Việc ứng dụng công
nghệ biến tần kết
hợp thiết bị điều khiển…
PLC và màn hình điều khiển vào Tự động
điều khiển tốc độ các động cơ điện dẫn động các bơm nước để ổn định áp lực nước trên ống cấp nước
(đường kính chính), đã tạo ra nhiều tiện ích trong điều khiển và hiệu quả kinh tế.
Tuy nhiên, dạng hệ thống điện này mới chỉ đáp ứng mang tính hiện trường. Sự phát triển mạnh của
lĩnh vực truyền thông công nghiệp đã mở ra khả năng phát triển, hoàn thiện các hệ điều khiển phân
tán trong tự động điều khiển các quá trình sản xuất công nghiệp.
Tổng quan hệ thống tiết giảm năng lượng điện tại các trạm bơm nước
Các trạm bơm mước (được hiểu là các trạm bơm nước thô, nước sạch) ở hầu hết các doanh nghiệp sản
xuất và cung cấp nước sạch tại nước ta đều được thiết kế với những đặc điểm chính sau:
. Trạm thường có tối thiểu 3 bơm, cùng cấp nước vào một đường ống chính (đường ống cái);
. Hệ thống điện của trạm ở dạng thông thường: Các động cơ dẫn động bơm được khởi động trực tiếp
hoặc sao/tam giác tùy thuộc vào công suất động cơ (thường là sao/tam giác) và tất cả các động cơ đều
hoạt động ở tốc độ định mức;
. Trong quá trình trạm bơm hoạt động, thường luôn luôn để một bơm ở chế độ dừng (mang tính dự
phòng);
. Việc điều chỉnh áp lực (hoặc lưu lượng) trên đường ống chính được thực hiện thông qua các van (có
thể là van tay hoặc van điện) trong trường hợp sự thay đổi áp lực ở khoảng cho phép. Trường hợp
ngược lại thì sa thải (có thể là một bơm, hoặc nhiều hơn) hoặc đưa thêm bơm dự phòng vào hoạt động
(việc sa thải hoặc đưa vào hoạt động các bơm thường bằng tay). Tuy nhiên, khi thiết kế thường tính
toán sa thải bơm khi áp lực nước quá cao;
. Toàn bộ các tủ điện của hệ thống điện cho các bơm, được bố trí tại phòng điều khiển của trạm bơm.
Với những đặc điểm nêu trên, các trạm bơm này tồn tại những nhược điểm sau:
Việc ổn định áp lực nước trên ống không tin cậy, thao tác nặng (với van cơ);
Độ bền cơ khí của các van, bơm không cao do chịu áp lực của nước và luôn chạy ở tốc độ không đổi
bằng định mức;
Trong quá trình thay đổi độ mở của van nhằm duy trì áp lực nước cần thiết theo sự thay đổi mức
dùng nước trên hệ thống đường ống (đối với các trạm bơm nước sạch), gây nên sự lãng phí năng lượng
điện tiêu thụ bởi các động cơ dẫn động;
Các động cơ điện dẫn động các bơm luôn chạy với tốc độ định mức với bất kỳ mức độ dùng nước sạch
trên hệ thống đường ống cấp nước, vì vậy độ bền cơ khí (các ổ đỡ trục quay); tổn thất nhiệt trên cuộn
dây không thể cải thiện được.
Nhằm tự động điều khiển dòng năng lượng điện tiêu thụ bởi các động cơ phù hợp với mức độ tiêu thụ
trên hệ thống đường ống chính (với trạm bơm nước sạch) và phù hợp với mức nước ở sông / hồ theo
hai mùa khô/ lũ (với trạm bơm nước thô) thông qua tự động thay đổi tốc độ các động cơ dẫn động các
bơm sao cho áp lực trên đường ống chính được tự động ổn định. Một phương án phổ biến nhất là sử
dụng công nghệ biến tần kết hợp với các thiết bị điều khiển (PLC và màn hình điều khiển) để tích hợp
thành một hệ thống điện (tạm gọi là hệ thống điện tiết giảm năng lượng điện cho trạm bơm nước) có
cấu hình như hình 1:
.
Hình 2: Sự di chuyển điểm làm việc của hệ thống (bơm và đường ống chính) và điểm làm việc công
suất của bơm ở chế độ ổn định cột áp theo phương pháp thay đổi tốc độ động cơ dẫn động bơm.
