Cột áp máy bơm (tiếng Anh là Head, ký hiệu H) là năng lượng máy bơm truyền cho mỗi đơn vị trọng lượng chất lỏng, tính bằng mét cột chất lỏng. Với nước, đơn vị thường dùng là mét cột nước (mH₂O), và 10 mH₂O xấp xỉ 1 bar.
Cột áp của bơm ly tâm không cố định: lưu lượng càng tăng thì cột áp càng giảm. Vì vậy, khi chọn bơm phải xem cột áp tại đúng lưu lượng mà hệ thống cần.
Trên catalogue, cột áp H luôn đứng cạnh lưu lượng Q. Q cho biết bơm chuyển được bao nhiêu nước trong một giờ. H cho biết bơm cấp cho lượng nước đó bao nhiêu năng lượng để đi qua hệ thống.
Chữ “mét” trong đơn vị cột áp hay gây hiểu nhầm. Một bơm cột áp 80 m chưa chắc đưa được nước lên cao 80 m. Lý do là một phần năng lượng phải dùng để thắng ma sát trong ống, van, phụ kiện, và để giữ áp suất ở điểm dùng nước.
Khi nhận yêu cầu chọn bơm PCCC hay bơm công nghiệp, đội kỹ thuật Parolli luôn hỏi đủ cả Q và H. Chỉ biết công suất động cơ hoặc “cần đẩy cao bao nhiêu mét” thì chưa đủ để chọn đúng model.
Mét cột nước (mH₂O) đổi ra bar như thế nào?
Với nước ở điều kiện thông thường, 1 mH₂O ≈ 9,81 kPa ≈ 0,098 bar. Như vậy khoảng 10,2 mH₂O bằng 1 bar. Ngoài hiện trường, kỹ thuật viên hay tính nhanh 10 m cột nước ≈ 1 bar.
| Cột áp (mH₂O) | Áp suất tương đương (với nước) |
| 10 | ≈ 0,98 bar |
| 30 | ≈ 2,9 bar |
| 50 | ≈ 4,9 bar |
| 60 | ≈ 5,9 bar |
| 80 | ≈ 7,8 bar |
| 100 | ≈ 9,8 bar |
Cột áp và áp suất là hai đại lượng khác nhau. Mối quan hệ giữa chúng phụ thuộc vào khối lượng riêng của chất lỏng, nên bảng trên chỉ đúng với nước.
Với dầu, hóa chất hay chất lỏng có tỷ trọng khác, cùng một cột áp sẽ ứng với áp suất khác. Chất lỏng nặng hơn nước cho áp suất cao hơn, chất lỏng nhẹ hơn cho áp suất thấp hơn.
Cột áp có phải là chiều cao bơm nước lên được không?
Giả sử điểm cần cấp nước cao hơn bể 30 m. Nhiều người sẽ chọn luôn bơm H = 30 m, và đó là lỗi hay gặp nhất khi đọc thông số bơm.
Giả sử thêm rằng đường ống làm mất 12 m cột áp và thiết bị cuối cần giữ 30 mH₂O. Khi đó bơm phải đáp ứng 30 + 12 + 30 = 72 m.
Chiều cao công trình chỉ là một phần của bài toán. Hai công trình cùng cao 30 m vẫn có thể cần hai máy bơm khác hẳn nhau nếu khác chiều dài ống, đường kính ống, số van, lưu lượng hoặc áp suất yêu cầu ở đầu cuối.
Cách tính cột áp tổng của hệ thống
Công thức đầy đủ theo phương trình năng lượng:
H = Δz + ΔP/(ρg) + Δ(v²)/(2g) + Hloss
Trong đó:
- Δz là chênh lệch cao độ.
- ΔP/(ρg) là chênh lệch áp suất giữa điểm cuối và nguồn hút.
- Δ(v²)/(2g) là chênh lệch động năng của dòng chảy, thường nhỏ trong hệ thống cấp nước.
- Hloss là tổn thất trên ống, van, phụ kiện và thiết bị.
Với hệ thống hút từ bể hở (mặt nước thông với khí quyển), có thể tính gần đúng:
Cột áp yêu cầu ≈ Chênh cao + Áp suất cần ở đầu cuối + Tổn thất hệ thống
Nếu bơm hút từ nguồn có áp, ví dụ nối từ đường ống cấp nước hoặc từ bồn kín, cần trừ phần áp suất sẵn có ở đầu hút ra khỏi kết quả trên.
Chênh lệch cao độ
Chênh cao tính từ mặt nước ở bể hút đến điểm cần cấp nước, không tính từ thân bơm lên tầng cao nhất.
Nên lấy mực nước thấp nhất trong bể, vì lúc bể gần cạn là lúc bơm phải làm việc nặng nhất. Ví dụ mặt nước thấp nhất ở cao độ 0 m và điểm cấp nước ở +25 m, thì riêng phần chênh cao đã là 25 m.
