Cách tính NPSHa, so sánh NPSHr và độ dự trữ NPSH
Nhà cung cấp bơm của Nhật gửi datasheet, trong đó có một giá trị ghi là 必要NPSH (hitsuyo NPSH, nghĩa là "NPSH yêu cầu"). Phiếu hikiai (yêu cầu báo giá) của họ lại hỏi ngược: hệ thống của bạn cung cấp được NPSH bao nhiêu? Để trả lời, bạn phải tự tính NPSHa cho bể, đường ống và chất lỏng của mình, rồi quyết định độ dự trữ bao nhiêu là đủ.
Bài này giải thích NPSH là gì, cách tính NPSHa, và đi qua ba ví dụ: hút có áp, hút lên và bể nước bão hòa có áp. Sau đó là cách nhìn độ dự trữ giữa NPSHa và NPSHr, những điểm đã xác nhận được về hướng dẫn ANSI/HI 9.6.1 của Hydraulic Institute, và những gì nên hỏi nhà cung cấp.
Mục lục
NPSH là gì?
NPSH là viết tắt của net positive suction head. Đại lượng này cho biết áp suất toàn phần của chất lỏng đi vào bơm cao hơn áp suất hơi bão hòa ở nhiệt độ đó bao nhiêu, tính bằng chiều cao cột chất lỏng (mét). Áp suất toàn phần ở đây gồm cả áp suất tĩnh và phần động năng của dòng chảy.
NPSH là một cột áp, không phải áp suất tính bằng Pa, và cũng không đơn thuần là độ cao lắp đặt của bơm. Kỹ sư dùng nó để đánh giá phía hút của bơm có giữ cho chất lỏng không sôi bên trong bơm hay không. Trong TCVN 9222:2012, thuật ngữ này được dịch là "cột áp hút dương tối thiểu", còn ngoài hiện trường người ta thường nói thẳng NPSH.
Vì sao áp suất phía hút quan trọng: xâm thực
Bơm làm tăng áp suất ở phía đẩy, nhưng ngay gần cửa vào cánh bơm thì áp suất lại giảm cục bộ. Nếu áp suất ở đó tụt đến áp suất hơi bão hòa của chất lỏng, bọt hơi sẽ hình thành. Khi các bọt này đi sang vùng có áp suất cao hơn phía sau, chúng có thể vỡ ra.
Đây là hiện tượng xâm thực (cavitation). Khi phát triển, nó gây ồn, rung, giảm tính năng và làm hỏng chi tiết của bơm.
Không khí lọt từ bên ngoài vào (hút khí, air entrainment) có nguyên nhân khác, nên hai vấn đề này cần được tìm hiểu riêng.
NPSHa và NPSHr
Khi chọn bơm, bạn so sánh hai giá trị:
- NPSHa (NPSH khả dụng, available): phần mà hệ thống, gồm bể chứa và đường ống hút, thực sự cung cấp cho bơm. Bạn tính nó từ mực chất lỏng, áp suất, nhiệt độ và lưu lượng, nên cùng một bơm cũng có NPSHa khác nhau mỗi khi điều kiện vận hành thay đổi. Tài liệu tiếng Nhật gọi là yuko suikomi head.
- NPSHr (NPSH yêu cầu, required): phần mà nhà chế tạo nói bơm cần để đạt tính năng đã công bố. Giá trị này gắn với một lưu lượng, một tốc độ quay và một chất lỏng cụ thể. Bạn có thể gặp ký hiệu NPSHreq, còn tài liệu Nhật ghi là hitsuyo suikomi head hoặc 必要NPSH (hitsuyo NPSH). Hãy đọc nó trên đường đặc tính và thông số kỹ thuật của nhà chế tạo.
NPSHr không phải một con số cố định cho mỗi bơm. Nó thay đổi theo lưu lượng và tốc độ quay. Nếu chỉ xem điểm định mức, bạn có thể mất độ dự trữ cần thiết ở lưu lượng lớn sau khi khởi động hoặc ở các điểm vận hành khác.
Chiều chung thì đơn giản: NPSHa càng lớn và NPSHr càng nhỏ thì càng dễ có độ dự trữ phía hút. Tuy vậy, riêng hiệu số đó không quyết định được tính năng phía đẩy hay lưu lượng tối thiểu, nên phải đánh giá cùng với dải vận hành của bơm.
NPSH3 nghĩa là gì
NPSH3 là một giá trị thử nghiệm: NPSH tại đó xâm thực làm cột áp toàn phần của bơm giảm 3%. Với bơm nhiều tầng, mức 3% tính theo cột áp của tầng đầu tiên, không phải 3% áp suất đẩy của cả bơm. TCVN 9222:2012 cũng định nghĩa NPSH theo mức giảm 3% cột áp ở tầng đầu.
Hình dưới minh họa nguyên lý của phép thử: thay đổi điều kiện hút trong khi giữ nguyên lưu lượng và tốc độ quay.
