廈門儀邁環(huán)保科技有限公司 吳小姐

堵塞是污水泵送中最常見的問題，對于小型泵來說尤其如此，因?yàn)樗鼈兊乃臻g有限且扭矩較低。堵塞的后果包括能耗增加、額外維護(hù)和緊急搶修，所有這些都會導(dǎo)致更高的運(yùn)營成本。污水泵制造商一直在努力開發(fā)更好的水力設(shè)計(jì)，以減少堵塞，同時保持高性能。

自適應(yīng)N技術(shù)水力設(shè)計(jì)是自清潔 N 型水力設(shè)計(jì)的演進(jìn)，旨在應(yīng)對小型泵抗堵塞的挑戰(zhàn)，它在泵系統(tǒng)穩(wěn)定性方面提供了顯著改進(jìn)，同時降低了能耗和計(jì)劃外維護(hù)成本。

自適應(yīng)N葉輪泵可安裝在帶格柵和不帶格柵的污水泵站中，用于泵送來自家庭、商業(yè)建筑、醫(yī)院、學(xué)校等場所的污水。該產(chǎn)品也可在工業(yè)污水和雨洪應(yīng)用中，用于輸送可能含有固體、纖維和其他類型雜質(zhì)的污水。

針對當(dāng)今污水情況設(shè)計(jì)的水泵

自 20 世紀(jì)初以來，水泵設(shè)計(jì)師一直專注于用增加通過尺寸的方式來減少堵塞。在采礦、工業(yè)和原水泵送應(yīng)用中，泵送介質(zhì)中的堅(jiān)硬固體和球形物體是最常見的堵塞問題， 大的葉輪流道使得這些物體更容易通過泵體。雖然傳統(tǒng)污水泵也設(shè)計(jì)有大的過流通道以避免堵塞，但事實(shí)證明，這對于大多數(shù)污水應(yīng)用來說并非最佳方案。

與此同時，市政污水中最常見的固體——軟質(zhì)和纖維狀物體的風(fēng)險(xiǎn)在很大程度上被忽視了。

對現(xiàn)代污水的詳細(xì)調(diào)查和研究表明，污水中幾乎從不包含直徑與管道系統(tǒng)內(nèi)徑一樣大的堅(jiān)硬球形物體。即使此類物體進(jìn)入污水系統(tǒng)，它們通常也會沉積或滯留在流速較低的區(qū)域，而不會到達(dá)泵體。

一個值得關(guān)注的問題：當(dāng)今的污水中含有更高比例的軟質(zhì)物體。例如，種類不斷增加的家用和個人衛(wèi)生用品，包括紙巾、濕巾、碎布、洗碗布和其他纖維狀物體。雖然這些物質(zhì)中的大部分應(yīng)作為垃圾處理，但許多消費(fèi)者會將它們沖入馬桶。因此，更多不易分解的纖維物體出現(xiàn)在污水中，進(jìn)一步挑戰(zhàn)了泵的性能。

圖 1：在污水中發(fā)現(xiàn)各類固體的可能性

圖 1 是在污水中發(fā)現(xiàn)不同類型固體可能性的概念性圖示。堅(jiān)硬且近似球形的物體位于左側(cè)，而柔軟且細(xì)長的物體位于右側(cè)。與許多系統(tǒng)一樣，發(fā)現(xiàn)極大物體（無論是球形還是細(xì)長形）的概率非常低。重要的特征是這條分布曲線是不對稱的——偏向于柔軟、細(xì)長的物體，這些是當(dāng)今污水中最常見的類型。 

軟堵塞與硬堵塞

研究表明，堵塞問題主要是由纖維狀物體引起的，它們往往會纏繞在傳統(tǒng)葉輪的前緣上。纖維纏繞在這些前緣上，并在葉片兩側(cè)折疊。在筆直和適度彎曲的前緣上，雜物不會脫落；相反，它會繼續(xù)堆積。這些堆積物會形成大塊的固體材料（有時稱為“布團(tuán)"），從而導(dǎo)致堵塞。

隨著物體逐漸在葉輪前緣周圍堆積，水流的自由通道減少，泵的性能下降。這種現(xiàn)象稱為軟堵塞，因?yàn)樗粫?dǎo)致泵停止。泵將繼續(xù)運(yùn)行，但性能會降低到一定程度。軟堵塞的一個典型影響是，泵需要運(yùn)行更長時間才能泵送給定體積的污水。軟堵塞泵的效率也低于未堵塞的泵。因此，軟堵塞會增加能耗。軟堵塞的另一個后果是振動水平升高，這會導(dǎo)致密封件和軸承加速磨損。

