Công Nghệ Bơm Thủy Luân, Bơm Nước Tự động Phục Vụ Nông Nghiệp ...

Xuất xứ

Nước ta có một nguồn thủy năng phong phú, nguồn năng lượng này phân bố khá đều ở các tỉnh miền núi trong cả nước, tập trung nhiều ở vùng sâu, vung xa. Khai thác nguồn thủy năng để phục vụ cho bơm nước và phát điện là một thế mạnh của miền núi, vừa góp phần phát triển kinh tế, bảo vệ môi trường, vừa góp phần đẩy nhanh phát triển miền núi, vì nó thu hút được khá nhiều nguồn vốn đầu tư của các doanh nghiệp vào lĩnh vực này.

Trước đây, phần lớn thiết bị bơm thủy luân nhập khẩu từ nước ngoài, chủ yếu cho các trạm lưu lượng lớn, cột nước thấp và giá thành nhập khẩu tương đối cao. Các thiết bị thay thế khó khăn và tuổi thọ không cao. Từ năm 1995 đến nay, Viện Thủy điện và năng lượng tái tạo đã nghiên cứu một cách hệ thống và đã chế tạo ra nhiều loại bơm thủy luân khác nhau có thể đáp ứng được phần lớn nhu cầu sử dụng ở nước ta từ các tổ máy cực nhỏ sử dụng cho hộ gia đình, đến các tổ máy lớn, có thể cấp nước cho hàng trăm hecta và giá thành rẻ hơn nhiều so với nhập ngoại. Tuy nhiên tuổi thọ của các loại bơm này cũng chưa được cao và hiệu suất của bơm còn hạn chế.

Trước tình hình đó, cán bộ công nhân Viện Thủy điện và năng lượng đã nghiên cứu tìm ra các giải pháp công nghệ để nâng cao hiệu suất, cũng như tuổi thọ của bơm thủy luân, đồng thời giảm giá thành của sản phẩm.

Quá trình nghiên cứu

Từ trước 2009, Viện Thủy điện và năng lượng đã bắt đầu đánh giá tổng thể các trạm bơm thủy luân đã được lắp đặt sử dụng và khai thác, để tìm ra các ưu, nhược điểm làm tiền để cho việc tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện sản phẩm bơm thủy luân do Viện Thủy điện và năng lượng nghiên cứu và chế tạo ra.

Năm 2009, Viện Thủy điện và năng lượng chính thức đi vào nghiên cứu công nghệ để nâng cao tuổi thọ, hiệu suất đồng thời làm giảm giá thành sản xuất của 5 loại bơm thủy luân từ bơm thủy luân BHL 20-6A đến bơm thủy luân BHL 60-12A với đề tài “ Hoàn thiện công nghệ thiết kế, chế tạo, hướng dẫn lắp đặt và quản lý vận hành bơm thủy luân cải tiến phục vụ cấp nước cho các tỉnh miền núi phía Bắc và Tây Nguyên”.

Quy trình

Cấu tạo và nguyên lý làm việc của bơm thủy luân

Kết cấu và đặc điểm của bơm thủy luân

Kết cấu

1- Ổ bi; 2-Cánh bơm; 3-Buồng bơm; 4-Hướng dòng tua bin; 5-Buồng tua bin; 6-Cánh tua bin; 7-Trục; 8-ổ bạc cao su; 9-Vành mòn bơm; 10-Chắn rác; 11-Vòng làm kín; 12-Bích bơm; 13-Nắp mỡ; 14-Chóp cánh tua bin

Cấu tạo của bơm thuỷ luân như trong Hình 1, nó gồm 14 bộ phận: ổ bi, cánh bơm, buồng bơm, chóp hướng, buồng tua- bin, cánh tua- bin, trục bơm tua- bin, bạc cao su, vành mòn, rọ chắn rác, phớt làm kín ổ bi, bích bơm, nắp mỡ và chóp cánh tua- bin.

Hình 1 là kết cấu điển hình của 1 bơm thuỷ luân được sử dụng nhiều nhất từ trước đến nay. Bánh công tác bơm và bơm bánh công tác tua bin được lắp trên cùng 1 trục. ổ dẫn hướng bằng cao su ( hoặc plastic) làm việc rất bền trong điều kiện nước đục. Phía trên là ổ bi được bôi trơn bằng mỡ, ổ này chịu lực dọc trục dư thừa giữa bơm và tuabin.

b) Đặc điểm

- Tua bin và bơm là một khối lượng nhất, nối chung một trục nên kết cấu rất chặt chẽ và không cần bộ truyền.

- Cả bơm và tua bin làm việc ngập trong nước nên bỏ qua được quá trình mồi nước ban đầu, giảm sự cố hư hỏng.

- Lực dọc trục do dòng nước tác dụng vào bánh công tác của bơm và bánh công tác của tua bin được thiết kế ngược chiều nhau, nên phần lớn các lực này triệt tiêu nhau vì vậy kết cấu trục đơn giản, dễ chế tạo và có tuổi thọ làm việc cao.

