1. Tổng quan
Bơm chìm nước thải là loại bơm được thiết kế để làm việc khi toàn bộ hoặc phần lớn cụm bơm – động cơ đặt chìm trong nước thải. Khác với bơm đặt cạn phải bố trí đường ống hút và giải quyết bài toán mồi bơm, bơm chìm thường được đặt trực tiếp trong hố thu, bể gom hoặc giếng bơm; chất lỏng đi vào cửa hút của bơm và được đẩy trực tiếp vào đường ống áp lực.
Điểm đặc trưng của thiết bị không chỉ nằm ở việc "đặt bơm dưới nước". Một bơm chìm nước thải phải đồng thời giải quyết ba yêu cầu kỹ thuật: tạo cột áp để vận chuyển nước thải, cho phép chất rắn và tạp chất đi qua trong phạm vi thiết kế, đồng thời bảo vệ động cơ điện và ổ trục khỏi môi trường ẩm ướt bên ngoài.
Vì vậy, để hiểu đúng bơm chìm nước thải cần xem thiết bị như một tổ hợp gồm *động cơ kín nước + hệ trục và ổ đỡ + hệ làm kín + buồng bơm thủy lực* chứ không chỉ là một bơm ly tâm thông thường được thả xuống nước.
2. Bơm chìm nước thải là gì?
Bơm chìm nước thải là bơm có động cơ điện tích hợp trực tiếp với phần thủy lực thành một cụm kín, được thiết kế để vận hành trong môi trường ngập nước hoặc nước thải.
Trong cấu hình phổ biến, thiết bị được đặt tại:
- hố thu nước thải;
- trạm bơm nước thải;
- bể gom nước thải sản xuất;
- hố bơm thoát nước;
- bể trung gian trong hệ thống xử lý nước thải;
- các vị trí cần bơm nước có chứa cặn, sợi, rác hoặc chất rắn trong giới hạn cho phép của thiết bị.
Nước thải đi vào cửa hút phía dưới hoặc bên dưới buồng bơm. Cánh bơm nhận năng lượng cơ học từ động cơ thông qua trục, truyền năng lượng cho dòng chất lỏng và tạo ra chênh lệch áp suất giữa đầu hút và đầu đẩy.
Về bản chất thủy lực, phần lớn bơm chìm nước thải vẫn hoạt động theo nguyên lý của bơm động lực, phổ biến nhất là bơm ly tâm. Điểm khác biệt quan trọng nằm ở kết cấu cơ khí, khả năng làm kín, khả năng đi qua chất rắn và phương thức lắp đặt.
Không nên đồng nhất mọi loại bơm chìm với bơm chìm nước thải. Bơm chìm nước sạch, bơm giếng khoan và bơm nước thải có thể cùng đặt chìm nhưng yêu cầu về kết cấu cánh, kích thước đường dòng, làm kín và khả năng chịu tạp chất rất khác nhau.
3. Cấu tạo cơ bản của bơm chìm nước thải
Một bơm chìm nước thải điển hình có thể được chia thành hai phần chính:
- phần động cơ và hệ truyền động;
- phần thủy lực của bơm.
Giữa hai khu vực này là hệ thống ổ đỡ, phớt cơ khí và các chi tiết làm kín nhằm ngăn nước thải xâm nhập vào động cơ.
3.1. Động cơ điện
Động cơ là nguồn cung cấp công suất cơ học cho cánh bơm. Trong bơm chìm, động cơ được đặt trong một vỏ kín và làm việc ngay trong môi trường ngập nước.
Cấu tạo cơ bản vẫn gồm stato và rôto tương tự động cơ điện xoay chiều thông thường. Rôto quay và truyền mô-men trực tiếp qua trục đến cánh bơm.
Sự khác biệt quan trọng nằm ở kết cấu bảo vệ. Vỏ động cơ, đầu cáp, các mối ghép và hệ làm kín phải hạn chế nước xâm nhập vào phần điện trong suốt quá trình vận hành.
Động cơ bơm chìm thường không cần một khớp nối dài giữa động cơ và bơm như nhiều bơm đặt cạn. Cấu hình đồng trục giúp cụm thiết bị gọn, nhưng đồng thời làm cho độ chính xác của trục, ổ đỡ và hệ làm kín trở nên rất quan trọng.
3.2. Trục bơm
Trục nối rôto động cơ với cánh bơm và truyền mô-men từ động cơ xuống phần thủy lực.
Trong quá trình làm việc, trục không chỉ chịu mô-men xoắn mà còn có thể chịu tải hướng kính và tải dọc trục phát sinh từ cánh bơm. Vì vậy độ cứng trục, độ đồng tâm và trạng thái ổ đỡ ảnh hưởng trực tiếp đến rung động, tuổi thọ phớt cơ khí và độ tin cậy của bơm.
