Thiết kế kỹ thuật bơm nước sử dụng thủy năng của suối, dẫn động kiểu tua bin phục vụ sản xuất nông nghiệp vùng miền núi tỉnh khánh hòa

--- ĐẶNG NGỌC TUYỀN THIẾT KẾ KỸ THUẬT BƠM NƯỚC SỬ DỤNG THỦY NĂNG CỦA SUỐI, DẪN ĐỘNG KIỂU TUA BIN PHỤC VỤ SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP VÙNG MIỀN NÚI TỈNH KHÁNH HÒA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUY

TỔNG QUAN VỀ BƠM NƯỚC SỬ DỤNG THỦY NĂNG VÀ

TỔNG QUAN VỀ NHU CẦU TƯỚI NƯỚC CHO SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP VÙNG MIỀN NÚI TỈNH KHÁNH HÒA

NGHIỆP VÙNG MIỀN NÚI TỈNH KHÁNH HÒA

1 Sản xuất nông nghiệp ở vùng miền núi tỉnh Khánh Hòa

Tỉnh Khánh Hòa nằm ở khu vực duyên hải Nam Trung Bộ của Việt Nam, giáp với các tỉnh Phú Yên, Đắk Lắk, Ninh Thuận và Lâm Đồng, đồng thời có bờ biển tiếp giáp Biển Đông Tỉnh lỵ Nha Trang cách Thành phố Hồ Chí Minh 447 km và Hà Nội 1.278 km Với diện tích tự nhiên 5.197 km², Khánh Hòa có phần đất liền kéo dài từ vĩ độ 12°52’15" đến 11°42’50" Bắc và từ kinh độ 108°40’33" đến 109°27’55" Đông Địa hình chủ yếu là núi non, với đồng bằng hẹp chỉ khoảng 400 km², chiếm chưa đến 1/10 diện tích toàn tỉnh Để di chuyển dọc tỉnh, du khách phải vượt qua nhiều đèo nổi tiếng như đèo Cả, đèo Cổ Mã, đèo Chín Cụm, đèo Bánh Ít, đèo Rọ Tượng và đèo Rù Rì.

Khánh Hòa là tỉnh có địa hình thuận lợi với bờ biển dài và nguồn tài nguyên thủy sản phong phú, tạo điều kiện thuận lợi cho khai thác và nuôi trồng thủy hải sản Ngoài các huyện ven biển, tỉnh còn có những huyện nằm sâu trong đất liền với địa hình đồi núi thấp, nơi có thế mạnh trong phát triển nông nghiệp và cây công nghiệp Tổng diện tích đất nông nghiệp ở Khánh Hòa đạt 81,8 nghìn ha, trong đó 54,4 nghìn ha là đất canh tác, 8,2 nghìn ha trồng cây lâu năm, và 19,2 nghìn ha trồng cây hàng năm như lúa, ngô, sắn, mía, cà phê, hồ tiêu.

2 Tình hình phân bố nước theo hệ thống sông suối ở vùng miền núi Khánh

Khánh Hòa là tỉnh có khí hậu nhiệt đới gió mùa và đặc điểm khí hậu đại dương, mang lại thời tiết ôn hòa Nhiệt độ trung bình hàng năm khoảng 26°C với hơn 300 ngày nắng Lượng mưa hàng năm dao động từ 1000mm đến 2000mm, chủ yếu tập trung từ tháng 9 đến tháng 12, chiếm hơn 70% tổng lượng mưa cả năm.

Miền núi tỉnh Khánh Hoà bao gồm hai huyện Khánh Sơn và Khánh Vĩnh, cùng một số xã thuộc các huyện Cam Ranh, Ninh Hoà và Vạn Ninh, với tổng diện tích khoảng 290.500ha, chiếm 63,5% diện tích toàn tỉnh Khu vực này có đặc trưng là vùng núi cao với nhiều sông suối ngắn và dốc, gây ra tình trạng nước chảy mạnh vào mùa mưa và dễ xảy ra hạn hán vào mùa khô do lượng nước bốc hơi lớn Do đó, việc xây dựng đập chứa nước là cần thiết để đảm bảo nguồn nước cho tưới tiêu và thuận tiện cho việc bơm tưới.

3 Nhu cầu tưới nước cho sản xuất nông nghiệp vùng miền núi tỉnh Khánh

Tỉnh Khánh Hoà có hai huyện miền núi là Khánh Sơn và Khánh Vĩnh, cùng với một số xã miền núi thuộc các huyện Cam Ranh, Diên Khánh, Ninh Hoà, Vạn Ninh, với tổng diện tích tự nhiên lên tới 290.500 ha, chiếm 63,5% diện tích toàn tỉnh Tại đây, có 49 xã thuộc khu vực miền núi, nơi mà người dân chủ yếu lấy nước sinh hoạt từ các con suối tự nhiên Hệ thống sông suối ở Khánh Hòa chủ yếu ngắn và dốc, với khoảng 40 con sông dài từ 10 km trở lên, tạo thành một mạng lưới sông suối dày đặc trong khu vực.