細(xì)小的異物也可能卡在蝸殼和葉輪之間，造成額外的摩擦。電機(jī)需要提供更大的扭矩來抵消制動效應(yīng)，因此需要更高的輸入功率。一旦運(yùn)行電流超過跳閘電流（導(dǎo)致電機(jī)過載），泵運(yùn)行就會停止。這稱為硬堵塞。當(dāng)軟堵塞形成顯著的布團(tuán)時，也可能發(fā)生硬堵塞。硬堵塞的主要影響是停機(jī)，以及需要計(jì)劃外的維修服務(wù)來清除堵塞并重新啟動泵，從而增加了運(yùn)營成本。

破除關(guān)于通過尺寸的誤區(qū)

過去幾十年的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合數(shù)十萬臺泵安裝的經(jīng)驗(yàn)表明，單純關(guān)注通過尺寸的邏輯是不正確且具有誤導(dǎo)性的。然而，它在污水泵采購規(guī)范中仍然普遍存在。用戶反饋以及對傳統(tǒng)葉輪的實(shí)驗(yàn)室測試得出了以下結(jié)果：

通道式水力的抗堵塞性 

通道式葉輪是具有大通過尺寸的單葉片或多葉片閉式離心葉輪。它們在泵送清水時效率高，但在泵送污水時容易堵塞。

圖 2：單葉片葉輪示例

通道式水力設(shè)計(jì)旨在泵的最佳效率點(diǎn)（BEP）實(shí)現(xiàn)最佳的抗堵塞性。因此，工況點(diǎn)離 BEP 越遠(yuǎn)，抗堵塞性就越低。纖維材料在前緣上的逐漸堆積（圖 3）將導(dǎo)致泵效率遠(yuǎn)低于工廠測試的清水值——這是軟堵塞的典型影響。

這種設(shè)計(jì)在長期運(yùn)行中引起巨大的徑向載荷，使軸和軸承需要承受更大的應(yīng)力，增加振動和噪音。由于葉輪永遠(yuǎn)無法平衡，振動會進(jìn)一步加劇。

這些問題最終導(dǎo)致能耗增加、過度磨損和泵壽命縮短。

圖 3：通道式葉輪中的堵塞渦流水力的抗堵塞性

渦流葉輪與泵殼保持一定距離，提供了寬敞的蝸殼空間，但在泵送清水和污水時效率都很低。

泵設(shè)計(jì)師曾假設(shè)：

• 旋轉(zhuǎn)的葉輪會在蝸殼內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流，將液體和任何雜物泵出。

• 渦流葉輪將像變矩器一樣工作，能量從葉輪傳遞到泵送介質(zhì)，幾乎沒有或很少流體交換。

• 由于葉輪位于液流路徑之外，物體永遠(yuǎn)不會與葉輪接觸，因此泵不會堵塞。

圖 4：渦流葉輪示例

然而，渦流葉輪的功能與其他離心葉輪一樣，這意味著能量通過葉輪葉片傳遞到介質(zhì)。因此，多葉片渦流葉輪對輪轂和前緣的軟堵塞非常敏感。其流體動力學(xué)特性（流態(tài)與壓力分布）會導(dǎo)致軟性物料在葉片表面吸附聚集，進(jìn)而使本就偏低的水力效率進(jìn)一步下降。

此外，渦流泵往往會在蝸殼中積聚大量固體，造成額外損失，增加功耗，并最終導(dǎo)致電機(jī)過載和泵停機(jī)。

圖 5：渦流葉輪中的堵塞現(xiàn)代自清潔水力的抗堵塞性

研究和調(diào)查表明，堵塞問題主要與泵難以排出纏繞在葉輪前緣的纖維狀物體有關(guān)。N 型葉輪具有最新的自清潔設(shè)計(jì)，正是針對這些發(fā)現(xiàn)而開發(fā)的。通過大幅度后掠的水平前緣和一個卸荷槽，N 型水力設(shè)計(jì)已被證明是解決大多數(shù)堵塞問題的方案。此外，無需大的過流通道，葉輪可以設(shè)計(jì)成多葉片，這有助于減少徑向力、改善平衡并提高效率。

