Khi nói về hệ thống bơm thông minh thì không chỉ đơn thuần là nói đến việc bạn mua về một chiếc bơm cho hệ thống của bạn mà nó còn đồng nghĩa với việc bạn đã lựa chọn một phương  án có hiệu quả cao nhất hoặc đồng nghĩa với việc bạn đã cài đặt một ổ đĩa biến tần số để giảm mức tiêu thụ điện năng và chi phí năng lượng. Việc thiết kế thành công hệ thống bơm thông mình cho phép nhà máy hoạt động trong trạng thái  ổn định với thời gian dừng ở mức tối thiểu trong một thời gian dài. Đây chính là chìa khóa để đảm bảo tính ổn định và khả năng sinh lời của bất cứ cơ sở sản xuất nào.  Nhà máy hoạt động ở trạng thái ổn định giúp cải thiện chất lượng sản phẩm, giảm thời gian ngừng hoạt động, đảm bảo các yêu cầu liên quan đến môi trường.

Thiết kế và vận hành một hệ thống bơm thông minh đòi hỏi sự hiểu biết về toàn thể hệ thống, hiệu suất thủy lực của các thiết bị trong hệ thống và phạm vi hoạt động dự kiến. Trạng thái hoạt động ổn định chỉ đạt được khi đặc tính của chất lỏng (bao gồm tốc độ dòng chảy, áp suất, nhiệt độ, độ Ph và các thông số chất lượng quan trọng khác) tại bất kỳ điểm nào cũng không thay đổi.

Bởi vì các bơm trong hệ thống, cả quá trình và các yếu tố điều khiển khác đều phải hoạt động ăn ý  với nhau thì mới đảm bảo đạt được các yêu cầu thiết kế của hệ thống nên điều quan trọng nhất là các kỹ sư thiết kế phải hiểu rõ được dòng chảy yêu cầu là bao nhiêu, nhiệt độ nào phải đạt được và áp lực yêu cầu với từng bộ phận trong hệ thống ra sao. Cấu hình của hệ thống, số chu kỳ hoặc người dùng cuối và vị trí của đường truyền tải quan trọng sẽ được tính toán. Sự tồn tại và tác động của một bình Xiphon cũng phải được đánh giá bất cứ khi nào có sự thay đổi từ điểm cao xuống điểm thấp hơn.

Figure 1. Closed loop chilled water system (Courtesy of the author)

Hệ thống chiller giải nhiệt bằng nước

Xem xét hệ thống chiller giải nhiệt bằng nước như hình 1, một trong những vòng trao đổi nhiệt sẽ là từ xa nhất về mặt thủy lực,  hoặc đường truyền tải quan trọng, phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy, sự khác biệt về độ cao, kích thước và chiều dài đường ống. Việc lựa chọn các bơm để tạo thành một hệ thống bơm thông minh sẽ đảm bảo rằng người sử dụng có thể đạt được tốc độ dòng chảy mà họ yêu cầu nhưng không tạo quá nhiều áp lực lên van điều khiển. Có thể tồn tại 1 Siphon trong hệ thống do sự khác biệt về độ cao. Hiệu ứng Siphon này phải được đánh giá để đảm bảo rằng sự ăn rỗ không xảy ra trong van điều khiển hay trong lưu lượng kế ở điểm cao của hệ thống.

Ban đầu, khi thiết kế hệ thống, để vận chuyển và đặt thiết bị trong thời gian xây dựng thì có thể có rất nhiều yếu tố chưa biết hoặc chỉ có thể ước tính. Việc xác định tuyến đường ống, số van và phụ kiện, hoặc hiệu suất thủy lực của thiết bị chính có thể không được tính đến lúc đặt hàng bơm. Sau đó việc lựa chọn bơm cho hệ thống thường kéo theo những bổ sung ngoài lề so với thiết kế ban đầu và phải chọn lựa lại bơm  để đảm bảo có thể đạt được tốc độ hoặc áp suất lưu lượng theo yêu cầu.

Việc phải lắp đặt một bơm lớn hơn không chỉ làm tăng chi phí đầu tư mà còn còn tăng cả chi phí sửa chữa sự ăn rỗ trong van điều khiển, kéo theo thời gian ngừng hoạt động do mối hàn bị vỡ hoặc do rò rỉ mủ bởi rung động cao, hoặc giảm chất lượng sản phẩm do hiệu quả kiểm soát kém.

Việc hệ thống bơm thông minh không đạt được hiệu quả như mong muốn có thể do những yếu tố chưa biết trong  giai đoạn thiết kế  nhưng cũng có thể do sự thay đổi các yêu cầu của hệ thống trong khi sử dụng. Điều này có thể do : cần tốc độ sản xuất cao hơn hay thấp hơn, do cần phải điều chỉnh các điểm đặt nhiệt độ hoặc có thể do phải đáp ứng các yêu cầu mới về môi trường. Điều này có thể khiến cho bơm hoạt động ở hiệu suất cao nhất có thể. Để hệ thống bơm thông minh đạt được hiệu quả thì mỗi bơm phải phù hợp với yêu cầu của toàn hệ thống tại mọi thời điểm.

Sau khi xây dựng và xác định được các yêu cầu, hệ thống bơm cần phải được tối ưu hóa để trở thành hệ thống bơm thông minh. Cắt cánh quạt hoặc lắp một ổ đĩa biến đổi tần số là hai lựa chọn phổ biến nhất để đảm bảo rằng máy bơm phù hợp với yêu cầu của hệ thống và tiết kiệm chi phí năng lượng. Đối với những bơm có kích thước quá lớn, thì việc thay thế bơm với kích thước phù hợp hơn để đáp ứng các nhu cầu thực tế của hệ thống có thể là một lựa chọn tốt hơn so với việc ngừng hoạt động nhiều năm,chịu chi phí năng lượng và bảo trì cao, chất lượng sản phẩm thấp hoặc gây ô nhiễm môi trường.

Sử dụng hệ thống bơm thông minh ngay trong  giai đoạn thiết kế của nhà máy bằng cách hiểu rõ hệ thống yêu cầu những gì, cấu hình của hệ thống phải như thế nào để đạt được các yêu cầu thiết kế  và lựa chọn các thiết bị trong hệ thống ra sao để vận hành đạt hiệu quả tốt nhất trong các điều kiện ổn định. Khi nhà máy hoạt động trơn tru ở trạng thái ổn định sẽ tránh các điều kiện làm việc nguy hiểm,  lượng khí thải được kiểm soát và sản lượng đầu ra tăng lên.

Phân tích thiết kế trong phần mềm mô phỏng trạng thái thủy lực ổn định là chìa khóa để đạt được hiệu quả tối ưu của một hệ thống bơm thông minh. Một mô hình hệ thống có thể tạo điều kiện giao tiếp rõ ràng, giúp kết nối các đội thiết kế kỹ thuật với nhau, kết nổi cả chủ sỡ hữu, người khai thác và các nhà sản xuất thiết bị. Từ đó, có thể giảm thiểu tối đa tác động của những yếu tố chưa biết khi thiết kế , giúp lựa chọn các thiết bị phù hợp. Một mô hình cũng sẽ giúp các nhóm khác nhau hiểu được cách thức hệ thống hoạt động ở trạng thái ổn định, làm thế nào để khắp phục sự cố khi hệ thống lỗi và làm thế nào để thay đổi hệ thống khi cần thiết hoặc tối ưu hóa theo thời gian.