Các chỉ tiêu kinh tế và vấn đề khai thác trạm bơm

Việc xây dựng mới và cải tạo các công trình của trạm bơm hiện có chỉ được tiến hành sau khi có lập luận về tính hợp lý và có lợi thông qua tính toán kinh tế - kỹ thuật chúng. Việc tính toán này giúp ta tìm thấy giải pháp kỹ thuật tối ưu và xác định thời hạn xây xựng hoặc cải tạo công trình. Trong thực tế xây dựng thủy lợi để xác định ra một phương án giải pháp có hiệu quả hơn phương án khác người ta dùng phương pháp so sánh hiệu quả kinh tế. Nhờ phương pháp này, vào giai đoạn trước khi thiết kế ta có thể chọn ra: biện pháp bơm nước, nguồn nước tưới cấp nước hay chống lụt, vị trí đặt cửa lấy nước, tuyến dẫn và bơm nước, số lượng vùng bơm nước mà trạm bơm phụ trách..v.v... Kết quả lựa chọn này xác định được đặc trưng của giải pháp là: đối tượng hưởng lợi, vốn đầu tư, khối lượng xây dựng và tiện lợi của khai thác trạm bơm. Vào những giai đoạn thiết kế tiếp theo cũng dựa vào phương pháp so sánh hiệu quả kinh tê để́:

- Luận chứng về vị trí đặt nhà máy trên tuyến cấp nước, xác định được chiều dài

kênh dẫn và đường ống áp lực ;

- Chứng tỏ được phương án chọn là ưu việt trong nhiều phương án đưa ra ;

- Luận chứng được số lượng và kiểu máy bơm, bao gồm cả máy bơm dự trữ ;

- Chọn được số đường ống, khối lượng vật liệu, chiều dày và đường kính ống;

- Xác định kết cấu tối ưu và kích thước bao của các công trình chính và phụ;

- Luận chứng sự cần thiết của việc xây dựng công trình và trình tự tiến hành thi

công và đưa trạm vào khai thác, các thông số và thời hạn xây dựng.

Nếu công trình của hệ thống thủy lợi có thể khai thác từ 10 năm hoặc hơn thì việc tính toán kinh tế hợp lý hơn sẽ tiến hành theo từng đợt xây dựng. Đầu tư khi đó cũng sẽ được phân bố theo thời hạn xây dựng. Các thông số của mỗi đợt cũng được xác định trên cơ sở so sánh kết quả tính toán kinh tế - kỹ thuật các phương án từng đợt với thời hạn sử dụng đất đai tương ứng. Các đầu tư phụ cho việc xây dựng theo đợt so sánh với giá thành sản phẩm nhận được đến khi kết thúc xây dựng các công trình chính.

Cần tính toán đường kính kinh tế của ống áp lực ( ống đẩy ) trước khi chọn số ống , vật liệu làm ống và sơ đồ nối máy bơm với đường ống đẩy. Đường kính kinh tế ống được xác định theo chi phí quy dẫn nhỏ nhất ( công thức 13 - 1 ). Trong trường hợp này, vốn đầu tư bao gồm: giá thành đường ống và lắp đặt ống; còn chi phí vận hành năm gồm: khấu hao, sữa chữa và tiền điện bị tổn hao để khắc phục tổn thất cột nước trong ống. Như vậy, việc chọn lựa đường kính ống kinh tế được tiến hành với việc nghiên cứu đưa ra một số phương án ( không ít hơn ba ) đường ống có đường kính khác nhau và tính toán chỉ tiêu chi phí quy đổi cho từng phương án đó, chọn đường kính có chi phí quy dẫn nhỏ nhất làm đường kính kinh tế. Thông thường đường kính của các đường ống đặt song song thì bằng nhau và không thay đổi theo chiều dài ống, bởi vậy đường kính kinh tế có thể xác định trên 1 mét chiều dài ống.

Chi phí quy dẫn nhỏ nhất theo công thức sau cho 1 m dài ống:

{}Z = C + K.EH = a. + ( b / 100 ).K + K. EH( 13 - 3 )

Trong đó a - giá tiền 1 kWh;

 - lượng điện tiêu hao trên 1 m dài đường ống, kWh;

b - số % khấu hao để phục hồi, sữa chữa lớn và sữa chữa thường xuyên;

K - giá thành 1 m ống và lắp đặt ống, đ;

EH - hệ số hiệu ích kinh tế tiêu chuẩn.

