廈門儀邁環(huán)?？萍加邢薰?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，因為它們的水力空間有限且扭矩較低。堵塞的后果包括能耗增加、額外維護和緊急搶修，所有這些都會導致更高的運營成本。污水泵制造商一直在努力開發(fā)更好的水力設計，以減少堵塞，同時保持高性能。

自適應N技術水力設計是自清潔 N 型水力設計的演進，旨在應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，同時降低了能耗和計劃外維護成本。

自適應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、學校等場所的污水。該產(chǎn)品也可在工業(yè)污水和雨洪應用中，用于輸送可能含有固體、纖維和其他類型雜質(zhì)的污水。

針對當今污水情況設計的水泵

自 20 世紀初以來，水泵設計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)和原水泵送應用中，泵送介質(zhì)中的堅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)污水泵也設計有大的過流通道以避免堵塞，但事實證明，這對于大多數(shù)污水應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)和纖維狀物體的風險在很大程度上被忽視了。

對現(xiàn)代污水的詳細調(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)徑一樣大的堅硬球形物體。即使此類物體進入污水系統(tǒng)，它們通常也會沉積或滯留在流速較低的區(qū)域，而不會到達泵體。

一個值得關注的問題：當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)中的大部分應作為垃圾處理，但許多消費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。堅硬且近似球形的物體位于左側(cè)，而柔軟且細長的物體位于右側(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、細長的物體，這些是當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”），從而導致堵塞。

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，因為它不會導致泵停止。泵將繼續(xù)運行，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，這會導致密封件和軸承加速磨損。

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

破除關于通過尺寸的誤區(qū)

過去幾十年的研發(fā)經(jīng)驗結(jié)合數(shù)十萬臺泵安裝的經(jīng)驗表明，單純關注通過尺寸的邏輯是不正確且具有誤導性的。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)葉輪的實驗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

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

這種設計在長期運行中引起巨大的徑向載荷，使軸和軸承需要承受更大的應力，增加振動和噪音。由于葉輪永遠無法平衡，振動會進一步加劇。

這些問題最終導致能耗增加、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。

泵設計師曾假設：

• 旋轉(zhuǎn)的葉輪會在蝸殼內(nèi)產(chǎn)生強烈的渦流，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。其流體動力學特性（流態(tài)與壓力分布）會導致軟性物料在葉片表面吸附聚集，進而使本就偏低的水力效率進一步下降。

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，并最終導致電機過載和泵停機。

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。N 型葉輪具有最新的自清潔設計，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 型水力設計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，葉輪可以設計成多葉片，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，它遠低于圍繞大通過尺寸設計的傳統(tǒng)葉輪。

圖 6：自清潔 N 型葉輪中的堵塞

圖 7：自清潔 N 技術水力設計

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

該自清潔技術的工作原理如下：

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，引導固體排出葉輪。

3. 在小規(guī)格幾何結(jié)構中，專門設計的導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。

得益于排出堅硬物體的能力，自清潔技術顯著減少了計劃外維護并提高了可靠性。通過防止纖維狀物體纏繞前緣并導致軟堵塞，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高效運行，最重要的是，可以在多種頻率下高可靠性地運行。將 N 型水力設計與變頻驅(qū)動器（VFD）配對可以實現(xiàn)更好的過程控制、節(jié)能、更平穩(wěn)的運行并降低維護成本。

自清潔 N 型水力設計的發(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驅(qū)動，如圖 8 所示。當泵啟動時，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，電機產(chǎn)生與電機功率成比例的扭矩。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扭矩。如果最大電機扭矩不足，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硬的雜物推開。對于小型泵尤其如此，因為其扭矩裕度相對較低。為了進一步提高小型 N 泵的功能性，飛力開發(fā)了自適應 N 技術，以降低因扭矩不足導致的硬堵塞風險。

自適應N技術 

采用自適應技術后，N 型葉輪并非全部固定在軸上：它可以軸向上下移動，以響應大塊雜物試圖通過泵時產(chǎn)生的壓差。這種運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硬的雜物能夠順利通過泵，無需額外的電機扭矩。當泵電機在單相電源上運行時（此時可用扭矩進一步降低），其優(yōu)勢更為顯著。

圖 9：運行期間自適應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。

自適應機構利用葉輪上的液壓差工作。與壓力相關的力是 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：正常運行（左）和大塊雜物進入泵時（右）的力分布

當一大塊雜物進入葉輪時，力平衡將與正常運行不同。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。

由于這種自適應運動僅持續(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。這種自適應功能還減少了軸、密封件和軸承的負載，從而延長了它們的使用壽命。

總之，采用自適應 N 技術，配備低扭矩電機的小型泵的自清潔功能得到了顯著改進。最終，可靠運行和持續(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，但它與自適應功能無關。該彈簧在組裝和運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劃的方法。任何設備的完整 LCC 分析包括與該設備相關的所有成本，包括初始投資、安裝、運行、能源、停機、環(huán)境、維護和處置。計算方式中最重要的部分將取決于應用、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。

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

堵塞是計劃外維護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

• 泵水力設計的類型

• 泵運行周期的長度 

• 泵的尺寸

• 電機扭矩和轉(zhuǎn)動慣量

• 日常維護的執(zhí)行情況

由于軟堵塞導致的能耗成本增加  

如上所述，用于污水應用的通道式葉輪泵可能會遭受軟堵塞，并可能在長時間運行周期后跳閘。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計）和自清潔泵（N 型或自適應N技術水力設計）的效率和能耗的影響。

如圖 11a 所示，當傳統(tǒng)泵在污水中連續(xù)運行時，效率下降，能耗逐漸增加。當傳統(tǒng)泵間歇運行時（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)特性和運行周期的可變性，預測這些額外成本很困難。

圖 11：兩種不同運行場景下的傳統(tǒng)泵性能

與自清潔 N 技術污水泵的比較

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，不同類型水力設計的初始投資差異不大。在長運行周期中，初始投資僅占 LCC 的一小部分。此外，計劃維護成本在各種泵選項中將大致相同。與此同時，由于硬堵塞導致的計劃外維護成本將對 LCC 產(chǎn)生更大的影響。

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

無論是每天運行 3 小時還是 12 小時（圖 13 和 14），自適應N葉輪泵在污水應用中具有低的生命周期成本，因為它將最小化計劃外維護。如果考慮軟堵塞造成的額外能耗，自適應N葉輪泵可以節(jié)省的費用甚至超過 LCC 分析所顯示的。除了經(jīng)濟效益外，N 泵還為最終用戶提供了無憂的運行體驗。

圖 13：基于 5 年內(nèi)每天運行 3 小時的簡化 LCC 分析

圖 14：基于 5 年內(nèi)每天運行 12 小時的簡化 LCC 分析

總結(jié)

對最小化運營成本的日益關注，特別是在污水應用中，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計。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險。與傳統(tǒng)水力設計相比，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扭矩有限，在挑戰(zhàn)性的應用中采用 N 技術一直面臨挑戰(zhàn)。為了進一步增強自清潔功能，特別是為了降低扭矩相對較低的泵的硬堵塞風險，N 型葉輪增加了自適應技術。自適應N技術水力設計允許葉輪軸向移動，因此最堅硬的雜物可以通過。大量實驗室和現(xiàn)場測試的結(jié)果表明，自適應N技術水力設計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劃外維護成本的減少。

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