Mức nước và tốc độ dòng chảy của suối thay đổi rõ rệt giữa mùa mưa và mùa nắng Vào mùa mưa, suối có nhiều nước và chảy mạnh, trong khi mùa nắng, suối trở nên cạn và dòng chảy chậm lại Để tăng cường dòng chảy của suối trong mùa nắng, cần thực hiện biện pháp ngăn dòng để trữ nước.

Một số hình ảnh về dòng suối ở xã Phước Đồng Nha Trang

Hình 1-1: Suối tại xã Phước Đồng – Nha Trang

Hình 1-2: Suối tại Nam Cát Tiên – Khánh Sơn

Hình 1-3: Suối tại Ninh Thượng – Ninh Hòa

Trong bối cảnh canh tác nhỏ lẻ và sản xuất nông nghiệp phân tán tại các trang trại hộ gia đình, nhu cầu tưới tiêu cho cây trồng không lớn nhưng cần được thực hiện thường xuyên Để nâng cao hiệu quả canh tác và giảm chi phí sản xuất cho nông dân, trường Đại học Nha Trang đã giao đề tài thiết kế bơm nước sử dụng thủy năng từ suối, dẫn động kiểu tua bin cho sản xuất nông nghiệp tại vùng miền núi tỉnh Khánh Hòa Việc đầu tư vào máy bơm có công suất lớn sẽ gây lãng phí và khó khăn trong quản lý, do đó, thiết kế bơm nước thủy năng với công suất nhỏ là giải pháp tối ưu cho việc tưới tiêu phù hợp với nhu cầu sản xuất.

TỔNG QUAN VỀ BƠM NƯỚC SỬ DỤNG THỦY NĂNG

1 Khái niệm chung về bơm nước sử dụng thủy năng

Công nghệ bơm thủy năng, hay bơm tuốc bin, đã được áp dụng từ những năm 70 tại các tỉnh miền núi Việt Nam, mang lại nhiều ưu điểm như dễ vận hành và giá thành rẻ, rất phù hợp cho vùng sâu, vùng xa chưa có điện lưới Bơm thủy năng kết hợp giữa bơm và tuốc bin, sử dụng năng lượng nước để quay cánh tuốc bin, từ đó nâng nước lên cao mà không cần sử dụng năng lượng truyền thống như điện hay nhiên liệu hóa thạch Với kết cấu đơn giản và dễ chế tạo, công nghệ này tận dụng hiệu quả nguồn nước từ sông suối miền núi, phù hợp với thực tế địa phương.

2 Giới thiệu chung về bơm va do viện Thủy lợi thiết kế và chế tạo a Nguyên lý làm việc

Bơm va, hay bơm nước va, là thiết bị giúp bơm nước lên cao bằng hiệu ứng nước va, chuyển đổi năng lượng cột nước thấp thành năng lượng cột nước cao, tối đa lên đến 130m Thiết bị này cho phép người dùng đưa nước từ sông suối lên các vùng đất dốc có độ cao từ 30-80m Bơm va bao gồm 10 bộ phận chính: đường ống nước vào, cụm van một chiều, cửa làm vệ sinh máy, bình tích áp, đường ống bơm lên, cụm van va, cần khởi động, đế máy và thân bơm va Hiện nay, có 4 loại bơm va chính với các ký hiệu: HBIL 840, HBIL 630, HBIL 420 và BV 2000.

Hình 1-4: Cấu tạo bơm va

Nguyên lý hoạt động của hệ thống bắt đầu khi nước từ bể áp lực được bơm vào bình điều áp, tạo áp lực không khí ban đầu bằng áp lực thủy tĩnh Để khởi động, chỉ cần mở van, nước sẽ trào ra, làm tăng lưu lượng qua cửa van Khi tốc độ đạt mức nhất định, nước kéo van va lên, dẫn đến việc van va đóng lại và hiện tượng nước va xảy ra, làm tăng áp lực Van được mở để đẩy nước ra, nước theo quán tính chảy vào bình điều áp, ép không khí lại và tiếp tục chảy ra bể xả Quá trình này lặp lại tự động theo chu kỳ, với van đẩy đóng lại và van va mở ra, tạo ra sự tăng dần trong tốc độ chảy trong đường ống.

Thích hợp với những dòng suối dốc và nhỏ

Giá thành khá cao so với các loại bơm tự chảy khác

Chế tạo phức tạp hơn so với các bơm tự chảy khác

Phải xây ngăn dòng chảy để tạo lực đẩy

Phù hợp với dòng suối sâu

3 Giới thiệu về bơm thủy luân do viện Thủy lợi thiết kế chế tạo a Cấu tạo và nguyên lý làm việc của bơm

Bơm thuỷ luân, hay còn gọi là bơm tuabin, là thiết bị kết hợp giữa bơm và tua-bin trên cùng một trục Nước làm quay cánh tua-bin, kéo theo cánh bơm, giúp đưa nước lên cao Tua-bin của bơm thuỷ luân là loại hướng trục, ly tâm, mang lại nhiều ưu điểm như tiết kiệm cơ cấu truyền động và giảm thiểu hư hỏng do không cần quá trình hút nước Công suất trục của bơm được thiết kế tương đương với tua-bin, cho phép tự động điều chỉnh tốc độ khi phụ tải thay đổi Bơm thuỷ luân rất phù hợp cho lắp đặt ở địa hình miền núi, với khả năng đưa nước lên độ cao từ 10-15m.