Áp suất cần ở điểm sử dụng
Nước lên tới nơi chưa có nghĩa hệ thống chạy đạt. Vòi phun, đầu sprinkler, họng chữa cháy hay thiết bị công nghệ đều cần một áp suất nhất định để làm việc đúng thiết kế.
Ví dụ điểm cuối cần 3 bar. Sau khi đã thắng chênh cao và tổn thất, bơm vẫn phải cấp thêm khoảng 30,6 mH₂O cho phần này. Đây là phần hay bị bỏ sót nhất khi người dùng chỉ tính theo độ cao.
Tổn thất trên đường ống và phụ kiện
Nước chảy trong ống mất năng lượng liên tục do ma sát. Ống dài hơn, lưu lượng lớn hơn hoặc ống nhỏ hơn đều làm tổn thất tăng. Co, tê, van một chiều, van chặn, lọc, côn thu và côn mở cũng cộng thêm trở lực.
Khi đã có đủ số liệu tuyến ống thì nên tính thủy lực cụ thể. Đừng áp một tỷ lệ cố định kiểu “cộng thêm 10-20%” cho mọi dự án.
Ví dụ tính cột áp tổng
| Thành phần | Giá trị |
| Chênh lệch cao độ | 28 m |
| Áp suất cần tại điểm cuối | 3 bar ≈ 30,6 mH₂O |
| Tổn thất ống, van, phụ kiện ở lưu lượng thiết kế | 14 m |
| Tổng cột áp yêu cầu | ≈ 72,6 m |
Nếu lưu lượng thiết kế là 100 m³/h, điểm làm việc cần tra là Q = 100 m³/h tại H ≈ 73 m. Có con số này mới bắt đầu chọn bơm được. Thông tin kiểu “công trình cao 28 m” hay “cần bơm 30 kW” chưa đủ để chọn.
Cách đọc cột áp trên đường đặc tính Q-H
Đường đặc tính có trục ngang là lưu lượng Q và trục đứng là cột áp H. Muốn kiểm tra một bơm, bạn lấy lưu lượng hệ thống cần trên trục Q, dóng lên đường cong rồi đọc H tương ứng.
Lấy ví dụ máy bơm điện ly tâm chữa cháy Parolli PST 50-250/185 (DN 65×50, động cơ 18,5 kW). Theo catalogue, cột áp của bơm thay đổi theo lưu lượng như sau:
| Lưu lượng Q (m³/h) | 0 | 34 | 45 | 57 | 68 | 79 | 91 |
| Cột áp H (m) | 79 | 77 | 74 | 71 | 66 | 59 | 47 |
Nếu hệ thống cần 57 m³/h tại 70 m, bơm cho 71 m ở lưu lượng này nên đáp ứng được. Nếu hệ thống cần 79 m³/h tại 70 m, bơm chỉ còn 59 m và không đạt, dù cột áp lớn nhất của nó là 79 m.
Parolli gặp khá nhiều trường hợp khách hàng thấy “Hmax = 79 m” rồi nghĩ bơm tạo 79 m trong mọi điều kiện. Thực tế đó là cột áp khi lưu lượng bằng 0.
Câu hỏi đúng khi chọn bơm là: tại lưu lượng hệ thống cần, bơm còn tạo được bao nhiêu mét? Với các giá trị Q nằm giữa hai cột trong bảng, kỹ sư nên đọc trực tiếp trên đường đặc tính của model thay vì tự nội suy.
Cột áp đóng (shut-off head)
Cột đầu tiên trong bảng trên (Q = 0, H = 79 m) chính là cột áp đóng, hay shut-off head, của PST 50-250/185. Đây là giá trị cao nhất của bơm nhưng không dùng để chọn bơm. Hệ thống cần 68 m³/h thì phải đánh giá bơm ở mức 66 m, không phải 79 m.
Điểm làm việc thực tế: giao của đường bơm và đường hệ thống
Hệ thống đường ống cũng có đường đặc tính riêng, gọi là system curve. Lưu lượng tăng thì tổn thất ma sát tăng, nên hệ thống đòi cột áp cao dần theo lưu lượng.
Bơm sẽ chạy tại giao điểm của đường bơm và đường hệ thống. Vì vậy, cùng một máy bơm lắp vào hai hệ thống ống khác nhau sẽ cho lưu lượng thực tế khác nhau.
Chọn cột áp thiếu hoặc dư thì sao?
Khi cột áp thiếu, bơm không đạt được điểm Q-H thiết kế. Lưu lượng thực tế thấp hơn tính toán, hoặc áp suất tại vị trí bất lợi nhất không đủ.
Với hệ thống công nghiệp, thiết bị cuối sẽ thiếu nước hoặc thiếu áp. Với hệ thống PCCC thì hậu quả nặng hơn, vì lưu lượng và áp suất tại các điểm tính toán là yêu cầu bắt buộc. Nếu cột áp tĩnh của hệ thống cao hơn cả cột áp đóng của bơm, nước sẽ không lên tới điểm cần cấp.