Hình 1: NPSH3 là điểm cột áp đã giảm, không phải điểm bọt khí bắt đầu xuất hiện
Minh họa nguyên lý phép thử thay đổi điều kiện hút ở lưu lượng và tốc độ không đổi. Không phải số liệu thử của một bơm cụ thể.
Chỉ cần vượt NPSH3 thì chưa chắc đã loại bỏ mọi ảnh hưởng của xâm thực, kể cả tiếng ồn và hư hỏng.
Một số nhà chế tạo công bố NPSHr bằng đúng giá trị NPSH3, nhưng đừng mặc định hai giá trị này luôn là một. Trong bài đăng ngày 18/3/2025, Hydraulic Institute giải thích rằng bản 2024 của ANSI/HI 9.6.1 lấy NPSHr do nhà chế tạo cung cấp làm cơ sở tính độ dự trữ. NPSHr đó phải bằng hoặc lớn hơn NPSH3 đã thử.
Cách tính NPSHa
Với bể lớn, bạn tính NPSHa từ áp suất trên mặt chất lỏng, chênh lệch độ cao đến bơm và tổn thất trên đường ống hút. Phương pháp này giả định dòng chất lỏng một pha, ổn định, vận tốc ở mặt bể không đáng kể và không có năng lượng cấp thêm nào dọc đường, ví dụ từ một bơm tăng áp.
Trong công thức phải dùng áp suất tuyệt đối. Khi đổi áp suất sang cột áp, dùng khối lượng riêng của chất lỏng ở nhiệt độ vận hành. Nếu bạn bắt đầu từ áp suất dư (gauge), hãy cộng áp suất khí quyển tại chỗ trước, rồi mới trừ áp suất hơi bão hòa.
Có hai dạng công thức, tùy bạn xuất phát từ đâu:
Hình 2: Hai cách tính NPSHa: từ mặt bể hoặc từ cửa vào bơm
Áp suất đo tại cửa vào đã phản ánh tổn thất phía trước nó. Đừng trừ các tổn thất đó thêm lần nữa.
Dấu của số hạng độ cao và mặt chuẩn của bơm
Độ cao z dương khi mặt chất lỏng nằm trên mặt chuẩn và âm khi nằm dưới. Vì vậy dấu đổi giữa trường hợp hút có áp (oshikomi) và hút lên (suiage).
Các ví dụ ở đây dùng bơm nằm ngang, mặt chuẩn đặt tại tâm cánh bơm. Bơm đứng và một số kiểu khác dùng mặt chuẩn khác, nên hãy đối chiếu bản vẽ của bạn với mặt chuẩn NPSH mà nhà chế tạo chỉ định. Đừng lấy chiều cao của bơm so với nền nhà, hoặc chiều cao đến đáy bể, làm chênh lệch mực chất lỏng.
Những gì tính vào tổn thất cột áp
Tổn thất cột áp không chỉ là ma sát trong ống thẳng. Hãy tính cả tổn thất ở cửa vào, các co, van và bộ lọc cặn (strainer). Các tổn thất này thay đổi theo lưu lượng và độ nhớt, nên đừng dùng giá trị tính ở lưu lượng bình thường cho mọi điểm vận hành.
Đường kính trong nhỏ hơn làm tăng vận tốc và tổn thất, nên Schedule (Sch) của ống cũng có ảnh hưởng. Khi tính vận tốc và tổn thất, hãy dùng đường kính trong thực tế của ống sẽ lắp, không dùng cỡ danh nghĩa.
Khi đổi giữa áp suất và cột áp, hãy tách "mét cột nước" theo cách quy đổi thông thường khỏi cột áp của chất lỏng thật ở nhiệt độ vận hành. Ví dụ, 1 bar tương đương khoảng 10,2 m cột nước lạnh, nhưng với nước 60°C (983,2 kg/m³) chỉ còn khoảng 10,37 m. Phép tính cuối cùng phải dùng khối lượng riêng thực.
Lưu ý khi đọc tài liệu Nhật và khi dùng ở Việt Nam
Tài liệu Nhật thường ghi áp suất dư bằng chữ G ở cuối đơn vị, như MPaG hoặc kPaG. Ví dụ 0,5 MPaG tương đương 0,5 MPa(g), tức 5 bar(g). Đồng hồ ở nhiều nhà máy vẫn chia theo bar hoặc kg/cm² (1 kg/cm² ≈ 98,07 kPa), nên hãy đổi về cùng một đơn vị trước khi tính.
Áp suất khí quyển giảm khi lên cao. Ở độ cao khoảng 1.000 m, áp suất khí quyển tiêu chuẩn chỉ còn khoảng 90 kPa, thấp hơn 101,325 kPa ở mực nước biển. Với nhà máy ở vùng cao, hãy dùng áp suất khí quyển tại chỗ thay vì mặc định 101,325 kPa.