Dạng chung của biểu thức  như sau:

 = ∫t=0T9,81.Qhwhtbdt=9,81.Ahtb∫t=0TQ3dt size 12{ Int cSub { size 8{t=0} } cSup { size 8{T} } { { {9,"81" "." Q { size 24{h} } rSub { size 8{w} } } over { { size 24{h} } rSub { size 8{ ital "tb"} } } } } "dt"= { {9,"81" "." A} over { { size 24{h} } rSub { size 8{ ital "tb"} } } } Int cSub { size 8{t=0} } cSup { size 8{T} } { { size 24{Q} } rSup { size 8{3} } } ital "dt"} {}( 13 - 4 )

Trong đó: T - thời gian làm việc của máy bơm, giờ;

hw size 12{ { size 24{h} } rSub { size 8{w} } } {}- tổn thất cột nước trên 1 m dài đường ống, hw=A.Q2 size 12{ { size 24{h} } rSub { size 8{w} } =A "." { size 24{Q} } rSup { size 8{2} } } {}, m ;

A - sức cản thủy lực đơn vị;

htb size 12{ { size 24{h} } rSub { size 8{ ital "tb"} } } {} = hmb⋅hdc⋅hm size 12{ { size 24{h} } rSub { size 8{ ital "mb"} } cdot { size 24{h} } rSub { size 8{ ital "dc"} } cdot { size 24{h} } rSub { size 8{m} } } {} là hiệu suất trạm bơm, gồm : hiệu suất máy bơm,

hiệu suất động cơ, hiệu suất tính đến tổn hao trên tuyến dẫn đến động cơ.

Đặt ∫t=0TQ3dt=qp.t3 size 12{ Int cSub { size 8{t=0} } cSup { size 8{T} } { { size 24{Q} } rSup { size 8{3} } } "dt"= { size 24{q} } rSub { size 8{p "." t} } rSup { size 8{3} } } {}, khi đó công thức ( 13 - 4 ) có dạng:

 = ( 9,81. A / tb ) qp.t3 size 12{ { size 24{q} } rSub { size 8{p "." t} } rSup { size 8{3} } } {}.T( 13 - 5 )

Đối với biểu đồ lưu lượng yêu cầu có dạng bậc thì lưu lượng trung bình khối trong

ống được tính theo công thức sau:

qp.t=∑i=1kQi3ti/∑i=1kti3 size 12{ { size 24{q} } rSub { size 8{p "." t} } = nroot { size 8{3} } { Sum cSub { size 8{i=1} } cSup { size 8{k} } { { size 24{Q} } rSub { size 8{i} } rSup { size 8{3} } } { size 24{t} } rSub { size 8{i} } / Sum cSub { size 8{i=1} } cSup { size 8{k} } { { size 24{t} } rSub { size 8{i} } } } } {}( 13 - 6 )

Trong đó: i - thứ tự thời đoạn trên biểu đồ lưu lượng;

k - số thời đoạn trên biểu đồ lưu lượng;

Qi - lưu lượng trong ống ứng với thời đoạn thứ i, m3/h.

Sau đây là một số công thức tính qp.t size 12{ { size 24{q} } rSub { size 8{p "." t} } } {}đối với các biểu đồ lưu lượng ( Hình 13 - 1 ) và các sơ đồ nối ống ( Hình 13 - 2 ) lập cho trạm có các máy bơm cùng đường đặc tính

Hình 13 - 1. Các biểu đồ lưu lượng của trạm.

Hình 13 - 2. Các sơ đồ nối ống đẩy của trạm bơm.

- Biểu đồ a và sơ đồ a:

qp.t=Q(t1+2t2+t3)/(3T)3 size 12{ { size 24{q} } rSub { size 8{p "." t} } =Q nroot { size 8{3} } { ( { size 24{t} } rSub { size 8{1} } +2 { size 24{t} } rSub { size 8{2} } + { size 24{t} } rSub { size 8{3} } ) / ( 3T ) } } {}( 13 - 7 )

- Biểu đồ a và sơ đồ  :

qp.t=Q(t1+8t2+t3)/T3 size 12{ { size 24{q} } rSub { size 8{p "." t} } =Q nroot { size 8{3} } { ( { size 24{t} } rSub { size 8{1} } +8 { size 24{t} } rSub { size 8{2} } + { size 24{t} } rSub { size 8{3} } ) /T} } {}( 13 - 8 )

- Biểu đồ  và sơ đồ b :

qp.t=Q(t1+2t2+3t3+2t4+t5)/(4T)3 size 12{ { size 24{q} } rSub { size 8{p "." t} } =Q nroot { size 8{3} } { ( { size 24{t} } rSub { size 8{1} } +2 { size 24{t} } rSub { size 8{2} } +3 { size 24{t} } rSub { size 8{3} } +2 { size 24{t} } rSub { size 8{4} } + { size 24{t} } rSub { size 8{5} } ) / ( 4T ) } } {}( 13 - 9 )

