Адаптивное рабочее колесо N канализационного насоса Xylem помогает небольшим канализационным насосам решать проблемы засорения

Адаптивное рабочее колесо N помогает небольшим канализационным насосам решать проблемы засорения

Засорение — распространённая проблема при перекачке сточных вод, особенно для небольших насосов из-за ограниченного гидравлического пространства и низкого крутящего момента. Засорение приводит к увеличению энергопотребления, необходимости дополнительного обслуживания и аварийного ремонта, что в совокупности ведёт к увеличению эксплуатационных расходов. Производители насосов для сточных вод постоянно разрабатывают более совершенные конструкции гидравлических систем, чтобы снизить риск засорения и сохранить высокую производительность.

Гидравлическая конструкция с технологией Adaptive N, являющаяся усовершенствованной версией самоочищающейся гидравлической конструкции N-типа, разработана для решения проблемы предотвращения засоров в небольших насосах. Она обеспечивает значительное повышение надежности насосной системы, одновременно снижая энергопотребление и внеплановые расходы на техническое обслуживание.

Импеллерный насос Adaptive N может устанавливаться на канализационных насосных станциях с решетками или без них и используется для перекачки сточных вод из жилых домов, коммерческих зданий, больниц, школ и других объектов. Его также можно использовать в промышленных и ливневых системах для перекачки сточных вод, содержащих твердые частицы, волокна и другие виды загрязнений.

Установлен насос Flygt Concertor 6020 с технологией Adaptive N.

на городской насосной станции по перекачке сточных вод.

Насосы, разработанные для современных условий перекачки сточных вод

С начала XX века конструкторы насосов стремились уменьшить засорение за счёт увеличения расхода. В горнодобывающей промышленности, промышленности и перекачке сырой воды наиболее распространённой причиной засорения являются твёрдые частицы и сферические объекты в перекачиваемой среде. Широкие каналы рабочего колеса облегчают прохождение этих частиц через насос. Хотя обычные насосы для сточных вод проектируются с большими проточными каналами для предотвращения засорения, для большинства применений в области перекачки сточных вод это оказалось неоптимальным.

В то же время риски, связанные с мягкими и волокнистыми предметами — наиболее распространенными твердыми частицами в городских сточных водах, — во многом игнорируются.

Подробные исследования современных сточных вод показывают, что в них практически никогда не встречаются твёрдые сферические предметы, диаметр которых превышает внутренний диаметр трубопровода. Даже попадая в систему сточных вод, такие предметы обычно оседают или накапливаются в областях с низкой скоростью потока, не достигая насоса.

Серьёзная проблема: современные сточные воды содержат всё больше мягких частиц. Примером может служить всё больше предметов домашнего обихода и личной гигиены, включая бумажные полотенца, влажные салфетки, тряпки, кухонные полотенца и другие волокнистые предметы. Хотя большую часть этих материалов следует выбрасывать как мусор, многие потребители смывают их в унитаз. В результате в сточных водах оказывается больше волокнистых, не поддающихся биологическому разложению материалов, что ещё больше снижает производительность насоса.

Рисунок 1: Вероятность обнаружения различных типов твердых веществ в сточных водах

На рисунке 1 представлена ​​концептуальная иллюстрация вероятности обнаружения различных типов твердых частиц в сточных водах. Твёрдые, почти сферические объекты показаны слева, а мягкие, вытянутые объекты — справа. Как и во многих системах, вероятность обнаружения очень крупных объектов (сферических или вытянутых) очень низкая. Важной особенностью является асимметричность кривой распределения: она склоняется в пользу мягких, вытянутых объектов, которые в настоящее время чаще всего встречаются в сточных водах.

Мягкая и жесткая блокировка

Исследования показали, что проблемы засорения в первую очередь вызваны волокнистым мусором, который имеет тенденцию запутываться вокруг передних кромок обычных импеллеров. Волокна обвивают эти кромки и загибаются по бокам лопаток. На прямых и умеренно изогнутых передних кромках мусор не отламывается, а продолжает накапливаться. Это накопление образует крупные комки твёрдого материала (иногда называемые «комками ткани»), которые могут привести к засорению.

По мере постепенного накопления мусора вокруг передней кромки рабочего колеса свободный путь для потока воды уменьшается, и производительность насоса снижается. Это явление называется «мягким засором», поскольку оно не приводит к остановке насоса. Насос продолжает работать, но производительность несколько снижается. Типичным следствием мягкого засора является увеличение времени работы насоса для перекачки заданного объема сточных вод. Насос с мягким засором также менее эффективен, чем насос без засора. Следовательно, мягкий засор увеличивает потребление энергии. Еще одним следствием мягкого засора является повышенный уровень вибрации, который может ускорить износ уплотнений и подшипников.