Hệ thống điện tiết giảm năng lượng điện cho trạm bơm nước với cấu hình như trên có đặc điểm chính
về cấu tạo, nguyên lí hoạt động và những ưu điểm sau:
.Toàn bộ các phần tử PLC, TP….micro, Driver; khối rơ le trung gian; khối nguồn 220 VAC /24 VDC,
được lắp gọn vào trong tủ liên kết thành một dãy tủ. Dãy tủ này được đặt ngay trong phòng điều khiển
của trạm bơm;
. Việc tích hợp phần cứng nên lựa chọn sản phẩm của các hãng có uy tín trên thế giới (ví dụ: PLC và TP
….micro nên chọn của Siemens, Drive nên chọn của Emerson/ Danfoss/ABB…)
. Phần mềm điều khiển: được gia công tương thích với loại biến tần và điều kiện hoạt động cụ thể của
từng loại bơm. Trong đây, đặc biệt chú ý tới các điều kiện địa hình mà hệ thống đường ống được lắp
(đây là yếu tố ảnh hưởng tương đối lớn đến mức tiết giảm năng lượng điện). Phần mềm điều khiển quá
trình hoạt động của các trạm bơm nước là sản phẩm với những tính chất đặc trưng của riêng từng công
ty (hay có thể nói nó chính là một sản phẩm thể hiện khả năng về “năng lực” của từng công ty. Các
công ty hoạt động trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp đều có khả năng thiết kế cấu hình, tính chọn
thiết bị trong một hệ thống điều khiển quá trình công nghiệp là như nhau, chỉ khác nhau năng lực. Gia
công phần mềm điều khiển cài đặt vào hệ thống sao cho hệ thống hoạt động đạt hiệu quả nhất;
. Hệ thống hoạt động dựa trên nguyên lí cơ bản sau: Khi nhu cầu dùng nước trên đường ống thay đổi
(đối với trạm bơm nước sạch), dẫn đến áp lực nước đầu vào các bơm thay đổi theo sự lên xuống của
mức nước sông/ hồ (đối với trạm bơm nước thô), trạm bơm nước thô thay đổi. PLC sẽ nhận tín hiệu
thay đổi áp lực nước từ cảm biến áp lực truyền về và sẽ xử lí để xuất ra các tín hiệu cần thiết làm thay
đổi tần số, dẫn đến tốc độ các động cơ dẫn động bơm thay đổi theo hướng ổn định áp lực. Các quá trình
hoạt động khác diễn ra tương đối dễ hiểu và không nhất thiết phải mô tả;
. Hệ thống hoạt động được cả trong hai chế độ: tự động và bằng tay. Việc lựa chọn chế độ hoạt động của
hệ thống, cũng như cài đặt các thông số kỹ thuật khác (như tần số lớn nhất/ nhỏ nhất; áp lực cần ổn
định; …được thực hiện từ màn hình TP…micro;
.Như là một nguyên tắc bắt buộc: Hệ thống này chỉ hoạt động với tiêu chí tối ưu về mặt tiết giảm năng
lượng điện tiêu thụ bởi các động cơ khi tất cả các bơm của trạm đều chạy (không để dự phòng) trong
khoảng dao động chính của sự thay đổi mức độ dùng nước và mức nước trên sông/hồ. Trong trường
hợp (thời gian tồn tại trường hợp này rất ngắn); khi mà tốc độ tất cả các bơm đã ở giá trị nhỏ nhất cho
phép (có tính đến dải thay đổi tốc độ để hiệu suất của bơm là tối ưu) thì có khả năng sa thải bơm và sau
đó tăng tốc độ các bơm còn lại để ổn định áp lực nước. Điều này quyết định đến việc: để thực hiện tiết
giảm năng lượng điện tiêu thụ bởi các bơm cũ là thích hợp nhất) vào hệ thống bơm, sau đó đưa hệ
thống điện này vào điều khiển tất cả các bơm cùng chạy;
. Việc đánh giá mức giảm năng lượng điện tiêu thụ của từng bơm khi ứng dụng cấu hình như hình 1 vào
thực tế, có thể được đánh giá trên các đặc tính cột áp trên đường ống chính và công suất bơm như
hình 2:
Hình 2: Sự di chuyển điểm làm việc của hệ thống (bơm và đường ống chính) và điểm làm việc công
suất của bơm ở chế độ ổn định cột áp theo phương pháp thay đổi tốc độ động cơ dẫn động bơm.
Trong đó: Đoạn thẳng A0-A1 trên hình 2a là đoạn thẳng mà các điểm làm việc của hệ thống sẽ di
chuyển điểm công suất tiêu thụ của bơm khi đảm bảo ổn định áp lực mà mức tiêu thụ (lưu lượng) thay
đổi. Từ hình 2, dễ nhận thấy rõ nét khả năng giảm năng lượng điện tiêu thụ càng lớn khi mức tiêu thụ
nước càng giảm và đồng thời cho toàn bộ các bơm đều chạy (tức đảm bảo đủ lưu lượng / áp lực cần
thiết trên đường ống chính với tốc độ các bơm càng thấp).
Hệ thống điện tiết giảm năng lượng điện cho trạm bơm nước sạch với cấu hình như hình 1, tuy đã đạt
hiệu quả như đã nêu trên thì vẫn còn phải quan tâm vấn đề sau: Việc thiết lập hệ thống điện tiết giảm
năng lượng điện này cho các trạm bơm nước mới chỉ đáp ứng về mặt hiện trường, cụ thể: nâng cao hiệu
quả sử dụng năng lượng điện; tiện ích trong điều khiển (thao tác nhẹ nhàng hơn nhiều so với hệ cũ);
nâng cao chất lượng cung cấp nước, tăng tuổi thọ động cơ điện, bơm, van, đường ống. Với một công ty
chuyên ngành sản xuất và cung cấp nước sạnh, về mặt tổ chức có đặc điểm: thường có nhiều xí nghiệp
cách xa nhau; trong mỗi xí nghiệp thường có nhiều trạm bơm cách xa nhau (có nơi lên tới hàng chục
km); hệ thống đường ống tương ứng với từng trạm bơm nước sạch có thể độc lập hoặc “thông” với một
hoặc toàn bộ hệ thống đường ống của các trạm bơm nước sạch khác. Như vậy có thể thấy với việc ứng
dụng biến tần và các thiết bị điều khiển khác cùng gia công phần mềm điều khiển vào tất cả các trạm
bơm đã tạo ra các “mạng biến tần” tai hiện trường (một mạng biến tần được hiểu là các biến tần cùng
hoạt động trong một trạm). Vấn đề đặt ra là phải “liên kết” các “mạng biến tần” vào hệ điều khiển
thống nhất từ cấp công ty (hoặc từ cấp xí nghiệp) xuống đến hiện trường. Đó chính là tạo ra hệ điều
khiển có cấu trúc phân tán với ứng dụng Profibus DP như là một mạng truyền thông để thực hiện vận
hành và giám sát các “mạng biến tần” tại hiện trường.