Hà Nội, Thứ Hai Ngày 25/06/2018

Phương pháp thủy lực trong lắp đặt đường ống cấp nước

Mtđt, 15:12 31/05/2018

Tốc độ phát triển đô thị đang diễn ra với tốc độ nhanh trên cả nước đòi hỏi phải thực hiện nhiều dự án cấp nước để phục vụ nhu cầu dùng nước của cư dân.

Tóm tắt bài báo
Tốc độ phát triển đô thị đang diễn ra với tốc độ nhanh trên cả nước đòi hỏi phải thực hiện nhiều dự án cấp nước để phục vụ nhu cầu dùng nước của cư dân. Kinh phí lắp đặt mạng lưới đường ống chiếm tỷ lệ cao trong toàn bộ kinh phí đầu tư cho hệ thống cấp nước.

Bài báo đề xuất quan điểm tính toán thủy lực mạng lưới theo cách thức mới sẽ giảm được kinh phí đầu tư và quản lý nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu cấp nước liên tục trong một số đô thị và hệ thống cấp nước tập trung ở nông thôn. Bài báo trình bày quan điểm tính toán thủy lực mạng lưới cấp nước đô thị, nông thôn và mạng lưới cấp nước trong công trình nhằm tiết kiệm kinh phí đầu tư ban đầu, kiến nghị áp dụng phương pháp tính toán này trong thực tế góp phần tăng hiệu quả đầu tư hạng mục cấp nước nói riêng và công trình xây dựng nói chung.

Quan điểm tính toán thủy lực mạng lưới cấp nước đô thị
Thông thường, khi tính toán thủy mạng lưới cấp nước đô thị phải dựa trên cơ sở đápứng nhu cầu dùng nước trong giờ dùng nước nhiều nhất của ngày dùng nước lớn nhất trong năm.
Qngmax = Qngtb . Kng(m3/ngày) [1][2] (1)
Trong đó: Qngmax là lưu lượng lớn nhất ngày (tính cho ngày dùng nước lớn nhất vào mùa hè (m3/ngày)
Qngtb là lưu lượng tính cho ngày dùng nước trung bình trong năm (m3/ngày)
Kng là hệ số dùng nước không điều hòa ngày, đối với các vùng có khí hậu 4 mùa, chênh lệch nhiệt độ giữa mùa hè với các mùa khác (miện Bắc Việt Nam) khá lớn thì Kng =1,2 -1,4, những vùng có độ chênh nhiệt độ giữa các mùa nhỏ (vùng đồng bằng sông Cửu Long, TP Hồ Chí Minh và các tỉnh miền Đông Nam Bộ) thì chọn Kng =1,1 – 1,2 [2]

Để có được số liệu về lưu lượng lớn nhất giờ phải thiết lập bảng tổng hợp lưu lượng của tất cả các đối tượng dùng nước theo từng giờ trong ngày theo các kết quả nghiên cứu về chế độ dùng nước của từng loại đối tượng (cách làm theo lý thuyết trong các trường đại học), từ đó có được chế độ tiêu thụ nước của toàn thành phố và chọn giờ dùng nước lớn nhất để tính toán mạng lưới. Tùy theo quy mô của thành phố mà giờ dùng nước lớn nhất có thể bằng 1,4 đến 1,6 lần giờ dùng nước trung bình. Trong thực tế, khi lập các dự án cấp nước, các cơ quan Tư vấn thường xác định quy mô công suất dựa trên tiêu chuẩn dùng nước của các đối tượng, xác định lưu lượng giờ dùng nước trung bình rồi nhân với hệ số dùng nước không điều hòa giờ (Kgiờ)
Qmaxh = Qtbh . Kgiờ (m3/giờ) [2] (2)
để có được lưu lượng giờ dùng nước lớn nhất làm cơ sở dữ liệu để tính toán thủy lực mạng lưới. Cách xác định lưu lượng của giờ dùng nước lớn nhất như trên để tính toán thủy lược mạng lưới phù hợp với hệ thống cấp nước tại vòi, tùy theo điều kiện của từng địa phương mà hệ thống đó có thể cấp nước cho tầng 2 hoặc tầng 3 của loại nhà chiếm đa số trong thành phố. Hệ thống đó phải có đài nước (trước đây) hoặc trạm bơm nước sạch được điều khiển bằng máy biến tần (không cần đài nước). Hệ thống cấp nước làm việc đúng theo nguyên tắc đó thì khách hàng dùng nước không cần trang bị gì thêm, chỉ cần mở vòi là có nước. Hiện nay hầu hết các hệ thống cấp nước ở nước ta được thiết kế như vậy. Tuy nhiên, còn một số thành phố không thể áp dụng sơ đồ hệ thống cấp nước đó được vì mạng lưới đường ống cũ, tỷ lệ thất thoát nước cao, nếu cấp nước tại vòi theo nguyên lý trên thì tỷ lệ thất thoát sẽ càng cao vì vậy phải chọn giải pháp cấp nước vào bể chứa của khách hàng, người dùng nước phải tự trang bị máy bơm để bơm nước từ bể chứa lên két nước đặt trên mái để cấp nước cho ngôi nhà của mình. Thủ đô Hà Nội, TP Cần Thơ, phần lớn các vùng của TP Hồ Chí Minh là những thành phố hiện đang sử dụng mô hình cấp nước này. Ví dụ TP Cần Thơ, nhà máy nước Cần Thơ 1, xây dựng năm 1973, thiết kế theo nguyên lý cấp nước tại vòi, áp lực của trạm bơm nước sạch là 40 m, đài nước có chiều cao xây dựng 40 m ngay trong khuôn viên của nhà máy nhưng hiện nay không dùng mà dùng máy biến tần điều khiển trạm bơm với áp lực 1,1 Bar (tương đương 11 m cột nước). Tương tự nhà máy nước Cần Thơ 2, máy bơm nước sạch có áp lực 55 m nhưng hiện nay trạm bơm làm việc với áp lực 1,2 Bar (tương đương 12 m cột nước)

