Giải Mã Nghịch Lý: Vì Sao Lò Hơi Cạn Nước Dù Bơm Vẫn Chạy?

Trong vận hành lò hơi, một trong những sự cố khiến kỹ sư đau đầu nhất là hiện tượng lò hơi bị cạn nước một cách khó hiểu. Bồn nước cấp vẫn đầy, bơm nước cấp vẫn hoạt động, thậm chí bật cả 2 bơm cùng lúc nhưng mực nước trong lò hơi cứ tụt dần. Bài viết này sẽ giải mã hiện tượng tưởng chừng nghịch lý này thông qua 4 câu hỏi then chốt.

Hiện tượng lò hơi bị cạn nước khi sử dụng nước hồi

Hãy tưởng tượng một ngày đẹp trời, hệ thống của bạn vận hành bình thường với nước cấp lạnh. Bỗng nhiên, khi nhiệt độ nước trong bồn cấp tăng lên (do lượng nước hồi nóng về nhiều), bạn nhận thấy:

• Bơm nước cấp kêu to bất thường, có tiếng lạo xạo, rung lắc.
• Đồng hồ áp suất đầu đẩy của bơm nhảy loạn xạ hoặc không lên được áp.
• Lưu lượng nước cấp thực tế vào lò hơi giảm mạnh hoặc gần như bằng 0.
• Mực nước trong lò hơi tụt dần, báo động.

Tất cả những triệu chứng này đều chỉ về một “căn bệnh” duy nhất: Bơm đang bị xâm thực nghiêm trọng.

Đọc thêm: Hiện tượng Xâm thực trong Bơm Ngưng

Vì sao khi sử dụng nước lạnh thì bình thường, nhưng khi nhiệt độ bồn nước tăng cao lại không đủ nước?

Vấn đề này liên quan đến Áp suất hơi bão hòa (Pv).

• Với nước LẠNH (vd: 20°C): Pv rất thấp (~0.24 m). Nước rất ổn định, khó sôi. Áp suất từ cột áp thủy tĩnh và khí quyển dễ dàng giữ cho nước ở trạng thái lỏng, giúp bơm hoạt động bình thường.
• Với nước NÓNG (vd: 90°C): Pv tăng vọt (~7.14 m). Lúc này, nước trở nên “bất ổn” cực độ, chỉ cần một chút sụt áp nhỏ là đã có thể sôi.

Máy bơm hoạt động dựa trên sự chênh lệch áp suất. Nó cần một áp suất tối thiểu tại đầu hút (gọi là NPSH – Net Positive Suction Head) để hoạt động mà không bị xâm thực.

Công thức vàng: NPSHa (Có sẵn) = Áp suất khí quyển + Cột áp thủy tĩnh từ bồn – Tổn thất đường ống – Áp suất hơi bão hòa (Pv)

Khi nhiệt độ nước tăng, Pv tăng vọt, làm cho giá trị NPSHa (Áp suất có sẵn tại đầu hút bơm) bị sụt giảm thảm hại.

Kịch bản xảy ra:

1. Nước nóng từ bồn chảy về bơm.
2. Tại mắt bơm (nơi có áp suất thấp nhất), NPSHa (có sẵn) giảm xuống thấp hơn NPSHr (yêu cầu) của bơm.
3. Ngay lập tức, nước sôi ở nhiệt độ đó, tạo ra vô số bong bóng hơi.
4. Những bong bóng này di chuyển vào vùng áp suất cao trong bơm và nổ tung.
5. Hậu quả:
   • Cơ học: Lực nổ của bong bóng phá hủy bánh công tác, làm bơm mất khả năng tạo áp. Đây là lý do áp suất đầu đẩy không lên.
   • Thủy lực: Dòng chảy bị gián đoạn, bơm không thể đẩy nước đi. Đây là lý do lưu lượng về lò hơi bằng 0.

Tóm lại, bơm không còn “bơm nước” nữa, mà đang “bơm một hỗn hợp nước và hơi nước” không ổn định, khiến nó hoàn toàn mất tác dụng.

Vì sao bồn nước cấp cho lò hơi lại thường được đặt ở vị trí cao?

Việc đặt bồn trên cao là giải pháp kỹ thuật sống còn để chống lại hiện tượng xâm thực (cavitation) cho bơm nước cấp.