Nhiệt độ cũng cần kiểm tra thực tế. Nước tuần hoàn, nước từ tháp giải nhiệt vào mùa nóng hoặc bể ngoài trời có thể nóng hơn nhiều so với nhiệt độ ghi trong catalogue. Áp suất hơi bão hòa tăng nhanh theo nhiệt độ nên điều này làm NPSHa giảm.
Ví dụ tính NPSHa
Cả ba ví dụ dưới đây dùng điều kiện giả định để minh họa. Tính chất của nước lấy từ IAPWS Industrial Formulation 1997 (IAPWS-IF97), với gia tốc trọng trường chuẩn g = 9,80665 m/s².
Ví dụ 1: Hút có áp (oshikomi)
Ở kiểu hút có áp, tiếng Nhật gọi là oshikomi, mực chất lỏng của bể cấp nằm trên mặt chuẩn của bơm nên độ cao làm tăng NPSHa. Trong ví dụ này, một bể hở cấp nước 60°C và mực vận hành thấp nhất cao hơn mặt chuẩn 3 m.
Áp suất mặt thoáng là 101,325 kPa tuyệt đối, tổn thất trên đường hút là 1 m. Ở 60°C, nước có áp suất hơi bão hòa khoảng 19,946 kPa và khối lượng riêng khoảng 983,2 kg/m³.
Hình 3: Hút có áp: cộng độ cao tính từ mực chất lỏng thấp nhất
Phần do áp suất cho khoảng 8,44 m. Cộng thêm độ cao 3 m rồi trừ tổn thất 1 m, ta được khoảng 10,44 m. Đây là NPSHa mà hệ thống cung cấp. Hãy so riêng với NPSHr của bơm ứng viên ở lưu lượng này, cộng với độ dự trữ bạn cần.
Độ cao có hiệu lực được lấy từ hiệu giữa mặt chuẩn và mực chất lỏng khi nó hạ xuống trong lúc vận hành, không phải từ độ cao lắp đặt của bể. Nếu chỉ đánh giá ở mực bình thường, độ dự trữ thực sẽ nhỏ hơn tính toán mỗi khi bơm tiếp tục chạy ở mực thấp.
Nếu có khóa liên động (interlock) dừng bơm khi mực thấp, hãy tính cả giá trị cài đặt và mức hạ thêm của mực trước khi bơm thực sự dừng. Sóng mặt thoáng và xoáy hút khí là những vấn đề riêng, nên chỉ riêng giá trị NPSHa không giải quyết được chúng.
Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn. Ở cùng áp suất khí quyển, nếu nước nóng lên 80°C thì áp suất hơi bão hòa tăng lên khoảng 47,415 kPa. Với khối lượng riêng khoảng 971,8 kg/m³ và các điều kiện khác giữ nguyên, NPSHa giảm còn khoảng 7,66 m.
Nếu cửa vào có bộ lọc cặn (strainer) chắn dị vật, hãy đánh giá tổn thất khi lọc bị bẩn, không chỉ ngay sau khi vệ sinh. Khi chọn cỡ lưới, cân nhắc khả năng giữ cặn cùng với tổn thất áp suất.
Ví dụ 2: Hút lên (suiage)
Ở kiểu hút lên, tiếng Nhật gọi là suiage, mực chất lỏng của bể nằm dưới mặt chuẩn của bơm nên số hạng độ cao mang dấu âm. Ví dụ này giữ nguyên nước 60°C, áp suất khí quyển và tổn thất 1 m, nhưng mực thấp nhất nằm dưới mặt chuẩn 3 m.
Hình 4: Độ cao hút lên 3 m được đưa vào công thức là −3 m
Lấy phần áp suất 8,44 m trừ đi độ cao hút lên 3 m và tổn thất 1 m, còn lại khoảng 4,44 m. Vì chênh lệch mực chất lỏng chuyển từ +3 m sang −3 m, NPSHa thấp hơn Ví dụ 1 đúng 6 m.
Chỉ nhìn vào cột nước lý thuyết mà áp suất khí quyển nâng được rồi kết luận "bơm hút được đến độ cao này" là chưa đủ. Trong thực tế, phải trừ áp suất hơi bão hòa và tổn thất đường ống, rồi vẫn còn lại NPSH yêu cầu của bơm cùng độ dự trữ.
Đường hút dài hơn hoặc lưu lượng lớn hơn làm tăng tổn thất và ăn vào độ dự trữ. Hãy chọn tuyến ống và đường kính với mối quan hệ giữa vận tốc và tổn thất áp suất trong đầu.
Ngay cả khi NPSHa tính ra đủ, bơm vẫn có thể không cấp nước bình thường nếu mất nước mồi hoặc hút phải không khí. Hút lên còn phụ thuộc vào độ kín khí của đường hút và cách mồi nước của bơm theo sổ tay hướng dẫn. Mồi nước tiếng Nhật là yobimizu.
Khi đo áp suất phía hút, hãy chú ý khác biệt giữa thang chân không trên đồng hồ áp – chân không (rensei-kei, 連成計) và áp suất tuyệt đối. Đừng trừ áp suất hơi bão hòa trực tiếp từ số đọc áp suất dư âm. Hãy cộng áp suất khí quyển để đổi sang tuyệt đối trước.