Một trục hoặc ổ đỡ bị mòn có thể làm tăng độ đảo tại vị trí phớt, từ đó làm giảm tuổi thọ của hệ làm kín ngay cả khi bản thân phớt chưa bị hư hỏng do vật liệu.
3.3. Ổ đỡ
Ổ đỡ giữ trục đúng vị trí và tiếp nhận các tải phát sinh trong quá trình quay.
Bơm chìm thường có hệ ổ đỡ bố trí phía trên và phía dưới rôto. Cấu hình cụ thể phụ thuộc thiết kế của nhà sản xuất.
Nếu ổ đỡ xuống cấp, các dấu hiệu thường xuất hiện trước khi hỏng hoàn toàn có thể gồm rung tăng, tiếng ồn bất thường, nhiệt độ tăng hoặc độ đảo trục lớn hơn. Vấn đề này quan trọng vì trạng thái của ổ đỡ có quan hệ trực tiếp với tuổi thọ hệ phớt cơ khí.
3.4. Hệ phớt cơ khí
Đây là một trong những bộ phận quan trọng nhất của bơm chìm.
Trục phải quay liên tục từ khoang động cơ xuống buồng bơm nhưng đồng thời nước thải không được phép đi theo khe hở quanh trục để xâm nhập vào động cơ. Hệ phớt cơ khí tạo ra ranh giới kín động giữa hai vùng này.
Tùy cấu tạo, bơm có thể sử dụng nhiều cấp làm kín và một khoang dầu trung gian. Không nên mặc định rằng mọi bơm chìm đều có cùng số lượng phớt hoặc cùng cách bố trí.
Trong cấu hình có khoang dầu, dầu có thể thực hiện một hoặc nhiều chức năng như:
- tạo môi trường làm việc cho mặt phớt;
- hỗ trợ bôi trơn và tản nhiệt;
- tạo vùng đệm giữa nước thải và khoang động cơ;
- cho phép phát hiện nước xâm nhập ở một số thiết kế có hệ giám sát.
Nếu phớt phía nước thải bị suy giảm nhưng được phát hiện trước khi nước tiếp tục đi qua cấp làm kín phía động cơ, thiết bị có thể được bảo trì trước khi xảy ra hư hỏng điện nghiêm trọng.
3.5. Cánh bơm
Cánh bơm là bộ phận trực tiếp truyền năng lượng từ trục sang chất lỏng.
Khi cánh quay, nước được gia tốc và nhận thêm năng lượng. Hình dạng cánh và đường dòng quyết định đáng kể đến lưu lượng, cột áp, hiệu suất và khả năng đi qua chất rắn của thiết bị.
Đối với nước thải, thiết kế cánh còn phải cân bằng giữa hai yêu cầu thường mâu thuẫn:
- hiệu suất thủy lực;
- khả năng hạn chế mắc rác và tắc nghẽn.
Vì vậy các thiết kế như vortex, channel, semi-open hoặc hệ cánh có cơ chế cắt/nghiền được sử dụng cho những điều kiện nước thải khác nhau.
3.6. Buồng bơm
Buồng bơm bao quanh cánh và dẫn dòng từ khu vực cánh quay về phía cửa đẩy.
Đối với bơm ly tâm, hình học buồng bơm giúp chuyển một phần động năng của dòng chất lỏng thành áp năng trước khi nước đi vào đường ống đẩy.
Buồng bơm nước thải thường có đường dòng rộng hơn những bơm chỉ dành cho nước sạch. Tuy nhiên kích thước này không thể đánh giá đơn giản bằng đường kính cửa hút hoặc đường kính ống.
Khả năng một vật rắn đi xuyên qua phần thủy lực liên quan đến khái niệm *free passage* và hình học thực tế của đường dòng bên trong.
3.7. Cửa hút và cửa đẩy
Cửa hút là nơi nước đi vào buồng bơm. Đối với nhiều bơm chìm nước thải, cửa hút nằm ở phần thấp của cụm bơm để nước từ hố thu có thể đi trực tiếp vào cánh.
Cửa đẩy nối phần thủy lực của bơm với đường ống áp lực.
Trong các trạm bơm cố định, cửa đẩy có thể kết nối với hệ auto coupling để bơm tự động ăn khớp với đế nối khi được hạ xuống theo thanh dẫn hướng.
3.8. Cáp điện và đầu vào cáp
Bơm chìm cần đưa nguồn điện từ bên ngoài vào động cơ trong khi vẫn phải duy trì tính kín của vỏ.