Небольшие посторонние предметы также могут застрять между улиткой и рабочим колесом, вызывая дополнительное трение. Двигатель должен обеспечивать больший крутящий момент для компенсации тормозного эффекта, что требует большей входной мощности. Как только рабочий ток превышает ток отключения (что приводит к перегрузке двигателя), насос останавливается. Это называется сильным заклиниванием. Сильное заклинивание также может произойти, когда мягкий заклинивающий материал образует заметную массу. Основным последствием сильного заклинивания является простой и необходимость внепланового ремонта для устранения заклинивания и повторного запуска насоса, что увеличивает эксплуатационные расходы.

Развенчание мифов о размере пропускной способности

Десятилетия исследований и разработок, а также сотни тысяч установленных насосов показали, что ориентироваться исключительно на производительность некорректно и вводит в заблуждение. Тем не менее, этот подход по-прежнему широко применяется в спецификациях для покупки насосов для сточных вод. Отзывы пользователей и лабораторные испытания стандартных рабочих колёс дали следующие результаты:

Противозасорные свойства Channel Hydraulics

Канальные импеллеры представляют собой одно- или многолопастные центробежные колеса замкнутого цикла с большой пропускной способностью. Они высокоэффективны при перекачке чистой воды, но подвержены засорению при перекачке сточных вод.

Рисунок 2: Пример однолопастного рабочего колеса

Гидравлика канала спроектирована для достижения оптимальной устойчивости к засорению в точке максимальной эффективности насоса (BEP). Таким образом, устойчивость к засорению снижается по мере удаления рабочей точки от BEP. Постепенное накопление волокнистого материала на передней кромке (рис. 3) приводит к снижению эффективности насоса значительно ниже значения, полученного при заводских испытаниях для чистой воды, что является типичным следствием слабого засорения.

Такая конструкция создаёт значительные радиальные нагрузки при длительной эксплуатации, увеличивая нагрузку на вал и подшипники, что приводит к увеличению вибрации и шума. Поскольку рабочее колесо невозможно идеально отбалансировать, вибрация ещё больше усиливается.

Эти проблемы в конечном итоге приводят к повышенному потреблению энергии, чрезмерному износу и сокращению срока службы насоса.

Рисунок 3: Засорение канала рабочего колеса

Сопротивление засорению вихревой гидравлики

Вихревые рабочие колеса расположены на расстоянии от корпуса насоса, что обеспечивает достаточное спиральное пространство, но неэффективны при перекачке как чистой, так и грязной воды.

Конструкторы насосов предполагали:

• Вращающееся рабочее колесо создает сильный вихрь внутри улитки, выкачивая жидкость и любой мусор.

• Вихревое рабочее колесо будет работать как преобразователь крутящего момента, передавая энергию от рабочего колеса к перекачиваемой среде с небольшим или нулевым обменом жидкости.

• Поскольку рабочее колесо находится вне пути потока жидкости, предметы никогда не соприкасаются с рабочим колесом, и насос не засоряется.

Рисунок 4: Пример вихревого рабочего колеса

Однако вихревые рабочие колеса работают так же, как и другие центробежные рабочие колеса, то есть энергия передается среде через лопатки. Поэтому многолопастные вихревые рабочие колеса очень чувствительны к мягкому засорению ступицы и передней кромки. Гидродинамика (характер потока и распределение давления) может привести к накоплению мягких материалов на поверхностях рабочих колес, что еще больше снижает и без того низкий гидравлический КПД.

Кроме того, в вихревых насосах часто наблюдается значительное скопление твердых частиц в улитке, что приводит к дополнительным потерям, повышенному расходу электроэнергии и, в конечном итоге, к перегрузке двигателя и отключению насоса.

Рисунок 5: Засорение вихревого импеллера

Защита от засорения современной самоочищающейся гидравлики

Исследования и опыты показали, что проблемы с засорением в первую очередь связаны с трудностями отвода насосом волокнистых частиц, налипших на переднюю кромку рабочего колеса. Рабочее колесо типа N имеет современную самоочищающуюся конструкцию, разработанную в ответ на эти результаты. Благодаря резко скошенной горизонтальной передней кромке и разгрузочной канавке гидравлическая конструкция типа N зарекомендовала себя как решение большинства проблем с засорением. Кроме того, без необходимости создания больших проточных каналов рабочее колесо может быть спроектировано с несколькими лопастями, что способствует снижению радиальных сил, улучшению баланса и повышению эффективности.