Ví dụ 3: Bể nước bão hòa có áp
Trong bể kín, áp suất mặt thoáng có thể cao hơn áp suất khí quyển hoặc gần chân không. Công thức vẫn như cũ: lấy hiệu giữa áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng và áp suất hơi bão hòa ở nhiệt độ của chất lỏng.
Trong ví dụ này, bể ở 0,5 MPa(g) chứa nước bão hòa ở áp suất đó, và mực thấp nhất cao hơn mặt chuẩn 3 m. Với áp suất khí quyển xung quanh 0,101325 MPa, áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng là 0,601325 MPa. Tài liệu Nhật ghi áp suất dư là MPaG hoặc kPaG.
Ở điều kiện này, nước bão hòa có nhiệt độ khoảng 158,9°C và áp suất hơi bão hòa đúng bằng áp suất tuyệt đối mặt thoáng, 0,601325 MPa. Số hạng áp suất bằng không, nên NPSHa chỉ còn là chênh lệch mực chất lỏng trừ đi tổn thất cột áp.
Hình 5: Với nước bão hòa, áp suất bể và áp suất hơi bão hòa triệt tiêu nhau
Áp suất bể cao không có nghĩa là toàn bộ con số đó được tính vào NPSHa. Ở trạng thái bão hòa, nhiệt độ tăng theo áp suất, và số hạng áp suất hơi bão hòa tăng đúng bằng mức đó rồi triệt tiêu nó.
Ngược lại, nếu tăng áp bằng khí trơ trong khi giữ nhiệt độ chất lỏng không đổi, khoảng cách so với áp suất hơi bão hòa sẽ tăng. Cách này làm thay đổi điều kiện của bình áp lực và của quá trình, nên cần xem xét điều kiện thiết kế và an toàn trước khi thực hiện.
Với hệ thống xử lý chất lỏng bão hòa, hãy chú ý hiện tượng bay hơi đột ngột khi áp suất tụt nhanh và sự trao đổi nhiệt trong ống hút. Việc áp suất mặt thoáng và áp suất hơi bão hòa triệt tiêu nhau ở trạng thái ổn định chưa bao quát chế độ quá độ hay dòng hai pha.
Bình chân không cũng tính theo áp suất tuyệt đối, và áp suất mặt thoáng càng thấp thì NPSHa càng giảm. Hãy coi thiết bị tạo chân không và bơm vận chuyển chất lỏng là hai chức năng riêng.
Ba ví dụ đặt cạnh nhau
Bảng dưới cho thấy từng số hạng của công thức hoạt động ra sao trong ba ví dụ.
| Hút có áp | Hút lên | Nước bão hòa có áp | |
|---|---|---|---|
| Mực chất lỏng | Trên mặt chuẩn 3 m | Dưới mặt chuẩn 3 m | Trên mặt chuẩn 3 m |
| Số hạng độ cao | +3 m | −3 m | +3 m |
| Áp suất trừ áp suất hơi bão hòa | Khoảng 8,44 m (áp suất khí quyển trừ áp suất hơi bão hòa ở 60°C) | Khoảng 8,44 m (giống hút có áp) | Bằng 0 (áp suất mặt thoáng và áp suất hơi bão hòa triệt tiêu) |
| Tổn thất cột áp | 1 m | 1 m | 1 m |
| NPSHa | Khoảng 10,44 m | Khoảng 4,44 m | 2 m |
| Cách chính để tăng độ dự trữ | Giữ mực thấp nhất cao; giảm tổn thất | Hạ thấp bơm; xem lại đường ống hút | Bảo đảm chênh lệch mực; giảm tổn thất |
Kiểm tra chéo NPSHa từ số đọc áp suất phía hút
Để tính NPSHa từ áp suất đo tại cửa vào bơm, hãy cộng cột áp vận tốc vào áp suất tĩnh mà đồng hồ chỉ. Khác với cách tính từ mặt bể, ở đây bạn không trừ lại tổn thất đường ống tính đến vị trí đồng hồ.
Giả sử nước ở 60°C, đồng hồ cửa vào đặt cùng độ cao với mặt chuẩn chỉ −20 kPa (áp suất dư) và vận tốc cửa vào là 2 m/s. Với áp suất khí quyển 101,325 kPa, áp suất tuyệt đối tại cửa vào là 81,325 kPa. Từ đó trừ áp suất hơi bão hòa 19,946 kPa.
Dù áp suất dư âm, áp suất tuyệt đối vẫn dương, và NPSHa tính ra khoảng 6,57 m. Chỉ riêng việc đồng hồ chỉ chân không không cho biết bơm có chạy được hay không. Hãy so giá trị này với NPSHr của nhà chế tạo và yêu cầu về độ dự trữ.
