Thiết kế lỗ van bi ảnh hưởng như thế nào đến tổn thất áp suất và mức tiêu thụ năng lượng của bơm

Van bi có thể trông như một thiết bị cách ly đơn giản, nhưng hình dạng lỗ thông của van có thể thay đổi đáng kể đặc tính thủy lực của đường ống được bơm. Sự khác biệt thể hiện rõ nhất khi van có kích thước thiếu, được lắp đặt trong điều kiện lưu lượng cao hoặc được sử dụng trong hệ thống mà chi phí vận hành bơm có ý nghĩa quan trọng trong nhiều giờ hoạt động.

Đối với người vận hành, nguyên tắc thực tế rất rõ ràng: van bi toàn lưu lượng thường gây tổn thất áp suất thấp hơn so với thiết kế lưu lượng giảm có cùng kích thước ống danh nghĩa. Lực cản thấp hơn này có thể giảm cột áp mà bơm phải khắc phục. Tuy nhiên, điều đó không tự động biện minh cho việc chỉ định van toàn lưu lượng ở mọi nơi. Lưu lượng, vận tốc, đường kính ống, nhiệm vụ của van, cột áp bơm sẵn có và yêu cầu bảo trì đều ảnh hưởng đến việc diện tích lỗ thông tăng thêm có mang lại lợi ích vận hành đáng kể hay không.

Vì sao đường kính lỗ thông làm thay đổi tổn thất áp suất

Tổn thất áp suất xảy ra bất cứ khi nào chất lưu đi qua chỗ thắt hẹp, đổi hướng, tăng tốc hoặc gặp lực cản từ bề mặt bên trong. Trong van bi, chỗ thắt hẹp quan trọng nhất là mối quan hệ giữa lỗ thông của van và đường kính trong của ống kết nối.

Van toàn lưu lượng có lỗ thông gần bằng diện tích dòng chảy bên trong của ống. Khi mở hoàn toàn, đường đi của chất lưu tương đối thẳng, do đó dòng chảy ít bị co hẹp và giãn nở hơn. Van lưu lượng giảm có lỗ mở nhỏ hơn ống liền kề. Chất lưu tăng tốc khi đi vào lỗ thông hẹp hơn, sau đó giảm tốc khi đi ra. Cả hai quá trình chuyển tiếp đều làm tăng nhiễu loạn và tổn hao năng lượng.

Tổn thất áp suất không chỉ được quyết định bởi kích thước lỗ thông. Nó tăng mạnh khi vận tốc dòng chảy tăng, đó là lý do một mức giảm nhỏ về độ mở có thể gây ảnh hưởng lớn hơn dự kiến trong điều kiện lưu lượng cao. Một van lỗ thông giảm hoạt động chấp nhận được trên đường ống nhánh vận hành gián đoạn có thể trở thành nguồn gây tổn thất cột áp thường xuyên trên tuyến ống chính được bơm liên tục.

Trong các hệ thống ống gang cầu, sự khác biệt này cần được chú ý vì bản thân đường ống thường được lựa chọn để vận chuyển nước hoặc chất lưu bền bỉ, lâu dài. Nếu tuyến ống được tính toán kích thước cẩn thận nhưng một van có lực cản lớn được lắp đặt tại điểm điều khiển chính, một phần hiệu suất thủy lực dự kiến sẽ bị mất tại van.

Thiết kế toàn lưu lượng và lưu lượng giảm phục vụ các nhiệm vụ khác nhau

Van bi toàn lưu lượng thường là lựa chọn thủy lực tốt hơn khi khả năng tải lưu lượng và năng lượng bơm là những yếu tố quan trọng. Chúng thường phù hợp cho cách ly trên đường ống chính, đường xả bơm, đường ống chuyển tải, đường bypass phải mang lưu lượng đáng kể và các vị trí mà van có thể duy trì trạng thái mở trong thời gian dài.

Thiết kế lưu lượng giảm vẫn có thể hợp lý khi kích thước gọn hơn, chi phí ban đầu thấp hơn hoặc nhu cầu lưu lượng thấp hơn được ưu tiên. Chúng có thể phù hợp với các kết nối dịch vụ nhỏ, đường ống phụ trợ, đường hóa chất hoặc tiện ích có lưu lượng thấp và các hệ thống mà bơm có cột áp sẵn có dồi dào và van không phải là điểm nghẽn đáng kể.