- Công suất trên trục bơm thiết kế bằng công suất trên trục tua bin nên khi làm việc, nếu phụ tải bơm thay đổi ( công suất trên trục bin thay đổi do cột nước và lưu lượng bơm thay đổi). Thì tua bin tự điều chỉnh tốc độ cho phù hợp. Như vậy giữa bơm và tua bin xuất hiện quá trình tự điều tiết cho nhau, bổ sung lẫn nhau đề tạo ra mức cân bằng năng lượng mới.

- Về bản chất tua bin và bơm có nguyên lý làm việc giống nhau nhưng quá trình biến đổi năng lượng trái ngược nhau. Tua bin biến năng lượng dòng nước thành cơ năng còn bơm biến cơ năng thành năng lượng dòng nước. Chính vì những đặc điểm trên nên loại bơm thuỷ luân này rất phù hợp với điều kiện trung du miền núi Việt Nam. Tuy nhiên bơm thủy luân kiểu mi ni cần phải có kết cấu đơn giản hơn nữa, giá thành thấp để phục vụ phát triển kinh tế hộ gia đình.

Nguyên lý làm việc

Bơm tua bin nước hay bơm thủy luân là máy nâng nước do bơm và tua bin tạo thành. Hai bộ phận: Bơm và tua bin có cùng một trục hai đầu được đỡ bằng ổ đỡ bi côn và ổ đỡ cao su làm việc ngâm trong nước. Bánh công tác tua bin là bộ phận biến thủy năng thành cơ năng làm trục quay đồng thời kéo bánh công tác bơm quay, bánh công tác bơm biến cơ năng thành thủy năng, dòng nước qua bánh công tác bơm được tăng năng lượng, do đó bơm nước từ thấp lên cao.

Thông số kỹ thuật của các loại bơm

Thông số kỹ thuật của bơm BHL 20-6A

Thông số kỹ thuật của bơm BHL 30-6A

Thông số kỹ thuật của bơm BHL 40-6A

Thông số kỹ thuật của bơm BHL 60-6A và BHL 60-12A

Quy trình công nghệ

Quy trình “Hoàn thiện công nghệ thiết kế, chế tạo, hướng dẫn lắp đặt và quản lý vận hành bơm thủy luân cải tiến phục vụ cấp nước cho các tỉnh miền núi phía Bắc và Tây Nguyên” được thực hiện theo các bước sau:

Tính toán thiết kế cải tiến

- Tính toán thiết kế kết cấu và tính chọn phương pháp làm kín ổ bi tiên tiến, tăng độ tin cậy và tuổi thọ của tổ máy.

- Tính toán thiết kế các chi tiết, bộ phận quan trọng (Bánh công tác tuabin, bánh công tác bơm, buồng xoắn của bơm, phần dẫn dòng tuabin, trục, ổ bi…) quyết định đến hiệu suất để nâng cao hiệu suất của bơm thủy luân.

Việc tính toán thiết kế các chi tiết của bơm thủy luân được thực hiện trên các phần mềm ứng dụng như Cad, Cam, Inventer và đặc biệt là phần mềm Fluent cho kết quả có độ chính xác cao.

Hoàn thiện quy trình chế tạo tổ máy

Giá thành và chất lượng bơm thủy luân phụ thuộc chủ yếu vào quy trình chế tạo bơm thủy luân. Ở đây Viện Thủy điện và năng lượng đã xây dựng được Qui trình sản xuất bơm thủy luân theo tiêu chuẩn ISO 9001:2008 và theo sơ đồ sản xuất tổng thể như sau:

Xây dựng đặc tính vận hành của tổ máy

Để đánh giá được chính xác đặc tính là việc của bơm tua bin, vùng làm việc cho hiệu suất cao nhất, vấn đề cần thiết là phải xây dựng được đặc tính vận hành của bơm thủy luân. Việc xây dựng đặc tính vận hành của bơm, giúp cho người quản lý vận hành bơm thủy luân đạt hiệu quả cao.

Biên soạn các tài liệu hướng dẫn lắp đặt và quản lý vận hành bơm thủy luân

Tiêu chuẩn đạt được: đạt tiêu chuẩn ISO 9001:2008.

Quá trình hoàn thiện công nghệ

- Về kết cấu:

Trong bơm thủy luân, bạc cao su (1) là chi tiết rất nhanh bị mòn và cần phải thay thế bảo dưỡng, công việc này khá phức tạp đối với bơm thủy luân công nghệ cũ, do phải tháo lắp nhiều chi tiết mới có thể thay thế. Tuy nhiên công việc này trở nên đơn giản hơn rất nhiều sau khi đã cải tiến thiết kế và lắp bạc cao su từ đáy lên.

Hiệu suất làm việc của bơm công nghệ cũ thấp do nhiều nguyên nhân trong đó có một số nguyên nhân cơ bản sau:

+ Góc đặt cánh hướng dòng của buồng tuabin:

Qua tính toán thiết kế, tăng góc đặt cánh hướng theo công nghệ cũ từ 20o lên thành 28o theo công nghệ cải tiến làm tăng hiệu suất làm việc của bơm lên đáng kể .