Nếu đồng hồ nằm trên mặt chuẩn thì cộng độ cao đó, nằm dưới thì trừ. Chỉ trừ tổn thất giữa đồng hồ và cửa vào bơm khi bạn đo ở phía trước cửa vào. Tổn thất phía trước đồng hồ đã nằm trong số đọc.
NPSHa so với NPSHr: cách nhìn độ dự trữ
Nguyên tắc cơ bản: NPSHa phải lớn hơn NPSHr, kèm thêm độ dự trữ phù hợp với ứng dụng. Hydraulic Institute gọi hiệu số giữa hai giá trị này là độ dự trữ NPSH (NPSH margin).
ANSI/HI 9.6.1 nói gì
ANSI/HI 9.6.1, Rotodynamic Pumps Guideline for NPSH Margin, là hướng dẫn của Hydraulic Institute về chủ đề này. Bản 2024 thay thế bản 2017. Các bản tóm tắt do Hydraulic Institute công bố xác nhận những điểm sau:
- Bản 2024 xác định độ dự trữ dựa trên NPSHr do nhà chế tạo cung cấp thay vì NPSH3, một phần vì không phải nhà chế tạo nào cũng công bố NPSH3. NPSHr phải bằng hoặc lớn hơn NPSH3 đã thử.
- Độ dự trữ khuyến nghị phụ thuộc vào phân khúc thị trường và ứng dụng. Hướng dẫn cũng liệt kê các yếu tố như chất lỏng (nhiệt độ, khí hòa tan, chất rắn), kiểu bơm, tốc độ, mài mòn, vùng vận hành, điều kiện cửa vào, chế độ quá độ, dòng hồi lưu và chạy song song.
- Bơm chạy trong vùng vận hành ưu tiên (POR) quanh điểm hiệu suất cao nhất cần ít dự trữ hơn bơm chạy trong vùng vận hành cho phép (AOR) rộng hơn.
- Dùng NPSHa thấp nhất trong phân tích hệ thống, và xem xét NPSHa cùng NPSHr trên toàn dải vận hành.
Các giá trị độ dự trữ cụ thể nằm trong chính tiêu chuẩn, vốn là tài liệu trả phí, nên bài này không trích dẫn chúng. Hãy lấy giá trị áp dụng từ tiêu chuẩn hoặc xác nhận với nhà cung cấp bơm.
Tiêu chuẩn thử nghiệm ở Việt Nam
TCVN 9222:2012 là tiêu chuẩn về thử nghiệm chấp nhận tính năng thủy lực của bơm cánh quay (cấp 1 và cấp 2), được công bố là hoàn toàn tương đương ISO 9906:1999 và có phần thử NPSH. Vì ISO 9906 đã được soát xét sau bản 1999, hãy hỏi nhà cung cấp họ thử NPSH theo bản nào và cấp thử nào.
Tiêu chuẩn này nói về cách thử, không phải cách chọn độ dự trữ cho hệ thống của bạn. Đừng coi một bản thử nghiệm của nhà cung cấp Nhật là "giống hệt" TCVN nếu chưa kiểm tra tiêu chuẩn và phiên bản mà họ nêu trong biên bản thử.
Độ dự trữ tính theo hiệu số hay theo tỷ số
Độ dự trữ có thể được nêu dưới dạng hiệu số (NPSHa − NPSHr, tính bằng mét) hoặc tỷ số (NPSHa ÷ NPSHr). Độ dự trữ tính bằng mét và độ dự trữ tính theo tỷ số là hai tiêu chí khác nhau, nên hãy xác nhận nhà chế tạo hoặc thông số dự án của bạn dùng cách nào. Cũng cần xác nhận cơ sở so sánh là NPSHr hay NPSH3.
Đừng đặt một độ dự trữ cố định bằng mét cho mọi bơm. Hãy thống nhất với nhà chế tạo dựa trên chất lỏng, dải vận hành và độ tin cậy mà bạn cần.
Tìm trường hợp xấu nhất trong dải vận hành
Đừng chỉ kiểm tra một điểm vận hành bình thường. Hãy liệt kê các tổ hợp mực, nhiệt độ, áp suất và lưu lượng sẽ thực sự xảy ra. Mực thấp nhất, nhiệt độ cao nhất, áp suất mặt thoáng thấp nhất và tổn thất đường ống lớn nhất đều kéo NPSHa xuống.
Không phải mọi giá trị cực trị đều xảy ra cùng lúc, nên hãy dựa vào quy trình công nghệ và logic điều khiển để tìm các tổ hợp thực tế. Chia vận hành thành chạy bình thường, khởi động, dừng, vệ sinh và đổi nguồn cấp sẽ giúp bạn phát hiện những điều kiện dễ bị bỏ sót.
Hình 6: Các điều kiện làm giảm NPSHa và nơi cần kiểm tra
Tính NPSHa cho từng trạng thái và so với NPSHr ở cùng lưu lượng, tốc độ, cộng độ dự trữ mà nhà chế tạo yêu cầu.