- Biểu đồ  và sơ đồ :

qp.t=Q(t1+2t2+9t3+2t4+t5)/(2T)3 size 12{ { size 24{q} } rSub { size 8{p "." t} } =Q nroot { size 8{3} } { ( { size 24{t} } rSub { size 8{1} } +2 { size 24{t} } rSub { size 8{2} } +9 { size 24{t} } rSub { size 8{3} } +2 { size 24{t} } rSub { size 8{4} } + { size 24{t} } rSub { size 8{5} } ) / ( 2T ) } } {}( 13 - 10 )

- Biểu đồ  và sơ đồ  :

qp.t=Q2t1+8t2+27t3+8t4+t5T3 size 12{ { size 24{q} } rSub { size 8{p "." t} } = { {Q} over {2} } nroot { size 8{3} } { { { { size 24{t} } rSub { size 8{1} } + { size 24{8t} } rSub { size 8{2} } +"27" { size 24{t} } rSub { size 8{3} } +8 { size 24{t} } rSub { size 8{4} } + { size 24{t} } rSub { size 8{5} } } over {T} } } } {}( 13 - 11 )

- Biểu đồ b và sơ đồ e :

qp.t=Q2t1+8t2+27t3+64t4+27t5+8t6+t7T3 size 12{ { size 24{q} } rSub { size 8{p "." t} } = { {Q} over {2} } nroot { size 8{3} } { { { { size 24{t} } rSub { size 8{1} } +8 { size 24{t} } rSub { size 8{2} } +"27" { size 24{t} } rSub { size 8{3} } +"64" { size 24{t} } rSub { size 8{4} } +"27" { size 24{t} } rSub { size 8{5} } +8 { size 24{t} } rSub { size 8{6} } + { size 24{t} } rSub { size 8{7} } } over {T} } } } {}( 13 - 12 )

Việc tính toán đường kính kinh tế ống tiến hành theo các bước sau:

+ Định ra một số phương án đường kính ống đẩy có thể;

+ Tính toán lưu lượng qp.t size 12{ { size 24{q} } rSub { size 8{p "." t} } } {}trong ống, và theo đó đối với mỗi phương án tiến hành xác định điện năng tổn thất trong ống theo công thức ( 13 - 5 );

+ Tính chi phí quy dẫn đối với từng phương án theo công thức ( 13 - 3 );

Chọn ra đường kính ống kinh tế là đường kính có chi phí quy dẫn nhỏ nhất.

Đặc trưng dẫn nước : kênh dẫn ( khi lấy nước từ kênh chính và từ hồ ) hoặc không có kênh dẫn ( khi lấy nước từ sông ) có ảnh hưởng đến việc chọn vị trí đặt nhà máy của trạm bơm.

Khi lấy nước từ sông, nhà máy có thể được bố trí ở lòng sông, trên bờ hoặc cắt vào bờ ( khi điều kiện địa chất thuận lợi và lượng bùn cát trên sông ít ). Khi cắt nhà máy vào bờ sẽ giảm được chiều dài của đường ống áp lực, nhưng lại làm tăng kích thước của kênh dẫn.

Khi trạm có kênh dẫn thì vị trí đặt nhà máy được chọn phụ thuộc vào điều kiện địa chất nơi đặt nhà máy, phụ thuộc kết cấu kênh , vào vật liệu xây tường , vào điều kiện lắp đặt và làm việc của đường ống áp lực. Trên tuyến cấp nước cần đưa ra vài phương án bố trí nhà máy để tính toán so sánh.

Vị trí sơ bộ của trạm có thể nhận theo độ sâu khối đào của kênh dẫn, độ sâu nhà máy phụ thuộc vào tổng lưu lượng cần bơm. Ví dụ khi lưu lượng của trạm là 10 m3/s thì chiều sâu khối đào nhà máy có thể lấy chừng 10 m.

Đối với mỗi phương án, tính ra đầu tư xây dựng kênh dẫn và đường ống áp lực, giá thành điện năng để bơm nước tương ứng với biểu đồ yêu cầu dùng nước và tính chi phí quy dẫn. Cuối cùng phương án nào có chi phí quy dẫn nhỏ nhất sẽ là phương án được chọn và vị trí đặt nhà máy của phương án đó là có lợi.

Tính toán thủy năng của trạm bơm nhằm xác định ra lượng nước ( tính m3 hoặc T-m)

bơm được trong một năm và năng lượng cần dùng để bơm lượng nước đó cũng như xác định điều kiện làm việc kinh tế nhất của trạm bơm.

Tổng lượng nước cần bơm trong một năm và năng lượng dùng để bơm nước có thể xác định là tổng lượng nước và năng lượng của các thời đoạn làm việc ở các chế độ khác

nhau của máy bơm. Tài liệu để tính toán thủy năng là:

- Biểu đồ lưu lượng yêu cầu của trạm và biểu đồ cột nước địa hình theo các thời đoạn bơm, cùng vẽ chung trên một biểu đồ ( Hình 13 - 3,a ).