Cấu tạo: Bao gồm các cụm chính

- Cụm tuabin hướng trục – bánh công tác tua bin - buồng tua bin

- Cụm bơm ly tâm – bánh công tác bơm - buồng bơm

- Cụm ổ bi, ổ bạc đỡ trục

Nguyên lý làm việc: Bơm thủy luân thường làm việc ngập dưới nước

Nước chảy qua tua bin, làm quay bánh công tác của tua bin và bơm ly tâm nhờ vào trục nối liền, từ đó tạo ra sức ly tâm giúp đưa nước lên cao Bơm ly tâm có những ưu điểm và nhược điểm riêng cần được xem xét.

Dễ vận hành Thích hợp với những dòng suối dốc và nhỏ

Giá thành của loại bơm này cao hơn so với các loại bơm tự chảy khác, và quá trình chế tạo cũng phức tạp hơn Để tạo ra lực đẩy, cần phải ngăn dòng chảy.

Bảo trì khó và tốn kém

4 Giới thiệu về bơm xoắn ốc a Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Hình 1-7: Cấu tạo bơm bánh xe xoắn ốc

Máy bơm bao gồm nhiều bộ phận quan trọng như bánh xe bơm, cuộn ống, vòng xoắn ốc, gầu múc, khung bơm, bàn đạp quay bơm, trục bơm, phao nổi, gối đỡ đầu trục bơm và ống khít quay, giúp truyền nước từ trục bơm vào ống dẫn nước lên cao Hình dáng của máy bơm tương tự như guồng nước, từng được người dân vùng cao sử dụng để tưới tiêu, nhưng được cải tiến với các cuộn ống nước xếp hình xoắn ốc.

Bơm bánh xe xoắn ốc hoạt động dựa trên nguyên lý guồng tự quay nhờ sức đẩy của nước, mỗi vòng quay sẽ hút nước và không khí vào ống cuộn Lượng nước và không khí này được dồn ép, tạo ra áp suất lớn nhất ở vòng quay cuối, giúp đẩy nước lên cao qua ống xả Trục bơm luôn quay trong khi ống dẫn nước phải cố định, với thiết kế đặc biệt để ngăn nước rỉ ra ngoài dù dưới áp suất lớn Vỏ ống được làm từ thép hoặc nhựa, các bộ phận liên kết bằng cao su, đồng, và thép không gỉ, cùng với ổ bi chất lượng cao giúp ngăn nước vào mà không cần bơm mỡ.

Thích hợp với nhiều địa hình

Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo

Kinh phí thấp vì có thể chế tạo bằng những vật liệu rẻ tiền như gỗ, tre… Tính cơ động cao

Lưu lượng thấp hơn bơm va và bơm thủy luân

To, cồng kềnh hơn các loại trên

5 Yêu cầu cơ bản về thiết kế chế tạo bơm thủy năng phục vụ sản xuất nông nghiệp của vùng miền núi tỉnh Khánh Hòa

Dựa vào đặc điểm của các dòng suối tự chảy, địa hình và nhu cầu tưới tiêu của các huyện vùng núi tỉnh Khánh Hòa, chúng ta có thể xác định loại bơm sử dụng năng lượng dòng suối tự chảy tối ưu và phù hợp nhất.

Giá thành bơm rẻ, vì người dân ở các khu vực miền núi thường có kinh tế khó khăn

Dễ lắp đặt, sử dụng và bảo trì, vì trình độ người dân còn hạn chế và các thiết bị kỹ thuật ít

Bơm phải có khả năng đưa được nước lên cao và lưu lượng ổn định

⇒ Từ các yêu cầu trên chúng ta có thể chọn được loại bơm sử dụng năng lượng dòng suối phù hợp nhất đó là bơm thủy năng.

THIẾT KẾ KỸ THUẬT BƠM THỦY NĂNG

YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA BƠM THỦY NĂNG

Để thiết kế bơm nước bằng năng lượng dòng suối tại vùng núi Khánh Hòa, cần xem xét vận tốc dòng chảy ≤1,2m/s, nhu cầu tưới tiêu của người dân và điều kiện giao thông chật hẹp Mục tiêu là đảm bảo thiết bị đạt được các thông số kỹ thuật phù hợp với điều kiện tự nhiên và nhu cầu sử dụng.

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

1 Phân tích các phương án thiết kế hiện hành

1.1 Bơm thủy luân của viện thủy lợi

Công suất lớn, thích hợp cho cấp nước sạch, tưới vườn đồi, tưới ruộng bậc cao, diện tích tới vài chục hecta tại những nơi xa vùng điện lưới

Cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng, công tác quản lý vận hành đơn giản, tuổi thọ cao

Thích hợp với những dòng suối dốc và nhỏ

Cột áp khá thấp( h