廈門儀邁環保科技有限公司 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，它在泵系統穩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、商業建筑、醫院、學校等場所的污水。該產品也可在工業污水和雨洪應用中，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、工業和原水泵送應用中，泵送介質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——軟質和纖維狀物體的風險在很大程度上被忽視了。

對現代污水的詳細調查和研究表明，污水中幾乎從不包含直徑與管道系統內徑一樣大的堅硬球形物體。即使此類物體進入污水系統，它們通常也會沉積或滯留在流速較低的區域，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物體。例如，種類不斷增加的家用和個人衛生用品，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在污水中，進一步挑戰了泵的性能。

圖 1：在污水中發現各類固體的可能性

圖 1 是在污水中發現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，而柔軟且細長的物體位于右側。與許多系統一樣，發現極大物體（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葉輪的前緣上。纖維纏繞在這些前緣上，并在葉片兩側折疊。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。這種現象稱為軟堵塞，因為它不會導致泵停止。泵將繼續運行，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

過去幾十年的研發經驗結合數十萬臺泵安裝的經驗表明，單純關注通過尺寸的邏輯是不正確且具有誤導性的。然而，它在污水泵采購規范中仍然普遍存在。用戶反饋以及對傳統葉輪的實驗室測試得出了以下結果：

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：

• 旋轉的葉輪會在蝸殼內產生強烈的渦流，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，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。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代自清潔水力的抗堵塞性

研究和調查表明，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，正是針對這些發現而開發的。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。

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的中心掃向外緣來實現自清潔。

2. 位于鑲嵌環中的卸荷槽與水平前緣共同作用，引導固體排出葉輪。

3. 在小規格幾何結構中，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動器（VFD）配對可以實現更好的過程控制、節能、更平穩的運行并降低維護成本。

自清潔 N 型水力設計的發展

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動，如圖 8 所示。當泵啟動時，電流流入定子繞組并產生旋轉磁場，通過軸帶動轉子旋轉。因此，電機產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。當這種情況發生時，會產生額外的摩擦力，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生的壓差。這種運動暫時增大了葉輪葉片與鑲嵌環之間的間隙。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 左側所示，在大多數情況下，自適應N葉輪的工作方式與常規 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在其生命周期內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可能有很大差異。最常見的因素是：

• 泵送介質的類型

• 泵水力設計的類型

• 泵運行周期的長度 

• 泵的尺寸

• 電機扭矩和轉動慣量

• 日常維護的執行情況

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的空間較大而繼續運行。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硬堵塞。

圖 11 顯示了隨著時間的推移，軟堵塞對傳統泵（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，當傳統泵在污水中連續運行時，效率下降，能耗逐漸增加。當傳統泵間歇運行時（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場測量。然而，由于介質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/地區而有很大差異

**效率和單位能耗數據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 產生更大的影響。

當通道式葉輪泵每天運行12小時持續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。考慮到這一點，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葉輪泵可以節省的費用甚至超過 LCC 分析所顯示的。除了經濟效益外，N 泵還為最終用戶提供了無憂的運行體驗。

圖 13：基于 5 年內每天運行 3 小時的簡化 LCC 分析

圖 14：基于 5 年內每天運行 12 小時的簡化 LCC 分析

總結

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。與傳統水力設計相比，N 泵提供了持續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，在挑戰性的應用中采用 N 技術一直面臨挑戰。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。大量實驗室和現場測試的結果表明，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葉輪泵巨大的節約成本潛力。在大多數情況下，節省來自于更低的能耗和計劃外維護成本的減少。

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