На рисунке 6 показана вероятность засорения рабочего колеса N-типа, которая значительно ниже, чем у обычных рабочих колес, рассчитанных на большие размеры потока.

Рисунок 6: Засорение самоочищающегося импеллера N-типа

Рисунок 7: Самоочищающаяся гидравлическая конструкция с технологией N

На рисунке 7 показана гидравлическая конструкция N-типа, которая состоит из полуоткрытого рабочего колеса N-типа и вставного кольца с направляющими штифтами.

Технология самоочистки работает следующим образом:

1. Лопасти рабочего колеса N-типа с их стреловидными горизонтальными передними кромками обеспечивают самоочистку, сметая твердые частицы с центра вставного кольца к внешнему краю.

2. Разгрузочные канавки во вставном кольце работают совместно с горизонтальной передней кромкой, направляя твердые частицы из рабочего колеса.

3. В насосах меньшей геометрии специально разработанные направляющие штифты захватывают любые волокна, скопившиеся около ступицы рабочего колеса, и позволяют лопастям выталкивать их из насоса по разгрузочным канавкам.

Благодаря способности отбрасывать твердые предметы, технология самоочистки значительно сокращает необходимость внепланового обслуживания и повышает надежность. Предотвращая наматывание волокнистых предметов на переднюю кромку и засорение, рабочее колесо типа N обеспечивает стабильно высокую эффективность в течение длительного времени, тем самым снижая потребление энергии.

В отличие от канальной гидравлики, антизасоряющие свойства самоочищающейся гидравлики N-типа основаны на механическом принципе и не зависят от колебаний расхода. Благодаря этому насос может эффективно работать в различных точках кривой производительности и, что особенно важно, с высокой надёжностью в широком диапазоне частот. Сочетание гидравлической конструкции N-типа с частотно-регулируемым приводом (ЧРП) обеспечивает более эффективное управление процессом, энергосбережение, более плавную работу и снижение затрат на техническое обслуживание.

Разработка самоочищающейся гидравлической конструкции N-типа

Ограниченный крутящий момент в малых насосах

Погружные насосы Обычно приводятся в действие электродвигателем, непосредственно соединённым с рабочим колесом насоса, как показано на рисунке 8. При запуске насоса ток поступает в обмотки статора, создавая вращающееся магнитное поле, которое вращает ротор через вал. В результате двигатель создаёт крутящий момент, пропорциональный его мощности. Крутящий момент — это физическая величина, определяющая тенденцию силы вращать тело вокруг оси или точки.

Рисунок 8: Схема крутящего момента

Как уже упоминалось, предметы, проходящие через самоочищающийся насос N, проталкиваются по разгрузочной канавке. Поскольку зазор между лопатками рабочего колеса и вставным кольцом очень мал, всего несколько десятых миллиметра, крупные частицы мусора проталкиваются через разгрузочную канавку. При этом возникает дополнительное трение, которое тормозит рабочее колесо и замедляет его вращение. Насосу требуется дополнительный крутящий момент для преодоления этого дополнительного трения, что означает необходимость в более высоком крутящем моменте двигателя. Если максимального крутящего момента двигателя недостаточно, мусор застревает, и насос останавливается. Это называется «жестким заклиниванием».

Поскольку двигатели, используемые в погружных насосах для сточных вод, обычно не имеют существенного перевеса, максимальный крутящий момент, доступный на полной мощности, может быть недостаточным для удаления даже самых стойких загрязнений. Это особенно актуально для небольших насосов, которые часто имеют относительно небольшой запас крутящего момента. Для дальнейшего повышения функциональности небольших насосов серии N компания Flygt разработала технологию Adaptive N, снижающую риск серьёзных заклиниваний, вызванных недостаточным крутящим моментом.

Адаптивная N-технология

Благодаря технологии Adaptive N рабочее колесо типа N не полностью закреплено на валу: оно может перемещаться вверх и вниз в осевом направлении в ответ на перепад давления, создаваемый крупным мусором, проходящим через насос. Это движение временно увеличивает зазор между лопастями рабочего колеса и вставным кольцом. Это позволяет пропускать через насос даже самые крупные куски ткани и самые твердые частицы, не требуя дополнительного крутящего момента двигателя. Это преимущество еще более заметно при работе двигателя насоса от однофазной сети, где доступный крутящий момент еще больше снижается.