Các thuật ngữ này có thể gây hiểu lầm nếu được xem là tuyệt đối. Van “toàn lưu lượng” cần được kiểm tra theo đường kính trong thực tế của ống, đặc biệt khi độ dày thành ống, lớp lót, loại kết nối đầu ống hoặc cấp ống ảnh hưởng đến diện tích dòng chảy khả dụng. Chỉ riêng kích thước danh nghĩa không chứng minh rằng van khi mở tạo ra đường dẫn trơn tru với toàn bộ diện tích dòng chảy.

Năng lượng bơm: van chỉ là một phần của đường cong hệ thống

Bơm tiêu thụ năng lượng để tạo ra lưu lượng và cột áp. Mọi nguồn ma sát hoặc lực cản cục bộ đều làm tăng yêu cầu cột áp của hệ thống. Nếu van bi có lỗ thông nhỏ hơn, bơm có thể cần vận hành ở cột áp cao hơn để đạt cùng lưu lượng mục tiêu. Tùy thuộc vào đường cong bơm và phương pháp điều khiển, điều đó có thể làm tăng nhu cầu công suất, giảm lưu lượng cấp ra hoặc khiến bơm vận hành lệch khỏi vùng vận hành tối ưu.

Ảnh hưởng về năng lượng cần được đánh giá ở cấp độ hệ thống. Một van lưu lượng giảm trên đường ống dài có đường kính lớn có thể ảnh hưởng hạn chế vì ma sát đường ống, chênh lệch cao độ, bộ lọc, đồng hồ đo, cút nối và các phụ kiện khác chi phối tổng cột áp. Nhiều van có lực cản lớn mắc nối tiếp hoặc một van đơn lẻ gần đầu xả bơm có thể tạo ra ảnh hưởng đáng kể hơn.

Bơm biến tần khiến việc đánh giá trở nên quan trọng hơn. Khi hệ thống điều khiển cố duy trì lưu lượng hoặc áp suất, lực cản tăng thêm có thể khiến bơm chạy ở tốc độ cao hơn. Phản ứng này có thể làm tăng mức tiêu thụ điện và có thể thay đổi điều kiện tiếng ồn, rung động và mài mòn. Trong các hệ thống tốc độ cố định, cùng lực cản đó có thể làm giảm lưu lượng, từ đó ảnh hưởng đến việc nạp đầy, xả rửa, cấp liệu cho quy trình hoặc độ ổn định áp suất ở phía hạ lưu.

Người vận hành không nên giả định rằng lỗ thông lớn hơn luôn tạo ra mức tiết kiệm năng lượng tỷ lệ thuận. Câu hỏi hữu ích là: tại dải lưu lượng dự kiến, bao nhiêu phần của tổng cột áp chênh lệch là do van này gây ra? Tính toán thủy lực sử dụng hệ số lưu lượng hoặc hệ số tổn thất do nhà sản xuất công bố sẽ đưa ra câu trả lời có cơ sở hơn so với việc lựa chọn theo kích thước danh nghĩa hoặc hình thức trực quan của lỗ thông.

Kiểm tra van tại lưu lượng vận hành, không chỉ tại lưu lượng thiết kế

Việc lựa chọn van thường bắt đầu từ lưu lượng thiết kế tối đa, nhưng hệ thống bơm hiếm khi duy trì một điều kiện duy nhất. Van có thể hoàn toàn phù hợp ở lưu lượng vận hành hằng ngày bình thường và chỉ trở thành yếu tố hạn chế trong giai đoạn chuyển tải cao điểm, vận hành bypass khẩn cấp hoặc xả rửa. Ngược lại, việc chỉ định van toàn lưu lượng lớn cho một tuyến ống thường vận hành ở lưu lượng thấp có thể mang lại rất ít lợi ích có thể đo lường.

Để so sánh hữu ích, người vận hành và nhà thiết kế nên xác định:

• Chất lưu thực tế, bao gồm nhiệt độ, hàm lượng chất rắn, độ nhớt và mọi xu hướng lắng đọng vật liệu.
• Lưu lượng bình thường, tối thiểu và tối đa thay vì chỉ một giá trị lưu lượng danh nghĩa.
• Đường kính trong của ống và tình trạng lớp lót tại vị trí van.
• Đường cong bơm, điểm làm việc và biên độ áp suất sẵn có.
• Van chỉ dùng để cách ly hay phải hỗ trợ vệ sinh, xả, bypass hoặc vận hành tạm thời ở lưu lượng cao.
• Hệ số lưu lượng, cấp áp suất và kích thước lỗ thông được nhà sản xuất công bố cho đúng mẫu van.

