پمپ آتش نشانی چیست؟

مبانی پمپ آتش نشانی در ساختمان

نویسنده: داریوش فرجی

کارشناسی ارشد مکانیک حرارت، سیالات و تبدیل انرژی

 در این مقاله سعی شده که مبانی پمپ آتش نشانی (Fire pump) در ساختمان مورد بررسی قرار گیرند. تنظیم توسط مجله مهندسی ایمنی.

سیستم‌های هیدرولیک آتش ‌نشانی یکی از مهم‌ترین سیستم‌ها در ساختمان هستند که به‌طورکلی شامل سه بخش پایه می‌شوند:

• مخزن ذخیره بزرگ آب (مطابق NFPA22 در زیرزمین یا بالای ساختمان)
• سیستم مخصوص پمپاژ (مطابق NFPA20)
• شبکه‌ی وسیعی از لوله‌کشی جهت هیدرانت‌ها (به آمریکایی لوله ایستاده کد NFPA14) یا اسپرینکلرها کد NFPA13 (که تقریباً هردو سیستم برای همه‌ی ساختمان‌ها می‌توانند ضروری باشند)

در این مقاله به مورد دوم (پمپ آتش ‌نشانی در ساختمان) پرداخته می‌شود.

پمپ‌ها یکی از پرکاربردترین ماشین‌های مورد استفاده است که در صنایع مختلف با کاربردهای مختلف (اطفای هیدرولیک آتش‌نشانی، پمپ‌های مختص به پتروشیمی (مواد نفتی)، صنایع شست‌وشو، موارد تهویه مطبوع و غیره) استفاده می‌شود.

پمپ‌ های آتش‌ نشانی معمولاً در یک اتاق پمپ خیلی نزدیک به مخزن جاگذاری می‌شوند. نکته‌ی کلیدی این است که پمپ ‌ها می‌بایست در سطح زیر کف مخزن قرار بگیرند و کل مایع ورودی به لوله‌ی ورودی پمپ (مکش پمپ) طبق نیروی جاذبه از مخزن به پمپ وارد شود، زیرا این پمپ‌ ها اصولاً برای دهش ساخته‌شده‌اند نه مکش خیلی قوی. (بحث کاویتاسیون در بخش آخر مقاله که وقتی در اثر مکش ضعیف فشار کم شده و متناسب با آن نقطه‌ی جوش سیال در همان فشار مساوی اتمسفر کاهش‌یافته و حباب هوا تشکیل می‌شود)

درحالت کلی، به پمپ‌ها از طریق موتورهای دیزلی، الکتریکی و غیره توانی داده می‌شود (توان ورودی) که طبق قانون اول ترمودینامیک پس از عبور از راندمان‌های مکانیکی و الکتریکی مختلف، بر روی سیستم موردنظر کار انجام شده و سیال پمپاژ می‌شود.

طبق ضوابط آتش‌نشانی استان تهران محل پمپ‌ها می‌بایست مجهز به شبکه اسپرینکلر باشد؛ هرچند طبق استاندارد NFPA20، بستگی به کلاس خطر موردنظر داشته مثلاً کد NFPA101 طبق بند 40.3.2.1 استفاده از سیستم خاموش‌سازی اتوماتیک (Automatic Extinguishing Systems) را برای همه مناطق خطر بالا مثل تهویه مواد محترقه الزام کرده است یا سامانه‌ی اسپرینکلر طبق بند 4.13.1.3 برای پمپ‌های دیزل در گروه خط بسیار 2(بر اساس NFPA13) ذکر شده است. همچنین جدولی طبق جداسازی و نرخ مقاوت حریق سازه مواردی ارائه شده (مثلاً برای یک ساعت مقاومت حریق یا 50ft)

انواع پمپ ‌ها را می‌توان به‌طورکلی به دو رده تقسیم‌بندی کرد.

•           پمپ‌های جابه‌جایی مثبت (Positive Displacement)

•           پمپ‌های حرکتی (Dynamic)

پمپ ‌های جابه‌جایی مثبت توسط نیروی مثبت اعمال‌شده از طریق وسیله‌ی موردنظر فشار را ایجاد می‌کند، مثلاً: پمپ‌ های پیستونی یا پمپ‌ های دوار.