Vì vậy điểm cáp đi vào thân bơm là một vị trí quan trọng. Nếu nước xâm nhập qua đầu cáp, độ kín tốt ở khu vực phớt cơ khí cũng không còn đủ để bảo vệ động cơ.
Cáp điện phải phù hợp với điều kiện ngập và môi trường làm việc cụ thể của thiết bị. Việc nối cáp, kéo căng cáp hoặc làm hư hỏng lớp vỏ ngoài trong thi công đều có thể làm tăng rủi ro nước xâm nhập.
Một số bơm còn tích hợp dây tín hiệu phục vụ giám sát nhiệt độ hoặc phát hiện rò rỉ.
4. Nguyên lý hoạt động của bơm chìm nước thải
Quá trình làm việc có thể hiểu theo chuỗi truyền năng lượng:
*điện năng → cơ năng quay của động cơ → năng lượng tại cánh bơm → năng lượng thủy lực của dòng nước.*
Khi cấp điện, từ trường trong stato làm rôto quay. Rôto truyền chuyển động qua trục xuống cánh bơm.
Cánh quay làm chất lỏng trong vùng cánh nhận thêm động lượng. Dòng nước sau đó được dẫn qua buồng bơm, nơi trường vận tốc và áp suất được tổ chức lại trước khi nước đi ra cửa đẩy.
Tại cửa hút, nước từ hố bơm liên tục đi vào để thay thế lượng nước đã được cánh chuyển ra khỏi buồng bơm. Quá trình này tạo thành dòng liên tục từ:
*hố thu → cửa hút → cánh bơm → buồng bơm → cửa đẩy → đường ống áp lực.*
4.1. Bơm tạo lưu lượng và cột áp như thế nào?
Bơm không đơn thuần "đẩy nước lên cao". Nó cung cấp năng lượng cho dòng chất lỏng.
Năng lượng này phải đủ để khắc phục:
- chênh lệch cao độ giữa điểm hút và điểm xả;
- chênh lệch áp suất nếu có;
- tổn thất ma sát trong đường ống;
- tổn thất qua van, co, tê và các phụ kiện;
- các tổn thất cục bộ khác của hệ thống.
Điểm làm việc thực tế của bơm hình thành tại giao điểm giữa đặc tính của bơm và đặc tính của hệ thống đường ống.
Nội dung lựa chọn điểm làm việc không nên suy ra chỉ từ công suất động cơ hoặc đường kính bơm. Trong ứng dụng thực tế cần xác định lưu lượng yêu cầu và tổng cột áp của hệ thống trước khi chọn thiết bị.
5. Vì sao bơm chìm không cần mồi theo cách của bơm đặt cạn?
Một lợi thế quan trọng của cấu hình đặt chìm là cửa hút và phần thủy lực thường nằm ngay trong chất lỏng.
Với bơm ly tâm đặt cao hơn mực nước, trước khi khởi động cần bảo đảm đường hút và buồng bơm có điều kiện thích hợp để bơm có thể hút nước. Không khí tồn tại trong đường hút có thể khiến bơm không tạo được điều kiện thủy lực cần thiết.
Đối với bơm chìm đặt trực tiếp trong hố thu, nước đã bao quanh và điền đầy khu vực hút của bơm. Vì vậy không phải thực hiện quá trình mồi theo cách thông thường của bơm ly tâm đặt cạn.
Điều này không đồng nghĩa bơm chìm có thể vận hành ở bất kỳ mực nước nào. Giới hạn mực nước tối thiểu còn liên quan đến:
- khả năng làm mát động cơ;
- nguy cơ hút khí hoặc tạo xoáy;
- điều kiện vận hành của phớt;
- hình học hố thu;
- cấu hình lắp đặt của từng dòng bơm.
Các giới hạn cụ thể phải tuân theo tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất.
6. Động cơ bơm chìm được làm mát như thế nào?
Động cơ biến phần lớn điện năng thành cơ năng nhưng luôn phát sinh nhiệt. Nhiệt này phải được đưa ra khỏi động cơ để nhiệt độ cuộn dây và ổ đỡ không vượt quá giới hạn thiết kế.
Trong cấu hình đặt chìm phổ biến, môi trường nước xung quanh thân bơm có thể tham gia vào quá trình tản nhiệt. Tuy nhiên không nên hiểu rằng mọi động cơ bơm chìm đều bắt buộc phải ngập hoàn toàn trong mọi điều kiện vận hành.
Khả năng làm mát phụ thuộc thiết kế cụ thể. Một số cấu hình có thể sử dụng áo làm mát hoặc hệ thống tuần hoàn chất lỏng quanh vỏ động cơ, đặc biệt khi bơm được lắp theo phương thức không hoàn toàn ngập.