Áp lực máy bơm nước sạch theo thiết kế (55m) và áp lực vận hành (12m) tại NMN Cần Thơ 2.


Tại Hà Nội, áp lực tại trạm bơm nước sạch của nhà máy nước Ngô Sỹ Liên phát ra mạng là 0,7 Bar (tương đương 7 m cột nước) đủ để đưa nước vào bể chứa của các khách hàng của Quận Đống Đa và một phần quận Hai Bà Trưng.

Sở dĩ các thành phố trên phải áp dụng cách điều hành áp lực làm việc của mạng lưới đường ống với áp lực thấp như vậy- máy bơm có máy biến tần điều khiển- vì mạng lưới đường ống của các thành phố này có những khu vực đường ống đã cũ, rò rỉ nhiều, tỷ lệ thất thoát lớn, nếu áp lực trong mạng lưới lớn thì tỷ lệ thất thoát nước càng tăng, theo công thức thủy lực nước chảy qua lỗ và vòi:
Q=μ.ω.√(2g.H) (l/s) [4] (3)
Trong đó: μlà hệ số lưu lượng
ω là diện tích tiết diện của lỗ, vòi
g là gia tốc trọng trường (m/s2)
H là trị số áp lực trước lỗ, vòi (m cột nước)

Công thức trên cho thấy: Lưu lượng nước chảy qua một lỗ (tương tự như lỗ rò rỉ trên mạng lưới) có tiết diện không đổi (ω=constant) tỷ lệ thuận với √H vì vậy khi mạng lưới đường ống đã cũ, có nhiều điểm rò rỉ thì đã chọn giải pháp điều hành mạng lưới bằng cách giảm áp lực trên mạng để chỉ đủ cấp nước vào bể chứa của các khách hàng. Khi đó sơ đồ cấp nước của các đô thị sẽ thay đổi, không tuân theo lý thuyết thông thường nữa.

Từ trước tới nay, việc lập các Dự án cấp nước, xác định quy mô công suất của trạm cấp nước luôn tính cho ngày dùng nước lớn nhất, tính toán thủy lựcmạng lưới cấp nước theo giờ dùng nước lớn nhất của ngày dùng nước lớn nhất, như vậy các công thức (1) và (2) đã kể tới cả hệ số Kng . Kgiờ. Tính toán thủy lực, chọn đường kính ống theo lưu lượng như vậy sẽ rất an toàn cho hệ thống cấp nước tại vòi mà các hệ thống cấp nước hiện nay đang áp dụng.

