Dobór pomp do zasilania instalacji pożarowych – wybrane aspekty techniczne

W ochronie przeciwpożarowej kluczowe znaczenie mają przepisy prawa, normy, standardy, wytyczne oraz certyfikaty wyrobów budowlanych, ale mimo to niezmienne pozostają techniczne aspekty związane z pompami i fizyką przepływu. Pompy do ochrony przeciwpożarowej są pod względem konstrukcji bardzo podobne lub takie same jak pompy do wody czystej, zmienia się jednak zakres badań potwierdzających ich właściwości użytkowe oraz wymagania odnośnie do materiałów, z których wykonano poszczególne elementy.

Wysokość podnoszenia i przepływ

Podstawowym parametrem gwarantowanym przez producentów pomp jest wysokość podnoszenia przy określonym przepływie wody. Wysokość podnoszenia jest energią dostarczaną do wody przez pompę, którą dla uproszczenia wyraża się w metrach słupa wody. Parametr ten charakteryzuje kilka ważnych cech:

1. Wysokość podnoszenia pompy nie zależy od charakterystyki rurociągów ani od wysokości słupa wody napływającej i/lub wysokości ssania, dopóki zapewniona jest wymagana nadwyżka antykawitacyjna.
2. Wysokość podnoszenia jest różnicą ciśnienia manometrycznego pomiędzy króćcem tłocznym a ssawnym pompy i nie jest tożsama z wysokością/ciśnieniem tłoczenia.
3. Rzeczywista wysokość podnoszenia nie jest wartością znaną wprost – w zależności od klasy dokładności przeprowadzanych badań zgodnie z PN-EN ISO 9906:2002 [1] z 95-proc. pewnością można stwierdzić, że rzeczywista wysokość podnoszenia zawiera się w pewnym przedziale oscylującym wokół wartości zmierzonej. Przykładowo pompa zbadana w klasie technicznej dokładności 2 wg [1], dla której zmierzono parametry H = 100 m z tolerancją ±8% wysokości podnoszenia przy przepływie Q = 100 m³/h z tolerancją ±5%, w rzeczywistości może zapewnić wysokość podnoszenia w zakresie 92–108 m przy przepływie 95–105 m³/h, przy czym nie da się dokładnie przyporządkować wysokości podnoszenia określonemu przepływowi. Ze względu na statystyczny charakter badań nie jest znane dokładne położenie punktu rzeczywistego, dlatego lepiej dobierać pompy pożarowe z pewnym naddatkiem, szczególnie gdy obliczenia strat hydraulicznych wykonane są w sposób bardzo precyzyjny.
4. Charakterystyka pomp badanych wg PN-EN ISO 9906 gwarantowana jest z 95-proc. poziomem ufności dla czystej zimnej wody, której maksymalna temperatura wynosi 40°C. Przy temperaturach wyższych charakterystyka rzeczywista może odbiegać od gwarantowanej.
5. W przypadku wzrostu temperatury wody dostarczanej do pompy wzrasta wartość wymaganej nadwyżki antykawitacyjnej, dlatego należy zapewnić wyższe ciśnienie w rurociągu ssącym pompy.

Zgodnie z aktualną wiedzą i możliwościami technicznymi nie jest możliwe wskazanie rzeczywistych punktów charakterystyki. Dlatego gdy z obliczeń wynika, że parametry pompy pasują idealnie lub prawie idealnie do charakterystyki instalacji, należy sprawdzić, czy po uwzględnieniu dopuszczalnych tolerancji charakterystyka pompy nie okaże się niewystarczająca. 

W przypadku normowych pomp przeciwpożarowych na wykresie charakterystyki pomp powinien być zaznaczony maksymalny dopuszczalny przepływ, na który można je dobierać. Dla pomp zgodnych z innymi standardami europejskimi maksymalny dopuszczalny przepływ może mieć inne nazwy i oznaczenia, lecz zasada doboru zawsze pozostaje ta sama. W przypadku pomp zgodnych z amerykańskim standardem NFPA 20 [6] nie ma zastosowania wartość maksymalnego dopuszczalnego przepływu, a pompy są certyfikowane na przepływy nominalne.

