Mô hình hóa và tối ưu năng lượng cho hoạt động của hệ thống điều khiển quá trình công nghệ có nhiều bơm hoạt động song song

   
(8) 
Hiệu suất hệ thống được tính toán bằng tỷ số giữa năng lượng thủy lực (Out) tạo 
ra từ bơm lên tải thủy lực của hệ thống cho trước có tham số (H0, K) với điện năng (In) 
cấp cho các động cơ truyền động bơm. Hệ thức này có thể tính theo công suất tức thời tại 
chế độ xác lập: 
2
0
_
_ _ _ _
( )W ( ).
W
stab
Hyd POut Out P PP P
Motor Pump stab Stab Stab Stab
In In E M A p E M p E M
P QP gH KQ QP Q
P P n P n P


  
    
     
 (9) 
trong đó: np là số tổ hợp được cấp cùng giá trị công suất điện cấp PE_M tại một thời điểm 
ở chế độ xác lập. 
N. Đ. Trung, N. N. Hoàng / Mô hình hóa và tối ưu năng lượng cho hoạt động của hệ thống điều khiển 
 56 
2.2. Thiết lập sơ đồ và tham số mô phỏng 
Hình 2.1.a: Biến đổi cơ - thủy lực của bơm ly 
tâm bằng ngôn ngữ Bond Graph 
Hình 2.1.b: Mô phỏng bơm ly tâm 
trên phần mềm 20 - Sim 
Phần mềm 20 - Sim dựa trên nền ngôn ngữ Bond Graph rất thích hợp với việc mô 
phỏng các hệ thống phức hợp xảy ra đồng thời nhiều quá trình chuyển hóa năng lượng và 
chuyển hóa vật chất ở cả quá trình xác lập và quá trình quá độ [3]. Ngôn ngữ trực quan 
gắn với đối tượng vật lý thể hiện qua các cặp biến quá trình điện (áp/dòng), cơ (mô 
men/vận tốc góc), thủy lực (áp suất/lưu lượng) như mô tả trên Hình 2.1.a và Hình 2.1.b. 
Bộ ba tổ hợp có mã hiệu CRN 5-20 của hãng Grundfoss được lắp đặt song song 
có thông số định mức: công suất (3,0 kW), tốc độ cánh guồng (2881v/p), P=103 (m); 
Q=5,7 (m
3
/h). Bộ tham số viết theo đơn vị SI lần lượt là: a(14,52); b(131*109); c(0,45); 
Po (2595). Nước là chất lỏng được lựa chọn cho các mô phỏng. Đặc tính tải trong các 
trường hợp được liệt kê như bảng sau: 
Bảng 2.1: Thông số của tải thủy lực số (H0, K) trong các trường hợp mô phỏng 
Thông số của tải thủy lực: P= ρ*g*H0+K*Q
2
 TH_1 TH_2 TH_3 TH_4 
Cột áp tĩnh H0 (m) 30 30 30 70 
Hệ số ma sát thủy lực K (Ns2/m5) 3.1010 10.1010 7.1010 3.1011 
3. Tối ƣu điện năng tiêu thụ cho hệ thống nhiều bơm hoạt động song song 
3.1. Đặt vấn đề 
Các hệ thống điều khiển quá trình thường yêu cầu tạo ra áp suất hoặc lưu lượng 
ổn định theo điểm đặt của chế độ chuẩn công nghệ. Với một tải thủy lực có bộ tham số 
(H0, K), công suất thủy lực hình thành sẽ là hằng số với lưu lượng được ổn định tại giá trị 
đặt nên bài toán tối ưu điện năng có thể thực hiện dựa trên hàm mục tiêu là hiệu suất hệ 
thống như phương trình (9) với ràng buộc thông số theo yêu cầu công nghệ không đổi. 
Hàm công suất thủy lực ở đầu ra của bơm đến đường ống là hàm đồng biến của lưu 
lượng và áp suất, mặt khác hàm công suất điện năng tiêu thụ trên các động cơ cũng là 
hàm đồng biến của tốc độ góc và mô men nên bài toán được chuyển hóa thành tối ưu 
hiệu suất hệ thống với công suất điện năng cấp vào và đặc tính tải thủy lực cố định. 
