]

0

16,964.00

12,205.00

12,205.00

4,759.00

4,759.00

0%

15

16,964.00

13,102.00

12,833.00

3,861.00

4,131.00

7%

20

16,964.00

13.538,00

13,104.00

3,425,00

3,860.00

13%

25

16,964.00

14,044.00

13,391.00

2,920.00

3,573.00

22%

Theo Bảng 7 có thể được quan sát thấy rằng cột áp tĩnh cao hơn, cao hơn các lỗi trong tính toán
tiết kiệm khi hiệu suất được coi là hằng số so với khi hiệu suất được thay đổi cho các điểm vận
hành mới.
6 Kết luận
Điều chỉnh hiệu suất bơm cho các điểm điều hành khác nhau có tầm quan trọng cơ bản trong
việc tính toán năng lượng được tiết kiệm bằng cách thay thế kiểm soát cơ khí (van) cho điện tử
(ASD), đặc biệt là trong các hệ thống với cột áp tĩnh cao. Việc sử dụng không đúng các định luật
12


quan hệ có thể dẫn đến sai sót đến 20% trong tiết kiệm dự kiến, tùy thuộc vào cột áp tĩnh của hệ
thống.
Định lượng chính xác năng lượng và tiết kiệm kinh tế là rất quan trọng khi làm việc với các
ngành công nghiệp để không tạo ra sự sai lầm không mong đợi cho các nhà quản lý kinh doanh
đối với việc thực hiện các biện pháp mới, tránh làm mất uy tín cho kiểm toán viên chuyên
nghiệp. Hơn nữa, nó làm tăng độ tin cậy liên quan đến những gì được đề xuất, mà quan trọng là
khi một kế hoạch đo lường và xác minh được cung cấp.

Trong bài báo này người ta thấy rằng việc xem xét thông thường của hiệu suất là không thay đổi
với sự thay đổi trong tốc độ quay gây ra kết quả không thực tế so với thực tế khi mà hiệu suất
thay đổi theo tốc độ quay. Tuy nhiên, trong ví dụ thể hiện trong bài viết này, các van thay thế
ASD là hấp dẫn về kinh tế, như mong đợi.
Một nhân tố khác quan sát thấy là việc sử dụng các ASD có thể làm xấu thêm cả hiệu suất bơm
và hiệu suất động cơ điện, như trong trường hợp nghiên cứu trình bày. Tuy nhiên, tổng hiệu hiệu
suất hệ thống sẽ thấp hơn so với cách thực hiện kiểm soát dòng chảy qua van do sự thiếu hiệu
quả lớn các thiết bị này, do đó tiêu thụ điện năng cao hơn. Các khía cạnh khác cũng cần được
xem xét là hiệu suất của ổ đĩa và nhược điểm của việc sử dụng thiết bị điện tử này, được trình
bày trong [7].

13