Należy pamiętać, że w przypadku pomp wirowych wysokość podnoszenia maleje wraz ze wzrostem przepływu, przy czym krzywe charakterystyki mają kształt paraboli z maksimum osiąganym zazwyczaj przy zerowym przepływie. Oznacza to, że im większe zapotrzebowanie na wodę w instalacji, tym mniejsze możliwe do uzyskania ciśnienie dyspozycyjne generowane przez pompę.

Badania potwierdzające gwarancję charakterystyk pomp

Badanie pomp przeprowadza się w celu potwierdzenia, czy charakterystyka deklarowana przez producenta jest zgodna z rzeczywistą charakterystyką badanej pompy, lub w celu wyznaczenia nieznanej charakterystyki pompy przez producenta. Idea weryfikacji gwarancji jest bardzo prosta – producent wybiera kilka punktów, które uznaje za gwarantowane, a następnie przez te punkty prowadzi się ramiona krzyży tolerancji wynikające z procentowych zakresów tolerancji dla danej klasy technicznej. Podczas prób potwierdzających gwarancję zbierana jest charakterystyka pompy i w celu uzyskania pozytywnego wyniku badań wystarczające jest, żeby zetknęła się z dowolnym ramieniem krzyża tolerancji punktu gwarantowanego dla każdego punktu. Wadami statystycznego podejścia do badań są:

1. Nieznajomość dokładnego położenia punktu rzeczywistego – nie da się dokładnie wskazać przebiegu charakterystyki.
2. Istnieje 5-proc. ryzyko, że charakterystyka rzeczywista nie mieści się w zakresie tolerancji.
3. Na charakterystykach producentów podaje się parametry punktów gwarantowanych, a nie wartości najbardziej niekorzystne pod względem niepewności pomiaru.
4. Wraz ze wzrostem wysokości podnoszenia i przepływu rośnie niepewność pomiaru.

Jako przykład przedstawiający wpływ uwzględnienia tolerancji wybrano program doboru firmy Grundfos. Za pomocą programu dobrano losowo pompę do wymaganych parametrów H = 40 m i Q = 20 m³/h zgodnie z rys. 2. Po włączeniu opcji „tolerancja” wskazany został zakres, w którym może się znajdować rzeczywisty punkt pracy pompy. Wynika z niego, że charakterystyka rzeczywista może przebiegać po granicznych krzywych zakresu lub mieć kształt inny, niż wynika z przebiegu krzywej po punktach gwarantowanych (główna niebieska linia). Rzeczywisty punkt pracy dobranej pompy może się znajdować w zakresie Q = 18,2–21,7 m³/h i H = 37,19–42,79 m. W większości przypadków błąd doboru na poziomie 9% nie będzie miał znaczącego wpływu, ale istotne jest, by projektanci podejmowali decyzję o doborze pompy w sposób świadomy.

Wymagana nadwyżka antykawitacyjna

Jak wspomniano wcześniej, wysokość podnoszenia pompy nie zależy od wysokości napływu (przy zapewnionej wymaganej nadwyżce antykawitacyjnej) ani strat rurociągu – wynika to z metodologii badawczej pomp. Jak pokazano na rys. 3, do pomiaru wysokości podnoszenia stosuje się manometr różnicowy niwelujący udział ciśnienia napływu podczas badań pompy. W przypadku gdy średnice na ssaniu i tłoczeniu w punktach pomiarowych różnią się, stosuje się równania uwzględniające straty liniowe oraz udział wysokości prędkości, czyli energii, która nie jest reprezentowana przez wysokość słupa cieczy, ale przez energię kinetyczną cząstek wody (prędkość przepływu).

Badanie pompy polega na jej uruchomieniu z nominalną prędkością obrotową, zdławieniu przepływu zaworem regulacyjnym do żądanej wartości i pomiarze różnicy ciśnienia w obrębie pompy. Dzięki takiemu rozwiązaniu zmierzona wartość wysokości podnoszenia będzie stała niezależnie od tego, czy pompa będzie pracowała w warunkach ssania, czy z napływem. Wszystkie pompy wirowe muszą mieć zapewnioną wymaganą wartość ciśnienia bezwzględnego na ssaniu, wyrażonego w metrach słupa wody, tak aby nie następowało odparowywanie wody w obrębie łopatek wirnika pompy – NPSHr (Net Positive Suction Head Required) – wymagana nadwyżka antykawitacyjna). Spadek wysokości podnoszenia pompy w warunkach ssania wynika z jej nieprawidłowych warunków pracy, dlatego niedopuszczalne jest eksploatowanie pomp bez zapewnienia wymaganego NPSHr.