پمپ‌های حرکتی شامل پمپ‌های جریان شعاعی (پمپ‌های گریز از مرکز یا سانترفیوژ) است که پروانه پمپ به سیال انرژی جنبشی داده که این ترم انرژی طبق معادله‌ی برنولی در اثر عبور از دیفیوزر در نهایت به ترم فشاری تبدیل می‌شود که در این مقاله به موارد مرتبط با پمپ‌های سانترفیوژ پرداخته می‌شود.

الکتروپمپ‌های سانترفیوژ عموماً شامل بخش‌های اصلی بدنه، پروانه، الکتروموتور، کوپلینگ (محل اتصال پمپ به موتور)، لوله‌ی مکش ولوله‌ی دهش است.

مؤلفه‌های مهم در پمپ :

هد پمپ :

متأثر از فشار خروجی از پمپ (از تقسیم فشار بر چگالی سیال و شتاب گرانش، ارتفاع مصور خروجی از پمپ به دست می‌آید) برای محاسبه‌ی هد می‌بایست همه‌ی موارد زیر محاسبه و با یکدیگر جمع شوند:

الف) فشار موردنیاز جهت غلبه بر نیروی جاذبه‌ی آب در اثر فاصله‌ی عمودی پمپ با آخرین مصرف‌کننده (آخرین اسپرینکلر یا آخرین لوله ایستاده)

ب) افت فشار طولی در اثر زبری نسبی لوله (محاسبه به‌روش‌های هیزین ویلیامز، دارسی ویسباخ و غیره که می‌توان از نرم‌افزارهایی نظیر پایپ نت یا اتواسپرینکلر نیز استفاده کرد)

ج) حداقل فشار مور نیاز خود مصرف‌کننده (مثلاً برای یک اسپرینکلر حداقل 0.5 bar و حداکثر فشار 12 bar)

د) افت فشار محلی (ناشی از عبور سیال از اتصالات مثل زانویی ها، شیرهای مسیر و غیره)

 دبی پمپ:

ظرفیت دهی سیال که مفهوم سرعت سیال در مساحت عبوری از آن را می‌دهد، به‌عبارتی‌دیگر مقدار حجم سیالی که در مدت‌زمانی مشخص بتواند پر کند که در بحث پمپ به‌ویژه در کشورمان واحد GPM (گالن بر دقیقه) پرکاربرد است.

برای محاسبه دبی پمپ:

الف) مساحت تحت پوشش لوله ایستاده و اسپرینکلر،

ب) تعداد لوله ایستاده و اسپرینکلر،

ج) مساحت مفروض (assumed) لوله ایستاده و اسپرینکلرها

د) و انواع و طرح ساختمان مؤثر است

 که برآورد هرکدام خود یک مبحث طولانی و خارج از محدوده این مقاله می‌تواند باشد.

به‌جز دو مؤلفه‌های اصلی مذکور، سایر مؤلفه‌های مهم، نظیر توان، راندمان، BEP، NPSHr و غیره نیز بسیار اهمیت دارند مثلاً برای عدم خلل در پمپ (بحث کاویتاسیون تبخیری و حباب‌های مخرب هوا در پمپ می‌بایست NPSHa را محاسبه کرده و بزرگ‌تر از NPSHr در نظر بگیریم که در بخش آخر به جزئیات آن پرداخته می‌شود.

منحنی عملکرد (مشخصه) پمپ

این منحنی مانند DNA پمپ است که در کاتالوگ‌های شرکت‌ها به‌صورت یک نمودار با محور افقی دبی و محور عمودی هد نمایش داده می‌شود. در این نمودار سایر مشخصات مهم پمپ (موارد مطروحه در بخش 3 بخش قبل (مؤلفه‌های پمپ) وجود دارند که ناحیه‌ی سمت چپ (دبی بسیار کم) ناحیه کم راندمان و ناحیه‌ی سمت راست (دبی بسیار زیاد) ناحیه کم راندمان خطرناک است که موجب خیز شفت و آسیب یاتاقان‌ها می‌شوند، درنتیجه بهترین راندمان می‌تواند در نواحی وسطی منحنی باشد.)BEP)

محل تلاقی منحنی سیستم (محاسبات مفروض) و منحنی عملکرد (منحنی پمپ موردنظر)، نقطه عملکرد (duty point) است.