Tuy nhiên, khi mô hình cấp nước đã thay đổi như Hà Nội và một vài thành phố khác là cấp nước đến bể chứa của từng công trình, từng khách hành, thì bể chứa của mỗi công trình là công trình điều hòa lưu lượng thì không cần phải kể đến các hệ số dùng nước không điều hòa ngày (Kng) và giờ (Kgiờ) nữa, nghĩa là việc tính toán thủy lực theo nguyên lý chung là cấp nước tại vòi không còn phù hợp nữa. Khi đó, với những trường hợp cấp nước vào bể chứa, lưu lượng tính toán trong đường ống chỉ cần tính theo lưu lượng trung bình của ngày và giờ theo tiêu chuẩn dùng nước trung bình. Như vậy, theo quan điểm này, khi không kể đến các hệ số Kng . Kgiờ. thì lưu lượng sẽ giảm đi rất nhiều vì vậy đường kính ống giảm khá nhiều và giảm được kinh phí đầu tư cho việc lắp đặt đường ống.

Với phương pháp tính toán đề xuất trên, lưu lượng nước giảm dẫn tới tổn thất áp lực trong đường ống cũng giảm, áp lực yêu cầu tại điểm bất lợi nhất của mạng lưới chỉ cần 1 hoặc 2 m đã đủ cấp vào bể chứa, áp lực của máy bơn nước sạch cũng sẽ giảm dẫn tới sẽ giảm chi phí điện năng bơm nước (chi phí vận hành).

Theo công thức xác định điện năng tiêu thụ cho máy bơm nước.
Nđ = (kW) [5] (4)
Trong đó :
- γ: Tỷ trọng riêng của chất lỏng bơm; (kG/m3)
Qb là Lưu lượng của máy bơm (l/s)
Hb là áp lực của máy bơm (m cột nước)
- b: Hiệu xuất máy bơm;

Khi tính toán như đề xuất trên thì lưu lượng và áp lực của máy bơm đều giảm so với tính toán hiện hành. Công suất của máy bơm cũng giảm, chi phí đầu tư (mua máy bơm) và chi phí vận hành (điện năng) đều giảm, như vậy vừa giảm được kinh phí đầu tư, vừa giảm được chi phí vận hành, giảm giá thành sản xuất 1 m3 nước, có lợi cho người tiêu dùng.

Đối với các hệ thống cấp nước tập trung ở nông thôn, hiện nay các Dự án cấp nước cũng đang áp dụng phương pháp tính toán thủy lực mạng lưới như hệ thống cấp nước thành phố (cấp nước tại vòi). Theo chương trình mục tiêu Quốc gia về cấp nước đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt năm 2000 thì đến năm 2020, “Tất cả dân cư nông thôn sử dụng nước sạch đạt tiêu chuẩn quốc gia vớisố lượng ít nhất 60 lít/người/ngày”, để hoàn thành chỉ tiêu đề ra, cần phải đầu tư khoản kinh phí rất lớn cho chương trình này. Vì vậy, nếu như sử dụng mô hình cấp nước tới bể chứa của từng gia đình, theo cách tính toán thủy lực mạng lưới đã đề xuất, với cùng một khoản kinh phí đầu tư, có thể phục vụ cho số người nhiều hơn. Với mô hình cấp nước tới bể chứa của từng gia đình trong điều kiện sinh hoạt ở nông thôn có thể chấp nhận được ở thời điểm hiện tại, sau này khi điều kiện kinh tế tốt hơn có thể cải tạo, nâng cấp để cấp nước tại vòi như hệ thống cấp nước thành phố.

