Hướng dẫn thiết kế, lắp đặt hệ thống bơm chữa cháy nối tiếp và hệ thống bơm chữa cháy song song

Khi thiết kế hệ thống PCCC tại các công trình như nhà công nghiệp, nhà máy nhiệt điện, nhà máy lọc hoá dầu, cũng như công trình hạ tầng kỹ thuật của khu công nghiệp, khu đô thị, khu kinh tế… cần phải cấp nước chữa cháy với lưu lượng lớn tại các khu vực cách xa trạm bơm hoặc có độ cao chênh lệch với trạm bơm lớn, sẽ rất ít bơm chữa cháy có thể đạt được các yêu cầu về lưu lượng lớn, cột áp lớn, để đáp ứng yêu cầu đề ra.  

Tuy rằng, vẫn có một số loại máy bơm chữa cháy chuyên dụng có khả năng tạo cột áp lớn như máy bơm trục đứng đa tầng cánh, tuy nhiên, những dòng máy bơm này thường có lưu lượng nhỏ, không đáp ứng được với lưu lượng chữa cháy. Vì vậy, trong nhiều trường hợp cần phải đấu nối hệ thống bơm chữa cháy nối tiếp hoặc song song tuỳ theo từng nhu cầu chữa cháy cụ thể. Ở những nơi cần có cột áp cao, đẩy nước chữa cháy lên vị trí cao người ta thường dùng hai máy bơm lắp nối tiếp với nhau. Ở những nơi cần có lưu lượng chữa cháy lớn, người ta thường dùng hai máy bơm lắp song song với nhau.

Việc lắp đặt máy bơm chữa cháy nối tiếp nhau hoặc song song như thế nào cho hiệu quả, đáp ứng yêu cầu chữa cháy thì phải tuân thủ theo các quy định của tiêu chuẩn, quy chuẩn, như QCVN 02:2020/BCA Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về trạm bơm nước chữa cháy. Do vậy, việc thiết kế, lắp đặt đối với hệ thống bơm lắp nối tiếp và hệ thống bơm lắp song song cần lưu ý thực hiện theo một số hướng dẫn sau:

Hệ thống bơm chữa cháy lắp nối tiếp

Một hệ bơm lắp đặt nối tiếp (gồm các thiết bị bơm, động cơ, tủ điều khiển, và phụ kiện) sẽ đáp ứng tiêu chuẩn như một bộ thiết bị tổng thể. Việc lắp đặt nối tiếp các máy bơm chữa cháy sao cho: Nước từ cửa xả của máy bơm này sẽ được nối vào ống hút của máy bơm tiếp theo; trình tự nối như vậy sẽ làm tăng cột áp của hệ thống đường ống.

 Hình ảnh minh hoạ về hệ thống bơm chữa cháy nối tiếp

Để việc ghép nối tiếp các bơm chữa cháy đạt hiệu quả tối ưu thì cần phải tuân thủ một số nguyên tắc như sau:

- Không được phép có hơn ba bơm nước chữa cháy trong hệ bơm nối tiếp.

- Không cho phép lắp đặt hơn 2 bơm thay đổi tốc độ trong hệ bơm nối tiếp.

- Không một bơm nào trong hệ bơm nối tiếp được phép tự động tắt ở bất kỳ điều kiện áp suất hút nào.

- Không được lắp đặt van giảm áp suất hoặc van điều tiết áp suất giữa các bơm nước chữa cháy được lắp nối tiếp.

- Áp suất tại mọi điểm hoạt động, đối với mọi bơm trong hệ bơm nối tiếp tại điểm 0 % lưu lượng, điểm lưu lượng thiết kế với áp suất đầu hút tĩnh tối đa, không được vượt quá giá trị áp suất đầu hút, áp suất đầu đẩy và áp suất hoạt động thiết kế.

Biểu đồ thể hiện đường đặc tính của hệ thống bơm chữa cháy nối tiếp nhau

Hai máy bơm giống nhau có đường đặc tính bơm là Q - H(A/B) mầu đỏ.

Đường đặc tính hệ thống gặp đường đặc tính máy bơm Q - H(A/B) tại điểm công tác của 01 máy bơm chữa cháy hoạt động.

Để xác định điểm công tác của hai máy bơm trên ta cần vẽ được đường đặc tính của hệ thống và đường đặc tính chung của hai máy bơm lắp nối tiếp (như hình vẽ trên). Đường đặc tính chung của hai máy bơm được vẽ theo nguyên tắc cộng tung độ đường đặc tính của hai máy bơm khi có cùng lưu lượng (hoành độ), ở đây do bơm giống nhau nên ta nhân đôi tung độ của đường Q - H(A/B) được đường Q - H (A + B). Điểm công tác chung của hai bơm có lưu lượng và cột nước tương ứng với điểm công tác là QA = QB và HA + HB.