خیلی از شرکت‌ها به‌جایی منحنی مشخصه، جدول مشخصه ارائه می‌دهند که مشخصات پمپ را به‌صورت جدول دسته‌بندی کرده است.

قوانین افینیتی پمپ :

•           قطر پمپ با دور پمپ رابطه‌ی مستقیم دارد.
•           دبی پمپ با مجذور دور (قطر پروانه پمپ) رابطه‌ی مستقیم دارد.
•           قدرت پمپ با توان سوم (دور یا قطر پمپ) داری یک رابطه‌ی مستقیم است.

با دقت به موارد فوق، می‌توان علت شکل ساده منحنی عملکرد پمپ را یافت!

پمپ‌های زمینی :

این پمپ‌ها برعکس پمپ‌های سیرکولاتور (که در تهویه مطبوع رایج‌اند) به جهت فشارهای بالا به‌ویژه موارد آبرسانی-آتش نشانی نصب‌شده که توسط شاسی (عمدتاً چدن خاکستری) به زمین وصل می‌شود درنتیجه برعکس حالت قبل می‌تواند منحنی عملکرد نسبتاً تیزی داشته باشد.

جوکی پمپ :

این پمپ‌ها، پمپ‌های پیشرو نیز نام دارند و عمدتاً در کنار پمپ‌های اصلی به‌ویژه موارد آتش‌نشانی استفاده می‌شود.

جوکی پمپ دبی نسبتاً بسیار کمتری داشته و هدی برابر سایر پمپ‌ها دارند (در نتیجه منحنی عملکرد آن شدیداً تیز است)

این پمپ‌ها در ابتدا وارد مدار شده و موجب می‌شود پمپ اصلی به علت نشتی‌ها یا مصارف کم، مرتب روشن و خاموش نشود.

سوئیچ فشار :

پمپ‌ها توسط سنسور فشار کنترل می‌شوند. در هنگام حریق که هیدرانتی باز یا اسپرینکلری فعال می شود در اثر افت فشار وارد شده به پمپ فرمان شروع داده می شود. ولی تنها راه خاموش کردن پمپ برای یک آتش¬نشان رفتن به اتاق پمپ و انجام دادن دستی آن است.

بوستر پمپ :

بوستر پمپ در ترجمه ی لغوی به معنای پمپ های تقویت کننده است. به منظور افزایش مولفه ی هد، پمپ-ها سری می شوند (مانند پمپ های طبقاتی) و به منظور افزایش دبی آن ها را موازی می کنند (مانند بوستر پمپ های آبرسانی یا آتش نشانی)

تصویر شماره 8

تصویر شماره 9

تصویر شماره 10

تصویر شماره 11

بوستر پمپ آتش نشانی (دورثابت) شامل منبع دیافراگمی (که با مخزن ذخیره بزرگ پشت پمپ متفاوت است)، شاسی، کلکتور مکش، کلکتور دهش، پرشر سوئیچ، مانومتر، تابلو پمپ، پمپ های اصلی و جوکی پمپ به طور موازی نصب شده می باشد.

تصویر شماره 12

مثل همه ی سیستم های مهم، می بایست پمپ های پشتیبان (backup pumps) وجود داشته باشند که به محض خراب شدن پمپ اصلی بتوانند مستقلا ظرفیت مورد نیاز طراحی را برطرف کنند

البته طبق ضوابط آتش نشانی تهران چنانچه پمپ اصلی فهرست شده باشد، در نظر گرفتن یک پمپ کافی است.

سایز کلکتور دهش پمپ باید طبق رایزرهای متصل به آن انتخاب می شود (یک سایز بیشتر از بزرگترین رایزر) و طبق ضوابط آتش نشانی تهران، حداقل 4in در نظر گرفته می شود. در صورتی که تعداد رایزر متصل به کلکتور دهش بیش از 3 عدد باشد، می توان از رابطه ی زیر استفاده کرد:

بر روی کلکتور دهش می بایست یک شیر یک طرفه و شیر قطع کن جریان نصب و یک انشعاب آب شهر با سایز حداقل 1 in در نظر گرفته شود.

همچنین در کلیه ارتباطات آب آتش نشانی با آب مصرفی می بایست شیر یک طرفه دوتایی استفاده شود.