W odniesieniu do nadwyżki antykawitacyjnej występuje kilka skrótów podobnych do siebie, a znacznie różniących się znaczeniem:

• NPSHr – to wymagane ciśnienie w rurociągu ssącym odniesione do wartości ciśnienia absolutnego (próżnia) i wyrażone w metrach słupa wody. W przypadku niezapewnienia wymaganego ciśnienia występuje zjawisko kawitacji, a pompa zaczyna pracować w sposób nieprawidłowy. NPSHr jest wartością zmienną w zależności od przepływu generowanego przez pompę oraz temperatury i gęstości cieczy, podawaną przez producentów.
• NPSHa (Net Positive Suction Head Available) – rozporządzalna nadwyżka antykawitacyjna – rzeczywista wartość ciśnienia napływu na króćcu ssawnym pompy zależna od rodzaju zasilania, położenia geometrycznego źródła wody względem osi pompy oraz ciśnienia atmosferycznego. W tym przypadku należy zwrócić uwagę na wysokość nad poziomem morza, gdyż wraz z jej wzrostem spada ciśnienie atmosferyczne oraz wartość NPSHa.
• NPSH (Net Positive Suction Head) – nadwyżka antykawitacyjna – jest to pojęcie różnie definiowane przez projektantów, producentów, naukowców, techników i inne osoby związane z branżą pompową. Z definicji jest to wysokość słupa cieczy napływającej do pompy pomniejszona o wysokość równoważną ciśnieniu parowania wody. Bardzo często jest to definiowane również jako różnica pomiędzy NPSHa i NPSHr mówiąca o faktycznym zapasie ciśnienia napływu w stosunku do wymaganego. W pompach wirowych często kawitacja rozpoczyna się przed osiągnięciem na króćcu ssawnym ciśnienia parowania, gdyż na łopatkach wirnika występuje strefa obniżonego ciśnienia, dlatego bardziej sensowne wydaje się stosowanie drugiej definicji. W wielu przypadkach pomimo zdefiniowanego oznaczenia NPSH producenci i projektanci stosują je zamiennie dla NPSHr lub NPSHa. W katalogach doborowych producentów pomp znajdują się wartości opisane zazwyczaj jako NPSH, ale jest to w tym przypadku NPSHr, gdyż producent jest w stanie podać jedynie najniższą możliwą wysokość napływu, przy której pompa może pracować.

W sytuacji gdy pompa pracuje w warunkach kawitacji, przy niewystarczającym ciśnieniu na dopływie pompy na łopatkach wirnika następuje częściowe odparowanie wody i powstanie mieszaniny cieczy i gazu, czyli wody i pary wodnej. Wynika to z faktu zależności temperatury parowania wody od jej ciśnienia, wraz ze wzrostem ciśnienia rośnie temperatura parowania wody i analogicznie przy spadku ciśnienia obniża się wartość temperatury parowania. Pęcherzyki pary wodnej w momencie wzrostu ciśnienia w obrębie pompy ulegają szybkiemu wykropleniu, któremu towarzyszy zjawisko implozji. Efektem tego zjawiska jest niszczenie łopatek wirnika, co w efekcie prowadzi do obniżenia parametrów pracy pompy, a ostatecznie do zniszczenia łopatek wirnika. Wpływ kawitacji na wirniki pomp przedstawiono na rys. 4 i 5. Na rys. 4 widać uszkodzenia wirnika w pierwszej fazie niszczenia pompy, a rys. 5 przedstawia wirnik z dziurami będącymi efektem długotrwałej pracy pompy w niekorzystnych warunkach pracy.

Charakterystyki sprawności

Oprócz charakterystyk hydraulicznych często pomijaną kwestią przy doborze pomp pożarowych są ich charakterystyki sprawnościowe. Wynika to ze stosunkowo rzadkiej potrzeby rozruchu pomp pożarowych w stosunku do pomp cyrkulacyjnych lub przemysłowych, stosowanych powszechnie w przemyśle oraz technice domowej i mieszkaniowej, oraz pierwszeństwa realizacji funkcji ochrony przeciwpożarowej nad oszczędnością energii.