圖 6 顯示了 N 型葉輪的堵塞概率，它遠(yuǎn)低于圍繞大通過尺寸設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)葉輪。

圖 6：自清潔 N 型葉輪中的堵塞

圖 7：自清潔 N 技術(shù)水力設(shè)計(jì)

圖 7 展示了 N 型水力設(shè)計(jì)，包括一個半開式 N 型葉輪和一個帶有導(dǎo)銷的鑲嵌環(huán)。

該自清潔技術(shù)的工作原理如下：

1. 具有后掠水平前緣的 N 型葉輪葉片通過將固體從鑲嵌環(huán)的中心掃向外緣來實(shí)現(xiàn)自清潔。

2. 位于鑲嵌環(huán)中的卸荷槽與水平前緣共同作用，引導(dǎo)固體排出葉輪。

3. 在小規(guī)格幾何結(jié)構(gòu)中，專門設(shè)計(jì)的導(dǎo)銷會捕獲卡在葉輪輪轂附近的任何纖維，并允許葉片將它們沿著卸荷槽推出泵外。

得益于排出堅(jiān)硬物體的能力，自清潔技術(shù)顯著減少了計(jì)劃外維護(hù)并提高了可靠性。通過防止纖維狀物體纏繞前緣并導(dǎo)致軟堵塞，N 型葉輪確保了長期持續(xù)的高效率，從而降低了能耗。

與通道式水力不同，自清潔 N 型水力的抗堵塞性基于機(jī)械原理，不受流量變化的影響。因此，泵可以在性能曲線的不同工況點(diǎn)高效運(yùn)行，最重要的是，可以在多種頻率下高可靠性地運(yùn)行。將 N 型水力設(shè)計(jì)與變頻驅(qū)動器（VFD）配對可以實(shí)現(xiàn)更好的過程控制、節(jié)能、更平穩(wěn)的運(yùn)行并降低維護(hù)成本。

自清潔 N 型水力設(shè)計(jì)的發(fā)展

小型泵的有限扭矩 

潛水泵通常由與泵葉輪緊密耦合的電動機(jī)驅(qū)動，如圖 8 所示。當(dāng)泵啟動時，電流流入定子繞組并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，通過軸帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。因此，電機(jī)產(chǎn)生與電機(jī)功率成比例的扭矩。扭矩是一個物理量，它定義了力使物體繞軸或點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的趨勢。

圖 8：扭矩示意圖

如前所述，通過自清潔 N 泵的物體被沿著卸荷槽推出。由于葉輪葉片和鑲嵌環(huán)之間的間隙非常小，只有十分之幾毫米，大的雜物被迫通過卸荷槽。當(dāng)這種情況發(fā)生時，會產(chǎn)生額外的摩擦力，對葉輪起到制動作用并使其減速。泵必須提供額外的扭矩來克服這種額外的摩擦，這意味著需要更高的電機(jī)扭矩。如果最大電機(jī)扭矩不足，雜物將會卡住并使泵停止。這就是硬堵塞。

由于用于潛水污水泵的電機(jī)通常不會大幅度超配，滿功率下提供的最大扭矩可能不足以將最堅(jiān)硬的雜物推開。對于小型泵尤其如此，因?yàn)槠渑ぞ卦６认鄬^低。為了進(jìn)一步提高小型 N 泵的功能性，飛力開發(fā)了自適應(yīng) N 技術(shù)，以降低因扭矩不足導(dǎo)致的硬堵塞風(fēng)險(xiǎn)。

自適應(yīng)N技術(shù) 

采用自適應(yīng)技術(shù)后，N 型葉輪并非全部固定在軸上：它可以軸向上下移動，以響應(yīng)大塊雜物試圖通過泵時產(chǎn)生的壓差。這種運(yùn)動暫時增大了葉輪葉片與鑲嵌環(huán)之間的間隙。這使得最大塊的布條和最堅(jiān)硬的雜物能夠順利通過泵，無需額外的電機(jī)扭矩。當(dāng)泵電機(jī)在單相電源上運(yùn)行時（此時可用扭矩進(jìn)一步降低），其優(yōu)勢更為顯著。

圖 9：運(yùn)行期間自適應(yīng)N葉輪的位置

如圖 9 左側(cè)所示，在大多數(shù)情況下，自適應(yīng)N葉輪的工作方式與常規(guī) N 型葉輪全部相同。但在需要時，葉輪會向上移動以通過更大的雜物，如圖 9 右側(cè)所示。