Trong thực tế, để lắp đặt bơm chữa cháy dự phòng cho các bơm chữa cháy nối tiếp thì phải ghép nối tiếp từng cặp (hai máy bơm một), các cặp này lại nối song song với nhau. Cặp bơm này dự phòng cho cặp bơm chữa cháy chính khi bị sự cố xảy ra.

Hệ thống bơm chữa cháy lắp song song

Một phương pháp tối ưu để tăng lưu lượng của trạm bơm đáp ứng yêu cầu chữa cháy với lưu lượng lớn là ghép các máy bơm chạy song song đẩy nước vào hệ thống chữa cháy.

Hệ thống bơm lắp song song

Khi hai hoặc nhiều máy bơm lắp song song cùng chạy kết quả sẽ thu được đường đặc tính chung và làm tăng lưu lượng trong đường ống chính ở cùng một cột áp bơm. Trong thực tế, việc ghép bơm chữa cháy phổ biến là ghép 02 bơm chữa cháy có thông số kỹ thuật giống nhau. Đối với trường hợp này, ta có thể minh hoạ đường đặc tính của từng bơm và đường đặc tính chung của 02 bơm như hình minh hoạ.

Biểu đồ thể hiện đường đặc tính hệ thống bơm chữa cháy lắp song song

Khi 02 bơm có thông số giống nhau chạy song song trong trường hợp lý tưởng, thì lưu lượng của hệ thống lúc này bằng 02 lần lưu lượng của hai máy bơm cộng lại khi chúng hoạt động độc lập với nhau. Tuy nhiên, trong thực tế luôn tồn tại các tổn thất áp lực trên đường ống, do đó khi chúng ta lắp song song hai máy bơm thì lưu lượng được sinh ra trong hệ thống luôn nhỏ hơn tổng lưu lượng của hai máy bơm cộng lại khi chúng hoạt động độc lập với nhau. Khi lắp đặt hai máy bơm song song thì chênh lệch lưu lượng nhiều hay ít tùy thuộc vào mức độ chênh lệch độ cao nhỏ hay chênh lệch độ cao lớn của cột nước máy bơm. Đường kính ống càng lớn và ma sát càng ít thì độ hao tổn cột áp càng thấp nên đảm bảo được lưu lượng. Ngược lại của việc đầu tư đường ống lớn và ít ma sát để tăng lưu lượng thì nguồn đầu tư sẽ tăng lên nhiều. Do vậy lắp song song hai máy bơm cần tính đến bài toán kinh tế khi chọn đường kính ống. Hai máy bơm ghép song song chúng ta cần chọn điểm làm sao cho hiệu suất của từng máy bơm ở mức cao nhất. Chỉ khi thực hiện được điều này thì hiệu quả lắp hai bơm song song mới đạt được hiệu quả cao nhất, tránh tình trạng triệt tiêu áp lực và lưu lượng.

Khi lắp đặt máy bơm song song chúng ta cần xác định đường đặc tính chung của hệ thống: Để làm được điều này chúng ta cần tính toán tổn thất đường ống chung và tổn thất do ma sát, hao hụt lưu lượng cột áp trên đường ống riêng của từng máy bơm trong khoảng từ bể hút đến điểm nối chung để tìm điểm công tác chung. Để kể đến tổn thất này ta lấy chiều cao của từng đường đặc tính cột nước, lưu lượng của từng máy trừ đi tổn thất tương ứng khi lưu lượng thay đổi của từng ống rồi mới tiến hành xác định được đường đặc tính chung và tìm điểm công tác.

Xác định mối quan hệ giữa cột áp (H) và lưu lượng (Q) của hệ thống, như sau:

Xác định phương trình liên hệ Q và H của hệ thống, ta có (1):

Căn cứ vào phương trình liên hệ giữa Q và H của hệ thống nêu trên và căn cứ vào lưu lượng, cột áp cần thiết (được xác định qua tính toán) ta có thể lựa chọn được thông số của 02 bơm chữa cháy để lắp song song với nhau.

Như vậy, 02 phương pháp lắp máy bơm chữa cháy (nối tiếp và song song) như trên, có thể giảm thiểu, loại trừ những tổn thất rủi ro gặp phải trong vận hành trạm bơm chữa cháy, góp phần giải quyết bài toán thiết kế hệ thống cấp nước chữa cháy với lưu lượng, cột áp lớn mà một máy bơm không cung cấp được, giúp bảo đảm an toàn PCCC cho các dự án, công trình có quy mô lớn, tính chất nguy hiểm cháy, nổ cao.