Do đó, điều kiện "bơm còn hút được nước" chưa chắc đã đồng nghĩa với "động cơ đang được làm mát đúng thiết kế".
Đây là lý do mực dừng bơm trong hố thu không nên xác định tùy ý.
7. Bơm chìm nước thải xử lý chất rắn như thế nào?
Bơm chìm nước thải không có nghĩa là bơm có thể cho mọi loại rác đi qua.
Khả năng xử lý chất rắn phụ thuộc vào tổ hợp:
- loại cánh bơm;
- hình học buồng bơm;
- khoảng hở đường dòng;
- kích thước vật thể;
- hình dạng vật thể;
- tính chất xơ, sợi của rác;
- điều kiện vận hành thực tế.
Một vật thể có kích thước nhỏ nhưng dài và dạng sợi có thể gây quấn cánh nghiêm trọng hơn một vật rắn có kích thước lớn hơn nhưng hình học gọn.
Vì vậy không nên đánh giá khả năng chống tắc chỉ từ một con số đường kính.
Nếu nước thải chứa nhiều khăn, vải, sợi, tóc hoặc vật liệu dạng dây, hình học cánh và cơ chế chống quấn có thể quan trọng không kém kích thước đường đi qua.
8. Bơm chìm nước thải khác bơm nước sạch ở đâu?
Khác biệt chủ yếu không nằm ở việc cả hai đều có thể sử dụng động cơ đặt chìm mà nằm ở chất lỏng mà phần thủy lực phải xử lý.
Nước sạch thường có lượng chất rắn và vật liệu dạng sợi thấp. Vì vậy thiết kế thủy lực có thể ưu tiên mạnh hơn cho hiệu suất.
Nước thải có thể chứa:
- chất rắn lơ lửng;
- cặn;
- rác;
- tóc và sợi;
- vật liệu hữu cơ;
- các hạt có kích thước khác nhau.
Để xử lý môi trường đó, bơm nước thải thường cần đường dòng và cánh phù hợp hơn với khả năng đi qua chất rắn.
Sự đánh đổi xuất hiện ở đây: mở rộng đường dòng hoặc sử dụng cấu hình cánh ưu tiên khả năng chống tắc có thể ảnh hưởng đến hiệu suất thủy lực. Vì vậy không tồn tại một kiểu cánh "tốt nhất" cho mọi ứng dụng.
Thiết bị phải được lựa chọn theo đặc tính thực của nước thải.
9. Kết cấu kín không có nghĩa là không cần bảo vệ
Bơm chìm được chế tạo để làm việc trong môi trường ngập nhưng vẫn là một thiết bị điện – cơ quay.
Các rủi ro chính vẫn tồn tại:
- quá nhiệt cuộn dây;
- quá tải động cơ;
- mất pha hoặc mất cân bằng điện;
- nước xâm nhập vào khoang động cơ;
- hỏng phớt;
- hỏng ổ đỡ;
- cánh bị kẹt;
- bơm vận hành ngoài vùng làm việc phù hợp.
Một số bơm tích hợp các phần tử giám sát bên trong để phát hiện sớm các trạng thái bất thường. Tuy nhiên mức độ trang bị phụ thuộc dòng sản phẩm và cấu hình đặt hàng.
Vì vậy khi đọc catalogue hoặc datasheet cần phân biệt rõ:
- bảo vệ được tích hợp sẵn trong bơm;
- cảm biến chỉ cung cấp tín hiệu;
- thiết bị bảo vệ phải được triển khai tại tủ điện hoặc PLC;
- chức năng nào là tiêu chuẩn và chức năng nào là tùy chọn.
10. Cách bơm chìm được lắp trong hố thu
Hai khái niệm cần tách biệt:
- bản thân bơm chìm;
- hệ thống lắp đặt bơm.
Trong trạm bơm cố định, bơm thường không được treo trực tiếp bằng cáp điện. Một cấu hình phổ biến sử dụng thanh dẫn hướng và bộ nối tự động tại đáy hố.
Khi hạ bơm xuống, bơm di chuyển theo thanh dẫn hướng và tự ghép với đế nối tại đường ống đẩy. Khi cần bảo trì, có thể kéo bơm lên mà không nhất thiết tháo trực tiếp toàn bộ kết nối đường ống tại đáy hố.
Cấu hình này có giá trị lớn về vận hành và bảo trì, đặc biệt với hố bơm sâu hoặc môi trường nước thải không phù hợp để con người tiếp cận trực tiếp.