Khi chọn dư nhiều “cho chắc” cũng gây vấn đề. Đường bơm cao hơn hẳn nhu cầu làm điểm làm việc trượt sang phía lưu lượng lớn. Kéo theo đó là vận tốc nước tăng, tổn thất tăng, công suất tiêu thụ tăng và điều kiện hút xấu đi. Lúc chạy ở lưu lượng thấp, áp suất trong hệ thống lại có thể vượt mức mong muốn.
Nhiều nơi phải khép bớt van để giảm lưu lượng, tức là đổ bỏ một phần năng lượng qua van. Với bơm công nghiệp chạy nhiều giờ mỗi ngày, khoản điện hao phí này cộng dồn lại khá lớn qua vòng đời thiết bị.
Tiêu chí khi chọn bơm là đường đặc tính khớp với điểm làm việc và vùng vận hành của hệ thống. Cột áp lớn nhất không phải là tiêu chí.
Cột áp của máy bơm chữa cháy cần xem kỹ hơn
Với bơm PCCC, kỹ sư phải xem cả hình dạng đường đặc tính: vùng lưu lượng thấp, điểm định mức và vùng lưu lượng cao.
Dự án áp dụng NFPA 20 sẽ kiểm tra bơm ở ba điểm: shut-off (churn), lưu lượng định mức và 150% lưu lượng định mức. Theo tiêu chuẩn này:
- Tại 150% lưu lượng định mức, bơm phải giữ được ít nhất 65% cột áp định mức.
- Cột áp đóng không được vượt quá 140% cột áp định mức.
Với công trình tại Việt Nam, tiêu chuẩn và quy chuẩn áp dụng phụ thuộc hồ sơ thiết kế và loại hệ thống chữa cháy. Không nên mặc định mọi dự án dùng chung một bộ tiêu chuẩn.
Cần chuẩn bị thông tin gì khi hỏi chọn bơm?
Để chọn bơm PCCC hay bơm công nghiệp sát nhu cầu, bạn nên có sẵn:
- Lưu lượng thiết kế Q và cột áp yêu cầu H, hoặc số liệu để tính H.
- Cao độ mực nước thấp nhất ở nguồn và cao độ điểm sử dụng.
- Chiều dài, đường kính, vật liệu ống; các van, co và thiết bị chính trên tuyến.
- Áp suất cần giữ tại điểm cuối.
- Điều kiện hút: bơm hút dương hay hút âm, chiều cao hút, nguồn hút hở hay có áp. Đây là số liệu để kiểm tra NPSH, tránh xâm thực.
- Loại chất lỏng, nhiệt độ vận hành và chế độ chạy của hệ thống.
- Tiêu chuẩn kỹ thuật dự án áp dụng.
Có đủ các thông tin này, việc tra đường đặc tính và chọn model sẽ chính xác hơn nhiều so với chỉ đưa công suất động cơ hay chiều cao công trình.
Câu hỏi thường gặp về cột áp máy bơm
Cột áp 50 m bằng bao nhiêu bar?
Với nước, 50 mH₂O ≈ 4,9 bar. Tính nhanh có thể lấy xấp xỉ 5 bar.
Cột áp và áp suất khác nhau thế nào?
Cột áp là năng lượng trên một đơn vị trọng lượng chất lỏng, đo bằng mét. Áp suất là lực trên diện tích, đo bằng bar hoặc kPa. Hai đại lượng quy đổi qua khối lượng riêng của chất lỏng.
Hmax trên catalogue có dùng để chọn bơm được không?
Không. Hmax thường là cột áp khi lưu lượng bằng 0. Ví dụ PST 50-250/185 có Hmax 79 m, nhưng ở 79 m³/h chỉ còn 59 m. Khi chọn bơm cần đọc H tại lưu lượng hệ thống yêu cầu.
Cột áp càng cao thì càng tốt?
Không. Bơm dư cột áp nhiều sẽ chạy lệch khỏi vùng làm việc phù hợp, tốn điện hơn và có thể gây quá áp khi chạy ở lưu lượng thấp.
Một yêu cầu chọn bơm đầy đủ nên ghi thành điểm làm việc, ví dụ “Q = 120 m³/h tại H = 80 m”, thay vì chỉ ghi “cần bơm cột áp 80 m”. Sau đó đối chiếu điểm này với đường đặc tính, điều kiện hút, công suất và hiệu suất của bơm.
Parolli cung cấp máy bơm chữa cháy, máy bơm công nghiệp và bơm cấp nước, kèm hỗ trợ kỹ thuật khi chọn cấu hình cho dự án. Nếu bạn đã có số liệu Q-H, bản vẽ hoặc sơ đồ hệ thống, đội kỹ thuật Parolli có thể đối chiếu đường đặc tính và đề xuất model phù hợp.
Nguồn tham khảo: Hydraulic Institute, Pump Fundamentals (Pump Curves & System Curves); NFPA 20, Standard for the Installation of Stationary Pumps for Fire Protection; catalogue sản phẩm Parolli.