Hệ thống có np tổ hợp song song hoạt động được cấp từ công suất tổng P∑ tại một 
thời điểm đạt lưu lượng lớn nhất khi các tổ hợp có cùng một điểm làm việc hay công suất 
được chia đều cho các tổ hợp (Pi=P∑/np) như chứng minh trong nghiên cứu [6]. Nhiệm vụ 
1 
R 
fP 
I 
JP 
1 MGY 
Mech_Hyd_Con 
(Hệ số: a,b) 
Se 
Po 
R 
 Motor 
c 
Trường Đại học Vinh Tạp chí khoa học, Tập 46, Số 3A (2017), tr. 54-59 
 57 
tối ưu là tìm tham số nguyên np trong đoạn từ 1 đến N (số tổ hợp song song). Trong 
nghiên cứu này, hệ số N được chọn là 3. Bài toán tối ưu được chuyển hóa sang việc khảo 
sát đặc tính hoạt động của hệ thống theo np và các dạng tải thủy lực khác nhau tương ứng 
với các vùng giới hạn PLIM của công suất sử dụng hiệu quả ước tính như sau: 
p MAX LIM p MINn P P n P  (10) 
Các hệ số PMAX, PMIN lần lượt là trị số lớn nhất và nhỏ nhất của công suất điện 
năng cấp vào để bơm có thể hoạt động bình thường. PMAX, PMIN được ước lượng và tính 
toán trước dựa vào tham số của từng tổ hợp và tham số của tải thủy lực chung. 
3.2. Đặc tính hiệu suất theo công suất điện năng cấp vào và số tổ hợp hoạt động 
Kết quả khảo sát theo tải thủy lực có tham số ở Bảng 2.1 (TH_1 đến TH_4) được 
biểu diễn bằng các đặc tính ở Hình 3.1 đến Hình 3.4 với trục hoành, trục tung lần lượt là 
giá trị công suất điện năng (W) được cấp vào hệ thống và hiệu suất của hệ thống. 
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Input power (W)
E
ffi
c
ie
n
c
y 
(1
0
0
%
)
np=1 np=2 np=3
 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Input power (W)
E
ff
ic
ie
n
c
y
 (
1
0
0
%
)
E
ff
ic
ie
n
c
y
 (
1
0
0
%
)
np=1 np=2 np=3
Hình 3.1: Hiệu suất hệ thống trong TH_1 Hình 3.2: Hiệu suất hệ thống trong TH_2 
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Input power (W)
E
ff
ic
ie
n
cy
 (
1
0
0
%
)
E
ff
ic
ie
n
cy
 (
1
0
0
%
)
np=1 np=2 np=3
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Input power (W)
E
ff
ic
ie
n
c
y
 (
1
0
0
%
)
np=1 np=2 np=3
Hình 3.3: Hiệu suất hệ thống trong TH_3 Hình 3.4: Hiệu suất hệ thống trong TH_4 
Các trường hợp TH_1 đến TH_3 có sự chuyển tiếp gián đoạn của các đặc tính khi 
chuyển số lượng các tổ hợp được song song tham gia hoạt động từ 2 sang 3. Trong các 
trường hợp này, việc bổ sung thêm một bộ ước lượng tính toán lưu lượng ra trên tải thủy 
N. Đ. Trung, N. N. Hoàng / Mô hình hóa và tối ưu năng lượng cho hoạt động của hệ thống điều khiển 
 58 
lực là cần thiết để xác định rõ ràng điểm chuyển đổi. Trên thực tế, hiệu suất tại các vùng 
chuyển đổi không có sự chênh lệch lớn nên giải pháp thường được sử dụng thay thế cho 
các trường hợp này là giữ nguyên số lượng tổ hợp tham gia hoạt động với mục đích hạn 
chế sự khởi động và dừng tổ hợp tham gia hoạt động, từ đó hạn chế hiện tượng quá độ 
với biên độ lớn của hệ thống ở cả phần điện và thủy lực. 
Trên Hình 3.4, các đặc tính hiệu suất hệ thống có sự chồng lấn rõ rệt. Chi tiết hóa 
được thể hiện trên Hình 3.5 (dải công suất được cung cấp ứng với hiệu suất hệ thống cực 
đại) như sau: dưới 1.800 W ứng với np = 1; từ 1.800 W đến 8.000 W ứng với np = 2 và từ 
8.000 W trở lên ứng với np = 3. 
Hình 3.5: Vùng hoạt động có sự khác biệt rõ rệt về số lượng tổ hợp hoạt động (TH_4) 
Vai trò của tối ưu điện năng tiêu thụ thể hiện rõ nét trong dải công suất đầu vào từ 
1200 W đến 9000W với nhiều phương án về số lượng tổ hợp song song hoạt động np. 
Tuy nhiên để đạt hiệu suất cực đại, np cần được thay đổi tại các điểm chuyển (I và II). 