Một số điều kiện khác cũng làm bức tranh thay đổi:
- Nhiều bơm chung một đường hút: tổng lưu lượng trong đường chung thay đổi khi các bơm khởi động và dừng. Hãy đối chiếu lưu lượng của từng bơm với tổn thất trên đường chung.
- Chạy ở tốc độ cao hơn: NPSHr của bơm thay đổi cùng với lưu lượng, nên đừng dùng lại giá trị ở tốc độ ban đầu. Hãy đánh giá công suất và điều kiện hút cùng nhau.
- Chất lỏng nhớt: tổn thất phía hút và tính năng bơm đều thay đổi, nên dữ liệu chọn bơm cho nước có thể không dùng trực tiếp được. Hãy ghi nhiệt độ và tính chất của chất lỏng vào thông số kỹ thuật.
- Chất lỏng khác nước hoặc hỗn hợp: đừng dùng bảng áp suất hơi bão hòa và khối lượng riêng của nước. Hãy xác định thành phần, nồng độ, nhiệt độ vận hành, và gắn số liệu tính chất từ nhà cung cấp cùng giới hạn áp dụng của nhà chế tạo vào bảng tính.
- Khí hòa tan hoặc khí lẫn vào: phép tính NPSH cho chất lỏng một pha có thể không giải thích được hành vi của bơm. Hãy đưa nguồn khí và cách tách khí vào thông số, đồng thời không nhầm xâm thực với khí cuốn vào.
Khi độ dự trữ quá nhỏ
Hãy so sánh các phương án như hạ thấp bơm, giữ mực chất lỏng cao hơn và giảm tổn thất đường hút. Thay đổi nhiệt độ chất lỏng hay áp suất bình cũng ảnh hưởng đến quá trình công nghệ, nên chọn theo điều kiện của nhà máy, không phải phương án nào làm con số tăng nhiều nhất.
Tránh những cách xử lý tại chỗ như tháo bộ lọc cặn, hạ cài đặt bảo vệ hoặc đóng bớt van hút. Hãy cải thiện theo nguyên nhân gốc và điều kiện vận hành của nhà chế tạo, đồng thời giữ lại các bảo vệ cần thiết và lưu lượng tối thiểu.
Khi số đo và tính toán không khớp
Hãy kiểm tra theo thứ tự sau:
- Ghi mọi số liệu cùng một thời điểm: điểm không của đồng hồ, độ cao lắp đồng hồ, nhiệt độ chất lỏng, lưu lượng và mực bể. Nếu trộn mực thấp nhất của lúc này với áp suất bình thường của lúc khác, bạn sẽ có một điều kiện chưa từng tồn tại.
- So sánh hai cách tính trên cùng một mặt chuẩn: giá trị từ áp suất tĩnh cửa vào và giá trị từ mặt bể trừ tổn thất. Khi cột áp vận tốc, hiệu chỉnh độ cao và đơn vị áp suất đã khớp, hai cách cùng mô tả một điều kiện hút.
- Nếu chênh lệch vẫn lớn, kiểm tra từng hạng mục: trạng thái van, bộ lọc cặn bị bẩn, đường kính trong thực tế của ống và sai số dụng cụ đo. Đừng vội kết luận một nguyên nhân trong khi bơm vẫn chạy, và khi cần dừng hay cô lập thì làm theo quy trình của nhà máy.
- Lưu lại số liệu bình thường: sau kiểm tra, ghi áp suất và chênh áp bình thường để sau này so sánh thay đổi ở cùng lưu lượng và nhiệt độ.
Khi cô lập, khóa – treo thẻ (LOTO) hoặc mở đường ống để kiểm tra, hãy làm theo quy trình an toàn của nhà máy và các quy định về an toàn lao động, trong đó có Luật An toàn, vệ sinh lao động 2015 (Luật số 84/2015/QH13). Bài này chỉ nói về việc cần kiểm tra gì, không phải hướng dẫn thao tác.
Khi cải tạo đường ống hiện có, hãy kiểm tra tiết diện dòng chảy bị thu hẹp do gỉ hoặc cặn bám, và thay đổi đường kính trong sau khi thay ống. Ăn mòn và xử lý bề mặt bên trong cũng ảnh hưởng đến việc đường hút giữ được tình trạng tốt theo thời gian.
Danh sách kiểm tra và mẫu email hỏi nhà cung cấp
Hãy dùng các mục dưới đây khi lập bảng tính NPSH hoặc xem xét đề xuất bơm của một nhà cung cấp Nhật. Những điều chưa rõ ở giai đoạn báo giá nên để lại thành mục cần xác nhận, đừng che lại bằng cách cộng một độ dự trữ lớn. Chốt các mục như nhiệt độ chất lỏng tối đa và chênh áp cho phép của bộ lọc cặn sẽ giúp tránh cả thiết bị quá lớn lẫn độ dự trữ quá thấp.