Tính toán thủy lực mạng lưới cấp nước bên trong công trình
Khi tính toán thủy lực mạng lưới cấp nước thành phố (có thể quan niệm là trên mặt phẳng ngang), việc chọn đường kính ống hợp lý dựa trên cơ sở vận tốc nước chảy trong ống phải nằm trong khoảng vận tốc kinh tế, nghĩa là đảm bảo tổng kinh phí lắp đặt đường ống và chi phí quản lý vận hành mạng lưới (trong đó chi phí điện năng bơm nước) là nhỏ nhất. Đối với hệ thống cấp nước trong nhà, mạng lưới đường ống được cấu tạo theo phương đứng, vì vậy cần phải có quan điểm tính toán riêng cho phù hợp với hình dạng của mạng lưới này.
Hệ thống cấp nước cho nhà cao tầng và siêu cao tầng thường được chia thành các vùng cấpnước với chiều cao hình học của mỗi vùng khoảng 20m (tương đương với 5 đến 6 tầng). Tùy theo áp lực ở đường ống bên ngoài mà có thể tận dụng áp lực sẵn có để cấp cho một số tầng phía dưới không cần dùng máy bơm. Các vùng trên sẽ dùng các máy bơm điều khiển bằng biến tần cấp nước cho từng vùng với áp lực yêu cầu tương ứng.
Có 2 cách bố trí đường ống chính phân phối nước là đường ống chính phía dưới và đường ống chính phí trên.
Đường ống chính phân phối phía dưới thường áp dụng cho một số tầng dưới của tòa nhà, khi tận dụng áp lực sẵn có của mạng lưới bên ngoài và tận dụng không gian của tầng hầm để lắp đặt ống. Phương án này sẽ luôn tận dụng được được áp lực sẵn có mặc dù trị số áp lực ở mạng lưới bên ngoài có sự dao động. Nếu bố trí đường ống chính ở phía trên thì khi áp lực ở đường ống bên ngoài không đủ để cấp nước tới ống chính thì toàn bộ vùng cấp nước sẽ không có nước. Việc tính toán thủy lực mạng lưới trong trường hợp này vẫn chọn đường kính ống hợp lý theo vận tốc kinh tế như tính toán thủy lực thông thường.
Các vùng trên, dùng máy bơm có áp lực theo tính toán thủy lực đảm bảo theo yêu cầu, nên bố trí đường ống chính phân phối từ phía trên xuống.
Phương án bố trí đường chính phân phối nước ở phía trên và phương pháp tính toán thủy lực chọn đường kính ống đứng cấp nước

Khi bố trí đường ống chính phân phối phía trên, đáp ứng yêu cầu lưu lượng và áp lực của tầng cao nhất trong vùng cấp nước thì áp lực ở các tầng dưới sẽ thừa.
Giả thiết:
Nếu áp lực tự do tại vị trí A của tầng nào đó trong vùng cấp nước có giá trị là X thì:
Giá trị áp lực tự do tại vị trí Bcủa tầng phía dưới là:
X + Hhht – ht
trong đó: Hhht là chiều cao hình học của 1 tầng
ht là tổn thất áp lực trong ống đứng dẫn nước từ tầng trên xuống tầng dưới. Ông chính pp phía trên
Yêu cấu áp lực tự do ở tầng dưới cũng chỉ cần bằng áp lực tự do ở tầng trên theo yêu cầu của quy phạm để các thiết bị dùng nước làm việc bình thường, vì vậy ta có:
X= X + Hhht – ht hay Hhht – ht =O , ta có Hhht = ht [8] (5)
có nghĩa là cho phép giá trị tổn thất áp lực trong đoạn ống đứng dẫn nước từ tầng trên xuống tầng dưới bằng chiều cao hình học của tầng nhà.
Thông thường nếu chọn đường kính ống theo vận tốc kinh tế thì tổn thất trong đoạn ống đứng dẫn nước từ tầng trên xuống tầng dưới chỉ khoảng 0,2 đến 0,3 m nhưng chiều cao mỗi tầng nhà dao động trong khoảng 3 m đến 3,5 m. Như vậy tổn thất áp lực chỉ bằng khoảng 10% chiều cao hình học của mỗi tầng nên áp lực tự do ở tầng dưới cao hơn áp lực ở tầng trên khá nhiều. Để đảm bảo áp lực tự do ở tầng dưới tương đương với áp lực ở tầng trên theo điều kiện Hhht = ht thì cho phép tăng tổn thất áp lực trong đoạn ống đứng dẫn nước từ tầng trên xuống tầng dưới bằng cách giảm đường kính ống hay chọn đường kính ống theo vận tốc lớn hơn vận tốc kinh tế trung bình (Vkt). Vì vậy khi tính toán thủy lực các ống đứng cấp nước có đường ống chính bố trí phía trên, đề xuất chọn đường kính ống theo điều kiện V> Vkt nhưng không vượt quá 2,5 m/s (để tránh hiện tượng tạo tiếng ồn trong đường ống). Vì vậy, khi tính toán thủy lực mạng lưới cấp nước trong nhà cao tầng và siêu cao tầng, những đoạn ống có chiều nước chảy từ dưới lên trên và những đoạn ống nằm ngang thì chọn đường kính theo Vkt còn nhứng đoạn ống có chiều nước chảy từ trên xuống dưới thì chọn đường kính ống theo V> Vkt..
Như vậy, với quan điểm tính toán này, khi bố trí đường ống chính phân phối phía trên thì đường kính của các ống đứng sẽ nhỏ hơn, kinh phí đầu tư cho xây dựng mạng lưới sẽ giảm đồng thời khử bớt được áp lực dư ở các tầng phía dưới, góp phần vào việc phân phối nước đều trong tòa nhà.