Charakterystyki te mogą mieć znaczenie w przypadku pomp pożarowych lub zespołów tych pomp pracujących w instalacjach dualnych, czyli wodociągowych przeciwpożarowych oraz bytowych i/lub przemysłowych. W takim przypadku zespół podnoszenia ciśnienia (ang. booster pumps set) zwiększa ciśnienie wody w instalacjach sanitarnych, a w przypadku wykrycia przepływu na instalacji hydrantowej rozpoczyna tryb pracy pożarowej, odcinając instalacje bytowe w celu przeznaczenia wszystkich środków do zapewnienia niezbędnych zasobów wody na cele gaśnicze. Charakterystyki sprawnościowe określają efektywność energetyczną sprzężonego układu silnik – pompa w zależności od położenia punktu pracy na charakterystyce hydraulicznej. W przypadku pomp wirowych najwyższą wartość sprawności uzyskuje się w okolicach połowy charakterystyki hydraulicznej pompy, a im bardziej przepływ różni się od optymalnego, tym bardziej spada sprawność pompy.

Charakterystyki mocy

Charakterystyka mocy pompy przedstawia zależność pomiędzy przepływem a zapotrzebowaniem na moc pompy. Charakterystyki te mogą mieć charakter przeciążeniowy lub bezprzeciążeniowy. W przypadku charakterystyki przeciążeniowej wzrost przepływu generowanego przez pompę może doprowadzić do spalenia się silnika, gdyż wymagana moc dostarczana do pompy rośnie wraz z przepływem. W przypadku pomp o charakterystyce bezprzeciążeniowej szczyt zapotrzebowania na moc występuje dla określonego przepływu, po przekroczeniu którego spada. W przypadku ochrony przeciwpożarowej charakterystyka ta ma szczególne znaczenie dla pomp zgodnych z wytycznymi VdS CEA 4001pl [3], a mniejsze w przypadku pomp zgodnych z normą tryskaczową PN-EN 12845 [4] oraz projektem normy dla pomp pożarowych. Zgodnie z wytycznymi VdS 2100-07 [5] pompy pożarowe można dobierać maksymalnie na przepływ odpowiadający szczytowi zapotrzebowania na moc dla pomp o charakterystyce bezprzeciążeniowej lub na przepływ odpowiadający NPSHr o wartości 4,5 m w przypadku pomp o charakterystyce przeciążeniowej i bezprzeciążeniowej w zależności od tego, co nastąpi pierwsze. W przypadku norm europejskich jako granicę doboru przyjmuje się przepływ odpowiadający NPSHr równemu 5 m bez uwzględnienia szczytu mocy.

Zgodnie z zapisami normy PN-EN 12845 [4] pompy powinny być napędzane silnikami elektrycznymi lub wysokoprężnymi, będącymi w stanie dostarczyć co najmniej moc umożliwiającą spełnienie następujących wymagań:

1. w przypadku pomp z charakterystykami poboru mocy bez przeciążenia – maksymalną moc wymaganą odpowiadającą wierzchołkowi krzywej poboru mocy;
2. w przypadku pomp ze wznoszącymi się charakterystykami poboru mocy (przeciążeniowymi) – maksymalną moc dla jakiegokolwiek stanu obciążenia pompy od wydajności zerowej do wydajności odpowiadającej NPSHr równemu 16 m lub przy maksymalnym ciśnieniu ssania plus 11 m, w zależności od tego, która z nich jest większa.

Przepływ minimalny

Każda pompa wymaga chłodzenia, które realizowane jest poprzez przepływ przetłaczanej wody. Zatrzymanie pomp pożarowych może nastąpić jedynie po ich ręcznym wyłączeniu przyciskiem w pompowni przeciwpożarowej. W przypadku gdy uruchomienie pomp jest wywołane chwilowym ubytkiem wody w instalacji niezwiązanym z wystąpieniem pożaru, wyłączenie pomp nastąpi dopiero, gdy osoba odpowiedzialna za nadzór nad pompownią ręcznie wyłączy pompy. Może to oznaczać konieczność pracy pompy bez przepływu wody przez znaczny czas, co prowadzi do jej zatarcia.