自適應(yīng)機(jī)構(gòu)利用葉輪上的液壓差工作。與壓力相關(guān)的力是 F=PxA，其中 P 是壓力，A 是壓力作用的面積。圖 10 顯示了組合力如何決定葉輪的位置。

圖 10 左側(cè)是在輕度污染污水中分布在葉輪上的液壓力的概念圖像。在葉輪底部，向上的壓力隨半徑增加，因此力從葉輪中心向邊緣增大。同時，在葉輪頂部，更高的壓力均勻地作用在整個葉輪盤上。作用在葉輪上的合力具有向下的凈值，并將葉輪保持在正常工作位置。

圖 10：正常運(yùn)行（左）和大塊雜物進(jìn)入泵時（右）的力分布

當(dāng)一大塊雜物進(jìn)入葉輪時，力平衡將與正常運(yùn)行不同。如圖 10 右側(cè)所示，在葉輪底部，逐漸增大的向上力被添加到液壓作用力上。當(dāng)向上的力超過向下的力時，葉輪開始向上移動，葉輪和鑲嵌環(huán)之間的間隙變大。當(dāng)間隙足夠大時，雜物將通過葉輪。然后向上的力減小，葉輪返回到其原始工作位置。

由于這種自適應(yīng)運(yùn)動僅持續(xù)幾分之一秒，瞬時的功率增加對泵的整體效率沒有顯著影響。這種自適應(yīng)功能還減少了軸、密封件和軸承的負(fù)載，從而延長了它們的使用壽命。

總之，采用自適應(yīng) N 技術(shù)，配備低扭矩電機(jī)的小型泵的自清潔功能得到了顯著改進(jìn)。最終，可靠運(yùn)行和持續(xù)的高效率降低了總擁有成本。

注意：雖然葉輪輪轂中有一個彈簧，但它與自適應(yīng)功能無關(guān)。該彈簧在組裝和運(yùn)輸過程中保持葉輪鎖定，避免在安裝前可能發(fā)生的損壞。

小型污水泵的LCC分析

生命周期成本（LCC）分析是一種用于確定系統(tǒng)在其生命周期內(nèi)的總成本或比較投資計(jì)劃的方法。任何設(shè)備的完整 LCC 分析包括與該設(shè)備相關(guān)的所有成本，包括初始投資、安裝、運(yùn)行、能源、停機(jī)、環(huán)境、維護(hù)和處置。計(jì)算方式中最重要的部分將取決于應(yīng)用、地理位置、勞動力成本和能源成本——這些因素在不同市場之間可能有很大差異。

在評估污水泵選項(xiàng)時，通常使用簡化分析。在這種情況下，相關(guān)的因素是初始投資、能源成本和維護(hù)成本（尤其是計(jì)劃外維護(hù)）。 其他因素可以從分析中排除。

堵塞是計(jì)劃外維護(hù)成本中最重要的因素。泵在泵站中堵塞的次數(shù)可能有很大差異。最常見的因素是：

• 泵送介質(zhì)的類型

• 泵水力設(shè)計(jì)的類型

• 泵運(yùn)行周期的長度 

• 泵的尺寸

• 電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)動慣量

• 日常維護(hù)的執(zhí)行情況

由于軟堵塞導(dǎo)致的能耗成本增加  

如上所述，用于污水應(yīng)用的通道式葉輪泵可能會遭受軟堵塞，并可能在長時間運(yùn)行周期后跳閘。然而，遭受軟堵塞的渦流式葉輪泵可能由于泵殼內(nèi)的空間較大而繼續(xù)運(yùn)行。與其他類型的葉輪相比，這種更大的空間允許積聚更多的固體。在任何一種情況下，軟堵塞往往會降低泵效率并誘發(fā)硬堵塞。

圖 11 顯示了隨著時間的推移，軟堵塞對傳統(tǒng)泵（通道式或渦流水力設(shè)計(jì)）和自清潔泵（N 型或自適應(yīng)N技術(shù)水力設(shè)計(jì)）的效率和能耗的影響。

如圖 11a 所示，當(dāng)傳統(tǒng)泵在污水中連續(xù)運(yùn)行時，效率下降，能耗逐漸增加。當(dāng)傳統(tǒng)泵間歇運(yùn)行時（圖 11b），趨勢相同，即使反沖洗能暫時提高效率。相比之下，圖 11c 顯示，自清潔泵在污水中連續(xù)或間歇運(yùn)行期間保持一致的效率和能耗，使其隨著時間的推移能耗低。