Các bề mặt dẫn dòng của buồng bơm cũng được cải tiến làm suôn theo dòng chảy để làm giảm tổn thất, đây cũng là những cải tiến về mặt công nghệ làm tăng hiệu suất của bơm.

Các bề mặt của trục để lắp vòng bi và lắp bạc cao su của bơm cải tiến được tôi để tăng độ cứng và tăng độ chống mài mòn trục giúp trục bơm bền hơn so với công nghệ cũ là trục không được tôi.

Cánh tua bin và cánh bơm của bơm cải tiến được làm bằng thép do đó dộ bền của cánh được nâng lên, đồng thời giúp giảm tổn thất thủy lực của bơm, so với cánh bơm và cánh tua bin công nghệ cũ làm bằng gang đúc thường có độ bền không cao và tổn thất thủy lực lớn.

Về công nghệ chế tạo: Với bơm thủy luân cải tiến đã được chế tạo theo quy trình sản xuất bơm thủy luân theo tiêu chuẩn ISO 9001:2008 nên chất lượng của sản phẩm được nâng lên đồng thời làm giảm giá thành sản phẩm.

Các lĩnh vực áp dụng

Bơm thủy luân có thể cấp nước lên cao mà không cần dùng các loại năng lượng như xăng, dầu, điện … vì vậy nó thích hợp sử dụng để:

- Cấp nước sạch tại các vùng cao nơi xa nguồn điện lưới

- Bơm nước tưới vườn đồi

- Bơm nước tưới ruộng bậc cao

- Cấp nước phục vụ nuôi trồng thủy sản trên đồi cao…

Ưu điểm

Đối với bơm thủy luân ngoại nhập, tuổi thọ của bơm thường không cao do các chi tiết như cốc bi, ổ bi thường bị rò nước do đó nhanh bị phá hỏng; cánh tua bin và cánh bơm thường bị sứt mẻ và rễ gẫy vỡ. tuổi thọ thông thường đối với bơm thủy luân ngoại nhập từ 2-3 năm cho lần sửa đầu tiên. Còn đối với bơm thủy luân cải tiến do Viện Thủy điện và năng lượng thiết kế có tuổi thọ trung bình vào khoảng 3-4 năm cho lần sửa chữa thay thế đầu tiên.

Hiệu suất làm việc của bơm thủy luân ngoại nhập thường khá thấp, chỉ đạt từ 42% - 54.7%. Còn đối với bơm thủy luân do Viện Thủy điện và năng lượng có hiệu suất tăng đáng kể sau khi được thiết kế cải tiến, nó vào khoảng từ 50-63%.

Về kết cấu, bơm thủy luân cải tiến cho phép dễ dàng tháo lắp và sửa chửa hơn nhiều so với bơm thủy luân ngoại nhập, đặc biệt ở chỗ kết cấu bạc cao su.

Về cột nước đẩy, đối với tuabin ngoại nhập chỉ có thể đạt tối đa là 24m. Tuy nhiên đối với bơm thủy luân cải tiến do Viện Thủy điện và năng lượng chế tạo cột nước đẩy có thể lên tới 48m do chế thiết kế chế tạo ra loại bơm BHL60-12A.

Quy mô và địa chỉ đã ứng dụng

- Trạm bơm Phú Thịnh, Xã Phú Thịnh, Huyện Đại Từ, Tỉnh Thái Nguyên,

+ Kiểu loại: Bơm thủy luân BHL 30-6, 01 tổ

+ Kiểu loại: Bơm thủy luân BHL 40-6, 01 tổ

- Trạm bơm Thượng Cốc, Xã Thượng Cốc, Huyện Lạc Sơn, Tỉnh Hòa Bình

+ Kiểu loại: Bơm thủy luân BHL 30-6, 02 tổ

- Dự án ứng dụng tích hợp công nghệ đập cao su và bơm thủy luân phục vụ cấp nước trong điều kiện cạn kiệt nguồn nước tại Cao Bằng

+ Kiểu loại: Bơm thủy luân BHL 30-6, 01 tổ

Với trăn trở giúp bà con vùng miền núi có điều kiện phát triển kinh tế giảm đói nghèo, thì việc đưa nước để tưới và tăng thêm mùa vụ cho bà con là điều hết sức cần thiết và mang ý nghĩa chính trị cao. Điều đó đã thôi thúc Viện Thủy điện và năng lượng tái tạo tìm tòi thiết kế và chế tạo ra các loại bơm thủy luân cải tiến mới có hiệu suất cao và cột áp lớn giúp bà con vùng đồi núi có điều kiện để phát triển kinh tế. Qua đó Viện đã chế tạo thành công các loại bơm thủy luân cải tiến từ BHL 20-6A đến BHL 60-12A và đã xây dựng được quy trình sản xuất theo tiêu chuẩn ISO 9001:2008. Cho đến nay bơm thủy luân đã được áp dụng rộng dãi và phổ biến ở tất cả các miền núi phía Bắc và Tây Nguyên góp phần không nhỏ vào công cuộc Công nghiệp hóa hiện đại hóa Nông nghiệp nông thôn.