Danh sách kiểm tra bảng tính NPSH
- Mỗi trạng thái vận hành (bình thường, khởi động, dừng, vệ sinh, chuyển đổi, lưu lượng lớn nhất) một dòng, với lưu lượng, mực, nhiệt độ, áp suất, tổn thất và NPSHa trên cùng dòng
- NPSHr và độ dự trữ yêu cầu của cùng trạng thái được ghi bên phải NPSHa
- Áp suất đã đổi sang tuyệt đối; số đọc áp suất dư đã cộng áp suất khí quyển tại chỗ (nhà máy ở vùng cao không dùng mặc định 101,325 kPa)
- Áp suất hơi bão hòa và khối lượng riêng của chất lỏng thật ở nhiệt độ của từng trạng thái vận hành, kể cả nhiệt độ cao nhất
- Độ cao tính từ mực vận hành thấp nhất (kể cả mức hạ trước khi dừng do mực thấp) đến mặt chuẩn NPSH của nhà chế tạo
- Tổn thất cột áp gồm cửa vào, co, van và bộ lọc cặn bị bẩn, tính ở từng lưu lượng với đường kính trong thực tế của ống
- Đường đặc tính bơm khớp với tốc độ, cánh bơm và chất lỏng thực tế, không chỉ theo tên model
- Ghi rõ cơ sở độ dự trữ: hiệu số hay tỷ số, và NPSHr hay NPSH3 làm mốc
- Cả phương pháp thử (theo tiêu chuẩn hoặc hướng dẫn áp dụng, ví dụ TCVN 9222:2012 hay ISO 9906) và điều kiện vận hành sau lắp đặt đều có trong thông số; nếu nhà cung cấp đưa kết quả thử NPSH3, nêu rõ điều kiện dùng nó làm NPSH yêu cầu và độ dự trữ cần cộng thêm
- Dao động áp suất và mực ngay sau khi chuyển đổi được đối chiếu với dải đã tính, trạng thái ổn định và quá độ được đánh giá riêng
- Điều kiện chọn bơm được chuyển vào quy trình vận hành và giá trị cài đặt dừng
- NPSHa nhỏ nhất và NPSHr lớn nhất được giữ thành cặp ở cùng điểm vận hành, không chỉ là hai cực trị riêng
- Giá trị cài đặt cảnh báo mực thấp và nhiệt độ cao truy được về dòng tính toán mà chúng bảo vệ, để xem xét lại khi đổi đường ống hoặc chất lỏng
Câu hỏi cho nhà cung cấp bơm
- Giá trị 必要NPSH (NPSHr) ghi trong datasheet là NPSH3 đã thử, hay là giá trị đã cộng độ dự trữ?
- Có thể cung cấp đường NPSHr trên toàn dải lưu lượng, ở tốc độ quay và đường kính cánh bơm thực tế của chúng tôi không?
- Độ dự trữ nào được khuyến nghị cho ứng dụng và dải vận hành này, theo cơ sở nào (hiệu số hay tỷ số, tiêu chuẩn và phiên bản nào)?
- Mặt chuẩn NPSH của bơm này nằm ở đâu (tâm cánh bơm, cửa hút hay điểm khác), và cao độ của nó trên bản vẽ kích thước ngoài (gaikei-zu) là bao nhiêu?
- Phép thử NPSH thực hiện theo tiêu chuẩn nào, phiên bản và cấp thử nào?
- Lưu lượng liên tục tối thiểu là bao nhiêu, và NPSHr có tăng khi lưu lượng thấp không?
- Với hút lên: nhà cung cấp chỉ định cách mồi nước nào, và đường hút cần độ kín khí ra sao?
- Với chất lỏng khác nước: dùng số liệu tính chất nào, và có giới hạn áp dụng về độ nhớt, khí hòa tan hay chất rắn không?
Mẫu email hỏi nhà cung cấp
Mẫu dưới đây viết bằng tiếng Anh để gửi trực tiếp cho nhà cung cấp hoặc nhờ đồng nghiệp Nhật chuyển tiếp. Hãy sửa các mục trong ngoặc vuông trước khi gửi.
Phạm vi mà bài này không áp dụng
- Các phép tính giả định dòng chất lỏng một pha, ổn định. Chế độ quá độ như áp suất tụt đột ngột, bay hơi đột ngột và dòng hai pha cần đánh giá riêng.
- Ba ví dụ dùng giá trị giả định cho nước. Dự án thật cần tính chất của chất lỏng thực, tổn thất đường ống thực và số liệu của nhà chế tạo.
- Bài này không đưa ra giá trị độ dự trữ khuyến nghị. Giá trị đó phụ thuộc vào ứng dụng, bơm và tiêu chuẩn hoặc thông số dự án áp dụng, do nhà cung cấp bơm hoặc kỹ sư phụ trách quyết định.
- Quy ước mặt chuẩn khác nhau ở bơm đứng và các kiểu bơm khác. Luôn dùng mặt chuẩn do nhà chế tạo chỉ định.