Nhìn nhận một cách rõ rệt khi so sánh bốn trường hợp thì vai trò nổi bật của sự 
tối ưu điện năng tiêu thụ đối với các tải thủy tĩnh có áp suất tĩnh lớn; hay nói cách khác, 
các tải bơm lên cao có áp suất tĩnh lớn, các tải thẩm thấu ngược (RO) có áp suất thẩm 
thấu lớn. Ý nghĩa của tối ưu thiết kế được thể hiện rõ ràng hơn trong việc tiết giảm điện 
năng tiêu hao ở các nhà máy có nhiều bơm công suất lớn. 
4. Kết luận 
Trên thực tế, vấn đề tối ưu năng lượng tiêu hao ứng với một yêu cầu cụ thể của 
tham số công nghệ (cần ổn định lưu lượng hoặc ổn định áp suất) hay vấn đề tối đa hóa 
lưu lượng với một nguồn công suất có sẵn (trị số công suất của nguồn hoàn toàn có thể 
thay đổi trong một phạm vi rộng như trường hợp nguồn năng lượng tái tạo phụ thuộc vào 
điều kiện của thời tiết) đều có thể qui về bài toán đã phân tích trên mục 3.1 và được giải 
đáp trên mục 3.2. Dựa trên các đặc tính được xây dựng cho trường hợp tải cụ thể, điểm 
làm việc tối ưu của hệ thống điều khiển quá trình công nghệ cần ổn định lưu lượng hoặc 
áp suất hoặc tối đa hiệu suất trong trường hợp nguồn công suất hữu hạn. 
Từ kết quả về bài toán tối ưu đã thực hiện, nhiệm vụ thiết kế hệ thống cần xác 
định hợp lý số lượng tổ hợp song song, ví dụ: ta có thể lựa chọn bộ 5 tổ hợp 1,5 kW mắc 
Trường Đại học Vinh Tạp chí khoa học, Tập 46, Số 3A (2017), tr. 54-59 
 59 
song song cho tải thủy lực có áp suất thủy tĩnh lớn với yêu cầu công suất đặt 7,5 kW 
nhằm giảm tiêu hao năng lượng tiêu thụ khi điều chỉnh lưu lượng, đồng thời nâng cao 
tính tin cậy hệ thống khi một trong các tổ hợp bị lỗi. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Carsten Skovmose Kallesøe et al, Model based fault detection in a centrifugal pump 
application, IEEE Transactions on Control Systems Technology, Vol. 14, No 2, 204-
215, 2006. 
[2] Gülich Johann Friedrich, Centrifugal Pumps, Second edition, ISBN 3642128238. 
Springer-Verlag. 2010. 
[3] Samantaray, Arun Kumar, Ould Bouamama, Belkacem, Model-based Process 
Supervision - A Bond Graph Approach, ISBN 978-1-84800-158-9, Springer-Verlag 
London, 2008. 
[4] Seung-Ki Sul, Control of Electric Machine Drive Systems, John Wiley & Sons, New 
Jersey, 2011. 
[5] Europump & the Hydraulic Institute, Variable Speed Pumping: A Guide to Successful 
Applications, ISBN-10: 1856174492, ISBN-13: 978-1856174497, Elsevier Science. 
2004. 
[6] Trung Nguyen Duc, Optimal sizing and system management of water pumping and 
desalination process supplied with intermittent renewable sources, INP de Toulouse 
PhD Dissertation, France, 2013. 
SUMMARY 
MODELLING AND ENERGY OPTIMIZATION FOR PROCESS CONTROL 
SYSTEM OF MULTI PUMPS CONNECTED IN PARALLEL 
Number of active motorpump combinations and value of dispatched power for 
each combination to obtain set flow of liquid established by the demand of technology 
process are two necessarily found parameters in the optimization problem of system of 
multi pumps connected in parallel. System is modelized and simulated by 20 - Sim 
software with Bondgraph language which is specialized to describe stable and transient 
states of multidisciplinary energy conversion system (electric - mechanic - hydraulic). 
The minimization of energy consumption is transformed to the maximization of energy 
conversion efficiency with fixed hydraulic power of constant parameters of given 
hydraulic load. Problem is solved by characteristic of energy conversion of the whole 
system due to the value of supplied electrical power flow to the system.