• Xâm thực là gì? Đây là hiện tượng nước sôi ngay trong lòng bơm do áp suất tại đầu hút giảm xuống quá thấp. Các bong bóng hơi hình thành và nổ tung, gây rung động, ồn ào và phá hủy bánh công tác của bơm.
• Vai trò của cột áp thủy tĩnh: Khi bồn được đặt cao, trọng lực tạo ra một cột áp thủy tĩnh. Cột áp này đóng vai trò như một lực đẩy tự nhiên, liên tục đẩy nước về phía đầu hút của bơm, giúp duy trì áp suất tại đây luôn ở mức cao. Áp suất cao ngăn không cho nước sôi ở nhiệt độ vận hành, giúp bơm hoạt động trơn tru và an toàn.

Tóm lại, bồn càng cao, “lực đẩy” càng mạnh, nguy cơ xâm thực càng thấp.

Vì sao bơm nước cấp lại được đặt gần bồn nước nhất có thể?

Quy tắc này nhằm mục đích bảo toàn tối đa cột áp thủy tĩnh quý giá từ bồn cao.

• Kẻ thù: Tổn thất ma sát. Khi nước chảy trong đường ống, nó luôn ma sát với thành ống và qua các phụ kiện (van, co, tê), làm tiêu hao năng lượng và làm sụt giảm áp suất.
• Đường ống hút càng dài, tổn thất áp suất càng lớn. Một đường ống hút dài với nhiều chỗ ngoặt sẽ “ăn mòn” dần cột áp mà bạn đã dày công tạo ra bằng việc đặt bồn trên cao.
• Hệ quả: Áp suất thực tế đến được đầu hút bơm sẽ bị giảm sút. Nếu tổn thất quá lớn, bơm vẫn có nguy cơ bị xâm thực dù bồn được đặt rất cao.

Vì vậy, đặt bơm gần bồn và thiết kế đường ống hút ngắn gọn, thẳng nhất có thể là để “con đường” nước chảy đến bơm được thông suốt, giữ nguyên sức mạnh của cột áp.

Kết Luận

Hiện tượng lò hơi cạn nước khi bồn cấp vẫn đầy và bơm vẫn hoạt động — thậm chí khi chạy song song hai bơm — không phải là một nghịch lý khó hiểu, mà là hệ quả tất yếu của một chuỗi các nguyên lý vật lý và sai sót trong thiết kế hoặc vận hành hệ thống.

Tất cả bắt nguồn từ “kẻ thù” chung: hiện tượng xâm thực (cavitation) ở bơm nước cấp. Khi nhiệt độ nước trong bồn tăng cao do nước hồi về, áp suất hơi bão hòa (Pv) tăng vọt, làm giảm nghiêm trọng áp suất có sẵn tại đầu hút bơm (NPSHa). Khi NPSHa giảm xuống dưới mức yêu cầu của bơm (NPSHr), nước sôi ngay trong lòng bơm, tạo ra các bong bóng hơi. Các bong bóng này nổ tung làm gián đoạn dòng chảy, phá hủy bánh công tác, khiến bơm mất hoàn toàn khả năng đẩy nước vào lò. Lúc này, dù bơm có chạy hay chạy kép thì cũng chỉ “bơm” một hỗn hợp nước-hơi hỗn loạn, vô dụng.

Giải pháp then chốt để phá vỡ vòng luẩn quẩn này nằm ở hai yếu tố thiết kế mấu chốt:

1. Đặt bồn cấp ở vị trí cao để tạo ra cột áp thủy tĩnh đủ lớn, hoạt động như “lá chắn” chống lại áp suất hơi bão hòa.
2. Đặt bơm gần bồn nhất có thể với đường ống hút tối ưu để bảo toàn tối đa cột áp quý giá đó, không để nó bị “thất thoát” bởi các tổn thất ma sát không đáng có.

Hiểu được mối liên hệ chặt chẽ giữa nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa và khả năng hút của bơm chính là chìa khóa để chủ động ngăn ngừa sự cố, không chỉ giúp hệ thống vận hành an toàn, ổn định mà còn tối ưu hiệu suất và kéo dài tuổi thọ thiết bị.