- Các đường đặc tính của máy bơm và của đường ống, dựa vào các đường đặc tính này để xác định điểm công tác của của máy bơm từng thời đoạn bơm ( Hình13- 3,b)

Hình 13 - 3. Các biểu đồ số liệu để tính toán thủy năng.

a - Biểu đồ lưu lượng và cột nước địa hình của các thời đoạn bơm ;

b - Các đường đặc tính của máy bơm: H - Q; N - Q;  - Q và các đường

phụ thuộc : H - Q; H - 1,5Q ; H - 2Q.

Biểu đồ Hình (13 - 3,b) là một ví dụ xây dựng với sơ đồ đường ống nối như Hình (13 - 2,e ): trường hợp một đường ống áp lực nối với 2,5 máy bơm ; khả năng vận hành của một ống là chạy 1 máy, chạy 1,5 máy và chạy 2 máy, do vậy trên Hình (13 - 3,b) ta xây dựng ba đường phụ thuộc H - Q; H - 1,5Q ; H - 2Q ( xem cách vẽ các đường ở chương VI ) cho ba trường hợp làm việc tương ứng.

Việc tính toán thủy năng thường làm ở dạng lập bảng. Theo chiều cao cột nước địa hình ứng với mỗi thời đoạn làm việc của trạm bơm ta xác định được điểm công tác của máy bơm, nghĩa là xác định được lưu lượng bơm thực tế Q , cột nước H và hiệu suất của trạm  . Tính ra công suất thực tế sử dụng của trạm N = 9,81QH /  , sau đó nhân công suất với thời gian tương ứng T tìm ra điện lượng sử dụng của thời đoạn , lượng nước W ( m3 ) và HW ( T - m ) ....

Tính kinh tế của trạm bơm tưới và tiêu được đặc trưng bởi các chỉ tiêu tuyệt đối và chỉ tiêu đơn vị. Chỉ tiêu tuyệt đối là đầu tư K và chi phí vận hành năm C ( xem mục B ), còn các chỉ tiêu đơn vị là:

- Đầu tư đơn vị KN và chi phí vận hành năm cho 1 kW công suất lắp máy CN :

KN = K/N và CN = C/N

Trong đó N là tổng công suất lắp máy của các động cơ điện trong trạm bơm, kW.

- Đầu tư đơn vị KF và chi phí vận hành CF cho một héc ta diện tích tưới hoặc tiêu:

KF = K/F và CF = C/F

Trong đó F là diện tích tưới hoặc tiêu thật mà trạm bơm đảm nhận, héc ta.

- Giá thành bơm 1 m3 nước C' và 1 T- m nước C' :

C' = C/W và C' = C/(HW)

Trong đó: W và HW xác định theo kết quả tính toán thủy năng ở trên.

- Hệ số sử dụng công suất lắp máy:

 = NTB/NLM

Trong đó NTB là công suất trung bình của trạm bơm trong năm, kW; NTB = /T

với  và  T được xác định qua tính toán thủy năng ở trên.

- Hệ số diện tích xây dựng : n' = FHI/ FTB

Trong đó FHI là diện tích hữu ích mà công trình chiếm chỗ, hécta;

FTB là tổng diện tích của trạm bơm, héc ta.

- Hệ số sử dụng lãnh thổ: n' = FXD/FTB

Trong đó FXD là diện tích xây dựng bao gồm diện tích FHI và diện tích kho bãi, đường ô tô, diện tích lắp ráp, héc ta.

Các công trình của trạm bơm được coi là kinh tế nếu các chỉ tiêu tuyệt đối và chỉ tiêu đơn vị của chúng nhỏ hơn hoặc bằng các chỉ tiêu định mức tương ứng.

Trạm bơm chỉ có thể làm việc có hiệu quả cao và an toàn khi:

- Chất lượng thiết kế và xây lắp cao. Sự khiếm khuyết trong xây dựng và thiết kế càng lớn thì dẫn đến kết quả xấu và tăng giá thành vận hành và cần phải thay đổi lại công trình và trang thiết bị, một số trường hợp thậm chí còn làm hỏng công trình.

- Thỏa mãn đầy đủ nhất các yêu cầu của hệ thống công trình về số và chất lượng nước cũng như khả năng làm việc ở mọi chế độ mà không tiêu thụ điện quá mức mà vẫn đảm bảo năng suất cao. Yêu cầu này còn rất khắc khe đối với trạm bơm cấp nước cho hệ thống ống kín và hệ thống trạm bơm nhiều bậc thang.

- Cơ cấu tổ chức quản lý và sản xuất của trạm bơm tưới cần phải hợp lý.