Aby temu zapobiec, stosuje się minimalny przepływ obejściowy, zapewniający chłodzenie pompy nawet w przypadku jej pracy bez przepływu wody w instalacji. Producenci deklarują, jaka jest wartość minimalnego natężenia przepływu wystarczająca do chłodzenia pompy. W instalacjach pożarowych zawsze należy ten przepływ zapewnić. Możliwe jest zrealizowanie obejścia przepływu minimalnego poprzez zrzut wody do studzienki kanalizacyjnej lub doprowadzenie jej z powrotem do zbiornika ppoż.

Zespoły pomp

Pompy wirowe można ze sobą łączyć w sposób równoległy lub szeregowy. W przypadku połączenia szeregowego króciec ssawny kolejnej pompy jest połączony z króćcem tłocznym pompy poprzedniej, co wynikowo pozwala na uzyskanie wyższego ciśnienia tłoczenia przy braku zmiany przepływu maksymalnego generowanego przez układ pomp.Rozwinięciem technologicznym układu pomp są pompy wielostopniowe, gdzie dodano kolejne wirniki (stopnie), uzyskując efekt identyczny w porównaniu do szeregowych układów pomp. Charakterystyki pomp pionowych w zależności od liczby wirników przedstawiono na rys. 8. Wraz ze wzrostem liczby wirników rośnie zapotrzebowanie na moc, dlatego przy zastosowaniu dodatkowych wirników stosuje się większe silniki.W przypadku pomp połączonych równolegle mają one wspólny kolektor tłoczny i uzyskuje się wzrost generowanego przepływu przy stałej wysokości tłoczenia układu. Równoległy układ pompowy jest podstawą do budowy wielopompowych zespołów pomp pożarowych, które stosuje się w razie konieczności zapewnienia dużego przepływu w instalacji pożarowej.

Podsumowanie

Przy doborze pomp pożarowych należy zawsze zwracać uwagę na wymaganą nadwyżkę antykawitacyjną, gdyż niezapewnienie NPSHr prowadzi do pogarszania się parametrów pompy, a finalnie do jej zniszczenia. Dokładność parametrów gwarantowanych pomp zależy ściśle od zastosowanej przy badaniu pomp klasy technicznej i w zależności od zamierzonego zastosowania przyjęta klasa dokładności może być bardziej lub mniej precyzyjna.

Szeregowe układy pomp są praktycznie niestosowane w ochronie przeciwpożarowej, ich powszechnie wykorzystywanym rozwinięciem technologicznym są pompy wielostopniowe, przeznaczone do zasilania instalacji ppoż. w budynkach wysokościowych, gdzie wymagane jest wysokie ciśnienie tłoczenia. Układy pomp równoległych stosowane są w ochronie przeciwpożarowej jako zespoły pomp pożarowych i przeznaczone do rozległych instalacji wodnych, w których zapotrzebowanie na wodę przekracza możliwości jednej pompy.

Literatura

1. PN-EN ISO 9906:2002 Pompy wirowe. Badania odbiorcze parametrów hydraulicznych. Klasy dokładności 1 i  2
2. Jędral W., Pompy wirowe, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2014.
3. VdS CEA 4001pl Wytyczne VdS-CEA dotyczące instalacji tryskaczowych – Projektowanie i instalowanie.
4. PN-EN 12845:2015-10 Stałe urządzenia gaśnicze. Automatyczne urządzenia tryskaczowe. Projektowanie, instalowanie i konserwacja
5. VdS 2100-07:2013-05 VdS-Richtlinien für Wasserlöschanlagen. Sprinklerpumpen. Anforderungen und Prüfmethoden.
6. NFPA 20 2018 Edition Standard for the Installation of Stationary Pumps for Fire Protection.
7. https://product-selection.grundfos.com (dostęp: 17.05.2019).
8. https://www.ksb.com/ksb-au/News/magazine/centrifugal-pump-basics/1759786/ (dostęp: 17.05.2019).
9. http://cmspumps.com/multistage-pumps/ (dostęp: 17.05.2019).