- Tăng áp bình bằng khí trơ cần xem xét điều kiện thiết kế và an toàn của thiết bị, còn thay đổi nhiệt độ chất lỏng hay áp suất bình ảnh hưởng đến quá trình công nghệ. Bài này nêu những gì cần kiểm tra, không hướng dẫn cách thực hiện các thay đổi đó.
- Về tiêu chuẩn, bài chỉ nhắc TCVN 9222:2012 như tiêu chuẩn về phương pháp thử. Chưa xác nhận được tiêu chuẩn TCVN nào quy định độ dự trữ NPSH, nên hãy hỏi nhà cung cấp.
Câu hỏi thường gặp
Nên tính NPSHa hay NPSHr?
Bạn tính NPSHa cho hệ thống của mình từ mực, áp suất, nhiệt độ và tổn thất đường ống. NPSHr lấy từ số liệu của nhà chế tạo. Hãy so hai giá trị ở cùng lưu lượng và tốc độ quay, rồi cộng độ dự trữ mà ứng dụng yêu cầu.
NPSHr và NPSH3 có giống nhau không?
Không nhất thiết. NPSH3 là giá trị thử khi cột áp giảm 3%, còn NPSHr là giá trị nhà chế tạo nêu là bơm cần để đạt tính năng đã công bố. Một số tài liệu ghi hai giá trị là một số, nhưng hãy xem tiêu chí nghiệm thu trong thông số trước khi coi chúng bằng nhau.
NPSHa dương thì bơm chạy được chưa?
Giá trị dương là chưa đủ. NPSHa phải lớn hơn NPSHr ở điểm vận hành đó cộng độ dự trữ cần thiết. Bơm còn phải thỏa các điều kiện khác như lưu lượng tối thiểu, mồi nước và không để không khí lọt vào.
Tăng áp bể nước bão hòa có làm tăng độ dự trữ NPSH không?
Không, nếu nước vẫn bão hòa ở áp suất mới: áp suất mặt thoáng và áp suất hơi bão hòa vẫn triệt tiêu nhau. Tăng áp trong khi giữ nhiệt độ không đổi thì khác, nên hãy xác định rõ tổ hợp nhiệt độ và áp suất trước khi đánh giá.
Độ dự trữ NPSH bao nhiêu là đủ?
Tùy chất lỏng, bơm, dải vận hành và độ tin cậy mà ứng dụng yêu cầu. Hãy dùng độ dự trữ do nhà chế tạo chỉ định và hướng dẫn áp dụng, như ANSI/HI 9.6.1, rồi kiểm tra nó vẫn được thỏa ở điều kiện vận hành khắc nghiệt nhất.
Nguồn tham khảo
- Cơ sở về xâm thực bơm (áp suất toàn phần và áp suất hơi bão hòa, mức giảm cột áp, mốc tầng đầu): Ebara Corporation, "Basic Knowledge of Pump Cavitation, Part 1" (tiếng Nhật)
- Điểm tham chiếu NPSH, công thức, tổn thất và tiêu chí thử: KSB, "NPSH," Centrifugal Pump Lexicon
- ANSI/HI 9.6.1 bản 2024 và độ dự trữ dựa trên NPSHr: Hydraulic Institute, "Understanding the 2024 Updates to ANSI/HI 9.6.1"
- NPSH3, POR và AOR: Hydraulic Institute, "Reliability Basics: Understanding NPSH, POR, and AOR"
- Áp suất khí quyển, độ cao, tổn thất và áp suất hơi bão hòa: Grundfos, tài liệu khóa học "Pump Hydraulics"
- Tính chất của nước bão hòa: IAPWS, Industrial Formulation 1997 (IAPWS-IF97)
- Tiêu chuẩn Việt Nam về thử nghiệm bơm cánh quay: TCVN 9222:2012 (ISO 9906:1999), Bơm cánh quay – Thử nghiệm chấp nhận tính năng thủy lực – Cấp 1 và cấp 2
Bài gốc tiếng NhậtHướng dẫn này được biên soạn từ một bài viết của MONOSCOPE dành cho độc giả tại Nhật: NPSHとは？NPSHa・NPSHrの違いと計算方法、押込み・吸上げ・飽和水の例
Về biên tập viên
Biên tập viên MONOSCOPEFOUNDER & EDITORKhoảng mười năm làm việc tại một nhà sản xuất thiết bị nhà máy và một công ty kỹ thuật nhà máy, phụ trách đề xuất, thiết kế và chạy thử thiết bị, sau đó chuyển sang tiếp thị trực tuyến. Hiện là tư vấn web cho các nhà sản xuất B2B, giúp họ trình bày rõ sản phẩm và công nghệ. Có chứng chỉ quốc gia Nhật Bản về Quản lý năng lượng (Energy Manager) và Kỹ sư điện trưởng hạng ba.
Viết blog kỹ thuật từ năm 2017 (hơn 500 bài) và có kênh YouTube tiếng Nhật với khoảng 20.000 người đăng ký. Mỗi hướng dẫn được viết từ góc nhìn hiện trường Nhật Bản và đối chiếu với các tiêu chuẩn được trích dẫn.