Hiện nay, sử dụng công nghệ biến tần điều khiển chế độ làm việc của máy bơm, khi đó máy bơm sẽ cung cấp lưu lượng và áp lực theo đúng nhu cầu sử dụng nên không cần các công trình điều hòa lưu lượng giữa chế độ bơm và chế độ tiêu thụ nước của vùng cấp nước nên không cần bể nước ở các vùng trung gian nữa, chỉ dùng bể chứa nước trên mái, có chức năng điều hòa lưu lượng đồng thời dự trữ lượng nước chữa cháy trong 5 phút cho ngôi nhà, khi đó riêng vùng trên cùng không dùng máy biến tần.

Sơ đồ cấp nước phân vùng song song cho nhà cao tầng.


Kết luận và kiến nghị
Đối với các đô thị sử dụng mô hình cấp nước đến các bể chứa của các đối tượng dùng nước (khách hàng) thì việc tính toán thủy lực mạng lưới, tính toán áp lực của máy bơm nước sạch theo lưu lượng trung bình, không kể tới hệ số dùng nước không điều hòa ngày (kng) và hệ số không điều hòa giờ (Kgiờ) để giảm kinh phí đầu tư xây dựng mạng lưới, máy bơm và chi phí vận hành (điện năng bơm nước)

Đối với hệ thống cấp nước trong nhà, đề xuất và kiến nghị bố trí đường ống chính phân phối ở phía trên, tính toán thủy lực chọn đường kính ống đứng cấp nước theo vận tốc lớn hơn vận tốc kinh tế để giảm đường kính ống, giảm kinh phí đầu tư xây dựng, giảm áp lực dư ở các tầng phía dưới, góp phần vào việc phân phối nước đều trong nhà cao tầng và siêu cao tầng.

Đối với khu vực nông thôn, kiến nghị sử dụng mô hình cấp nước đến bể chứa để giảm kinh phí đầu tư, nâng cao tỷ lệ bao phủ cấp nước, đáp ứng chỉ tiêu của chương trình mục tiêu Quốc gia đề ra là đến năm 2020 toàn bộ dân cư được dùng nước sạch.

PGS.TS. Nguyễn Văn Tín
Bộ môn Cấp thoát nước- Trường Đại học Xây dựng

TÀI LIỆU THAM KHẢO
QCVN 07-1:2016/BXD- Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia các công trình hạ tầng kỹ thuật- Công trình Cấp nước.
TCVN 33-2006. Cấp nước- Đường ống cấp nước bên ngoài và công trình - Tiêu chuẩn thiết kế.
TCVN 4513-88. Cấp nước bên trong- Tiêu chuẩn thiết kế.
Sổ tay tính toán thủy lực – Lưu Công Đào, Nguyễn Tài dịch từ tiếng Nga, NXB MIR Maxcơva, NXB Nông nghiệp -1984
Lê Thị Dung - Máy bơm và trạm bơm. NXB Xây dựng -1999
Trần Hiếu Nhuệ (Chủ biên). Cấp thoát nước-NXB KHKT 2012
Nguyễn Văn Tín (Chủ biên). Cấp nước tập I- Mạng lưới cấp nước. NXB KHKT- 2001
Nguyễn Văn Tín- Nghiên cứu các giải pháp thiết kế cấp thoát nước và Môi trường cho nhà siêu cao tầng ở Việt Nam - Đề tài NCKH cấp Bộ GD&ĐT, Mã số CTB-2012-03-07.

Loading...
Bạn đang đọc bài viết Phương pháp thủy lực trong lắp đặt đường ống cấp nước tại chuyên mục Nghiên cứu – Trao đổi. Thông tin phản ánh, liên hệ đường dây nóng : 0913 385 005 - 0917 681 188 Hoặc email: bandientu.mtdt@gmail.com
Tin cùng chuyên mục Nghiên cứu – Trao đổi
Nếu bạn biết sử dụng, phân loại rác hợp lý thì có thể dễ dàng kiếm thêm một ít tiền tiêu vặt từ việc bán đồng nát nữa! 4 cách phân loại rác dưới đây sẽ giúp bạn thực hiện điều đó.