由于軟堵塞導(dǎo)致的能源成本增加很容易在現(xiàn)場測量。然而，由于介質(zhì)特性和運(yùn)行周期的可變性，預(yù)測這些額外成本很困難。

圖 11：兩種不同運(yùn)行場景下的傳統(tǒng)泵性能

與自清潔 N 技術(shù)污水泵的比較

簡化的 LCC 比較示例 

下面的示例提供了一個簡化的 LCC 分析，比較了三種泵類型在每日運(yùn)行時間短與長的情況下的成本：

*能耗成本可能因國家/地區(qū)而有很大差異

**效率和單位能耗數(shù)據(jù)基于飛力泵性能曲線

在此示例中，不同類型水力設(shè)計(jì)的初始投資差異不大。在長運(yùn)行周期中，初始投資僅占 LCC 的一小部分。此外，計(jì)劃維護(hù)成本在各種泵選項(xiàng)中將大致相同。與此同時，由于硬堵塞導(dǎo)致的計(jì)劃外維護(hù)成本將對 LCC 產(chǎn)生更大的影響。

當(dāng)通道式葉輪泵每天運(yùn)行12小時持續(xù)5年時（圖14），其計(jì)劃外維護(hù)成本超過初始投資的五倍。相比之下，自適應(yīng)N型葉輪泵的維護(hù)成本僅為其初始投資的60%。雖然預(yù)計(jì)渦流式葉輪泵的服務(wù)次數(shù)少于通道式葉輪泵，但其效率低于其他水力設(shè)計(jì)類型，將導(dǎo)致更高的能耗成本。這甚至還沒有考慮軟堵塞造成的額外能耗成本，這很難預(yù)測，因此未計(jì)入 LCC 計(jì)算或這些圖表中?？紤]到這一點(diǎn)，渦流水力泵與其他兩種水力設(shè)計(jì)相比將具有更高的能耗。

無論是每天運(yùn)行 3 小時還是 12 小時（圖 13 和 14），自適應(yīng)N葉輪泵在污水應(yīng)用中具有低的生命周期成本，因?yàn)樗鼘⒆钚』?jì)劃外維護(hù)。如果考慮軟堵塞造成的額外能耗，自適應(yīng)N葉輪泵可以節(jié)省的費(fèi)用甚至超過 LCC 分析所顯示的。除了經(jīng)濟(jì)效益外，N 泵還為最終用戶提供了無憂的運(yùn)行體驗(yàn)。

圖 13：基于 5 年內(nèi)每天運(yùn)行 3 小時的簡化 LCC 分析

圖 14：基于 5 年內(nèi)每天運(yùn)行 12 小時的簡化 LCC 分析

總結(jié)

對最小化運(yùn)營成本的日益關(guān)注，特別是在污水應(yīng)用中，催生了對具有更好抗堵塞性和更高效率水泵的需求。25 年前，飛力為此開發(fā)了一種自清潔水力設(shè)計(jì)。配備后掠水平前緣和卸荷槽的半開式 N 型葉輪可以顯著降低堵塞風(fēng)險(xiǎn)。與傳統(tǒng)水力設(shè)計(jì)相比，N 泵提供了持續(xù)的高效率和更高的可靠性。因此，自清潔 N 泵在世界各地廣受歡迎。 

由于小型污水泵的尺寸和電機(jī)扭矩有限，在挑戰(zhàn)性的應(yīng)用中采用 N 技術(shù)一直面臨挑戰(zhàn)。為了進(jìn)一步增強(qiáng)自清潔功能，特別是為了降低扭矩相對較低的泵的硬堵塞風(fēng)險(xiǎn)，N 型葉輪增加了自適應(yīng)技術(shù)。自適應(yīng)N技術(shù)水力設(shè)計(jì)允許葉輪軸向移動，因此最堅(jiān)硬的雜物可以通過。大量實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場測試的結(jié)果表明，自適應(yīng)N技術(shù)水力設(shè)計(jì)可以有效解決小型泵的軟堵塞和硬堵塞問題。

此外，LCC 分析顯示了自適應(yīng)N葉輪泵巨大的節(jié)約成本潛力。在大多數(shù)情況下，節(jié)省來自于更低的能耗和計(jì)劃外維護(hù)成本的減少。

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