Tuy nhiên guide rail và auto coupling không phải là nguyên lý hoạt động của bản thân bơm.
11. Khi nào bơm chìm nước thải phù hợp?
Bơm chìm đặc biệt phù hợp khi cần bố trí thiết bị trực tiếp trong hố chứa chất lỏng và muốn giảm yêu cầu đối với hệ thống hút.
Một số lợi thế thường gặp gồm:
- cụm thiết bị gọn;
- không cần một phòng bơm đặt cạn cho chính cụm bơm trong nhiều cấu hình;
- đường hút rất ngắn hoặc gần như không tồn tại dưới dạng đường ống hút riêng;
- không phải mồi bơm theo cách thông thường của bơm ly tâm đặt cạn;
- có thể tháo lắp thuận tiện nếu sử dụng đúng hệ thanh dẫn hướng và bộ nối tự động;
- thích hợp với nhiều hệ thống gom và nâng nước thải.
Tuy nhiên việc chọn bơm chìm không nên chỉ dựa trên tính tiện lợi của lắp đặt.
Cần xem xét đồng thời:
- lưu lượng thiết kế;
- cột áp hệ thống;
- thành phần nước thải;
- chất rắn và vật liệu dạng sợi;
- số bơm vận hành và dự phòng;
- chu kỳ đóng mở;
- điều kiện hố thu;
- khả năng tiếp cận để bảo trì;
- yêu cầu về giám sát và bảo vệ.
12. Những điểm cần hiểu đúng khi đọc catalogue bơm chìm
Một sai lầm phổ biến là nhìn vào một vài thông số đơn lẻ rồi kết luận khả năng của bơm.
Công suất động cơ lớn không tự động đồng nghĩa với lưu lượng lớn hơn. Lưu lượng và cột áp phụ thuộc vào đường đặc tính thủy lực của từng model và đường kính cánh cụ thể.
Đường kính cửa đẩy lớn cũng không đồng nghĩa bơm có thể đi qua vật rắn có kích thước tương đương. Khả năng đi qua chất rắn phải xem theo thông số đường dòng và cấu tạo cánh.
Tương tự, một model có lưu lượng cực đại cao chưa chắc phù hợp với điểm làm việc yêu cầu. Vận hành quá xa vùng làm việc phù hợp có thể làm giảm hiệu suất và ảnh hưởng đến độ ổn định của thiết bị.
Khi đánh giá một bơm chìm nước thải, ít nhất cần phân biệt ba nhóm thông tin:
- *Thông tin thủy lực:* đường đặc tính lưu lượng – cột áp, hiệu suất, công suất yêu cầu tại điểm làm việc.
- *Thông tin cơ khí:* loại cánh, kích thước đường dòng, vật liệu, hệ làm kín, ổ đỡ.
- *Thông tin điện và bảo vệ:* công suất động cơ, điện áp, dòng điện, phương thức khởi động và các chức năng giám sát.
Hiểu cấu tạo và nguyên lý trước giúp tránh việc đọc catalogue theo kiểu chỉ so sánh công suất kW hoặc đường kính DN.
13. Kết luận
Bơm chìm nước thải là một cụm bơm – động cơ được thiết kế để làm việc trực tiếp trong môi trường nước thải. Phần thủy lực tạo lưu lượng và cột áp, trong khi phần động cơ, ổ đỡ và hệ làm kín phải duy trì khả năng vận hành an toàn trong điều kiện ngập nước.
Có thể hình dung thiết bị theo chuỗi chức năng:
*động cơ tạo chuyển động quay → trục truyền mô-men → cánh truyền năng lượng cho nước → buồng bơm dẫn dòng về cửa đẩy.*
Đồng thời, một chuỗi bảo vệ cơ khí khác hoạt động song song:
*vỏ động cơ + đầu cáp + phớt cơ khí + khoang trung gian và các chi tiết làm kín → hạn chế nước xâm nhập vào phần điện và hệ ổ đỡ.*
Đối với kỹ sư thiết kế và vận hành, ba điểm quan trọng nhất cần ghi nhớ là:
- bơm chìm không chỉ là bơm ly tâm được đặt dưới nước mà là một thiết bị được thiết kế riêng cho điều kiện ngập;
- khả năng làm việc với nước thải phụ thuộc mạnh vào cánh, đường dòng và đặc tính chất rắn, không thể đánh giá chỉ bằng công suất hoặc đường kính cửa đẩy;
- hiểu cấu tạo và nguyên lý mới là bước đầu; lựa chọn model thực tế phải tiếp tục dựa trên lưu lượng, cột áp, đặc tính nước thải và cấu hình của cả trạm bơm.