Ứng dụng nước có thể chấp nhận một phép so sánh tương đối đơn giản. Các chất lưu chứa chất rắn lơ lửng, vật liệu dạng sợi, cáu cặn hoặc hạt mài mòn đòi hỏi đánh giá toàn diện hơn. Lỗ mở bị thu hẹp có thể làm tăng vận tốc và mài mòn cục bộ. Cặn tích tụ gần vị trí chuyển tiếp của lỗ thông có thể tiếp tục làm giảm diện tích hiệu dụng theo thời gian. Trong những trường hợp như vậy, cấu hình toàn lưu lượng có thể hỗ trợ cả hiệu suất thủy lực lẫn việc cho cặn bẩn đi qua dễ dàng hơn, mặc dù vật liệu ghế van và kết cấu van vẫn cần phù hợp với điều kiện sử dụng.

Không nên nhầm lẫn tổn thất áp suất thấp với việc lựa chọn van hoàn chỉnh

Lỗ thông tổn thất thấp không giải quyết mọi rủi ro vận hành. Van bi thường được thiết kế cho chức năng cách ly đóng hoặc mở, trừ khi thiết kế van cụ thể được định mức và lựa chọn để điều tiết. Sử dụng van bi cách ly tiêu chuẩn ở trạng thái mở một phần để điều chỉnh lưu lượng có thể tạo ra vận tốc cục bộ cao tại ghế van, điều khiển không ổn định, xói mòn, tiếng ồn và hư hỏng sớm. Ưu điểm của lỗ thông mở chủ yếu chỉ có hiệu lực khi van mở hoàn toàn.

Cơ cấu truyền động cũng quan trọng. Một van được chọn đúng về mặt thủy lực nhưng không thể đạt vị trí mở hoàn toàn một cách đáng tin cậy có thể tạo ra lực cản lớn hơn dự kiến. Người vận hành nên xác minh chặn hành trình, mô-men xoắn bộ truyền động, chỉ thị vị trí và ảnh hưởng của áp suất chênh lệch đến hoạt động. Kiểm tra chức năng định kỳ đặc biệt hữu ích đối với các van cách ly hoặc bypass khẩn cấp ít được sử dụng.

Chi tiết lắp đặt cũng có thể làm giảm lợi ích của van toàn lưu lượng. Côn thu đột ngột ngay phía thượng lưu hoặc hạ lưu, vật liệu gioăng nhô ra, mặt bích lắp lệch hoặc bộ lọc bị bám bẩn nghiêm trọng có thể gây tổn thất vượt quá phần đóng góp của chính van. Van cần được đánh giá như một phần của cụm lắp đặt cục bộ thay vì như một hạng mục độc lập trong catalogue.

Trường hợp điều này quan trọng trong lắp đặt ống gang cầu

Mạng lưới ống gang cầu thường bao gồm các tuyến ống chính chôn ngầm, trạm bơm, buồng van, kết nối nhánh và kết cấu tiếp cận. Tại các điểm cách ly quan trọng, lỗ thông được lựa chọn cần đáp ứng nhiệm vụ dự kiến của đường ống trong suốt tuổi thọ công trình, bao gồm cả các điều kiện lưu lượng cao không thường xuyên. Buồng van cũng cần có lối tiếp cận thực tế để vận hành và kiểm tra; các bộ phận như Nắp hố ga gang cầu8 có thể là một phần của bố trí tiếp cận đó, nhưng việc lựa chọn nắp không thay thế cho việc xem xét đúng vị trí van, khoảng hở vận hành và thoát nước.

Đối với tuyến ống chính gang cầu được bơm, việc sử dụng van cách ly toàn lưu lượng thường dễ được biện minh hơn khi van đặt gần đầu xả bơm, trên tuyến chuyển tải quan trọng hoặc trên đường ống có áp suất sẵn có hạn chế. Van lưu lượng giảm vẫn có thể phù hợp trên các nhánh nhỏ hơn khi tính toán cho thấy tổn thất tăng thêm không làm ảnh hưởng đến yêu cầu sử dụng.

Quyết định hợp lý dựa trên tổn thất áp suất được tính toán trong dải điều kiện làm việc dự kiến, sau đó được kiểm tra theo đường cong bơm và mục đích vận hành của van. Thiết kế lỗ thông là một chi tiết thông số tương đối nhỏ trên bảng dữ liệu kỹ thuật, nhưng trong đường ống được bơm, nó có thể ảnh hưởng đến độ tin cậy lưu lượng và mức sử dụng năng lượng trong suốt thời gian van còn hoạt động.