سایز کلکتور مکش نیز می بایست یک سایز بیشتر از کلکتور دهش و حداقل 5in باشد و انشعاب بین مخزن و کلکتور مکش نیز می بایست هم سایز در نظر گرفته می شوند. همچنین در قسمت مکش مکش پمپ می بایست شیرقطع کن جریان از نوع دروازه ای و یک صافی مناسب نصب شود (شیر قطع کن از نوع ساقه بلند یا OS&Y است که باز و بسته بودن آن به طور بصری مشخص باشد و نصب آن در ضوابط آتش نشانی تهران برای گروه بندی های S2 و S3 آن مرجع، الزامی در نظر گرفته می شود)

تصویر شماره 13

تابلو برق پمپ نیز می بایست دارای IP حداقل 54 باشد.

تصویر شماره 14

پمپ ‌های دور متغیر :

این پمپ ها (و بوستر پمپ هایشان) عمدتا در موارد آبرسانی استفاده می‌شود که در جلوگیری از پدیده‌ی ضربه قوچ (Water Hammer)، بحث آمپر نکشیدن اولیه‌ی پمپ (Soft Starter) و طول عمر بیشتر پمپ‌ها می‌تواند بسیار موثر باشد.

لازم به ذکر است در بوستر پمپ‌های دور متغیر، منبع دیافراگمی و جوکی پمپ مطرح نمی‌شوند و به جای سوئیچ فشار از پرشر ترانسدیوسر استفاده می شود.

همچنین در موارد آتش نشانی از پمپ های دور ثابت استفاده شده مگر الزامات بسیار خاص الکتریکی با دبی های بسیار بالا (مطابق NFPA 20).

طبق ضوابط آتش نشانی تهران؛ درکلیه شرایط، پمپ‌های آتش‌نشانی می‌بایست توسط سیستم برق شهری و همچنین توسط سیستم برق اضطراری تغذیه شوند که در غیر اینصورت می‌بایست محرک یکی از پمپ‌ها موتور دیزل باشد.

طبق این ضوابط، حجم مخزن سوخت پمپ با ژرناتور دیزل به‌ازای هر کیلووات توان پمپ 5 لیتر در نظر گرفته شده و برای مقدار نهایی محاسبه شده نیز می‌بایست 10 درصد ضریب اطمینان لحاظ شود.

کاویتاسیون:

این پدیده که ایجاد حباب هوا در پمپ است می تواند با نیروی نسبتا زیادی که دارد موجب آسیب شدید و اختلال در عملکرد پمپ شود.

علل ایجاد کاویتاسیون میتواند مکش حباب هوا (کاویتاسیون گازی)، فشار کم در مکش (دمای زیاد در مکش) که همان بحث NPSH مطروحه در بخش های قبل است (کاویتاسیون تبخیری)، جریان متلاطم آب در مکش ناشی از صافی یا زانویی های متعدد (کاویتاسیون توربولنس) و سایر موارد دیگر (مباحث هیدرودینامیک پروانه پمپ با حلزونی) یا مسدود بودن رانش پمپ باشد.

 که در این رابطه h_f هد اصطکاکی، z_e-z_0 هد استاتیکی مکش، Po فشار اتمسفر، Pv فشار بخار، g شتاب گرانش و ρ چگالی آب است.

تصویر شماره 15

به‌همین جهت با رعایت فاصله 5D از پمپ (D قطر مکش) بدون اتصلات، استفاده از تبدیل‌های کاهنده‌ی غیر هم مرکز و بررسی NPSHr پمپ اهمیت ویژه‌ای دارد هرچند به طور کلی استفاده از شیر سه کاره در رانش و تبدیل کاهنده هوشمند در بهبود موارد مذکور بسیار موثر است.

تصویر شماره 16

تصویر شماره 17

تصویر شماره 18

بیشتر بخوانید:

مقالات مرتبط با اطفاء حریق

منابع:

          جزوه ی پمپ و کاربرد آن در ساختمان،  نوشته ی مهندس داریوش فرجی

          NFPA20, Standard for the Installation of Stationary Pumps for Fire Protection, E 2016

          مقاله ی سایت انجمن NFPA (www.community.nfpa.org)

          ضوابط ملاک عمل سامانه ی اطفا حریق، سازمان آتش نشانی و خدمات ایمنی شهر تهران

          مقاله ی فنی موسسه ی علمی Understand Building Construction