Рисунок 9: Положение адаптивного N-образного рабочего колеса во время работы

Как показано на левой стороне рисунка 9, в большинстве случаев импеллер Adaptive N работает точно так же, как и обычный импеллер типа N. Однако при необходимости импеллер поднимается вверх для пропуска более крупного мусора, как показано на правой стороне рисунка 9.

Адаптивный механизм работает, используя перепад гидравлического давления на рабочем колесе. Сила, зависящая от давления, равна F=PxA, где P — давление, а A — площадь, на которую действует давление. На рисунке 10 показано, как сумма сил определяет положение рабочего колеса.

В левой части рисунка 10 представлена ​​концептуальная схема распределения гидравлического давления по рабочему колесу в слабозагрязнённых сточных водах. У основания рабочего колеса давление, направленное вверх, увеличивается с увеличением радиуса, поэтому сила увеличивается от центра рабочего колеса к краю. В то же время, в верхней части рабочего колеса, более высокое давление равномерно распределяется по всему диску рабочего колеса. Результирующая сила, действующая на рабочее колесо, направлена ​​вниз, что позволяет поддерживать рабочее колесо в нормальном рабочем положении.

Рисунок 10: Распределение силы при нормальной работе (слева) и при попадании в насос крупного мусора (справа)

При попадании в рабочее колесо крупного мусора баланс сил нарушается. Как показано на правой стороне рисунка 10, у основания рабочего колеса к гидравлической силе добавляется постепенно возрастающая сила, направленная вверх. Когда сила, направленная вверх, превышает силу, направленную вниз, рабочее колесо начинает двигаться вверх, и зазор между рабочим колесом и вставкой увеличивается. Когда зазор становится достаточно большим, мусор проходит через рабочее колесо. Затем сила, направленная вверх, уменьшается, и рабочее колесо возвращается в исходное рабочее положение.

Поскольку это адаптивное движение длится всего доли секунды, кратковременное увеличение мощности не оказывает существенного влияния на общую эффективность насоса. Эта адаптивная функция также снижает нагрузку на вал, уплотнения и подшипники, тем самым продлевая их срок службы.

Подводя итог, можно сказать, что технология Adaptive N значительно улучшает самоочистку небольших насосов, оснащенных двигателями с низким крутящим моментом. В конечном итоге, надежная работа и стабильно высокая эффективность снижают общую стоимость владения.

Примечание: Хотя в ступице импеллера имеется пружина, она не связана с функцией адаптации. Эта пружина фиксирует импеллер во время сборки и транспортировки, предотвращая возможные повреждения до установки.

Анализ стоимости жизненного цикла (LCC) для небольших насосов для сточных вод

Анализ стоимости жизненного цикла (LCC) — это методология, используемая для определения общей стоимости системы на протяжении всего её жизненного цикла или для сравнения инвестиционных планов. Полный анализ LCC любого оборудования включает все затраты, связанные с оборудованием, включая первоначальные инвестиции, установку, эксплуатацию, энергозатраты, простои, экологические расходы, техническое обслуживание и утилизацию. Наиболее важные составляющие расчёта зависят от области применения, местоположения, трудозатрат и энергозатрат — факторов, которые могут значительно различаться в зависимости от рынка.

При оценке вариантов насосов для сточных вод часто применяется упрощённый анализ. В этом случае наиболее значимыми факторами являются первоначальные инвестиции, энергозатраты и расходы на техническое обслуживание (особенно на внеплановое). Остальные факторы можно исключить из анализа.

Засорение — наиболее значимый фактор внеплановых расходов на техническое обслуживание. Количество засоров насоса на насосной станции может значительно варьироваться. Наиболее распространённые причины:

• Тип перекачиваемой среды

• Тип гидравлической конструкции насоса

• Продолжительность рабочего цикла насоса

• Размер насоса

• Крутящий момент двигателя и момент инерции

• Выполнение планового технического обслуживания

Увеличение затрат на электроэнергию из-за мягкого засорения

Как упоминалось выше, насосы с канальным импеллером, используемые для перекачки сточных вод, могут страдать от мягкого засорения и отключаться после длительного рабочего цикла. Однако насосы с вихревым импеллером, столкнувшиеся с мягким засорением, могут продолжать работать благодаря большему объёму внутри корпуса насоса. Этот больший объём способствует накоплению большего количества твёрдых частиц по сравнению с другими типами импеллеров. В любом случае мягкое засорение снижает КПД насоса и приводит к сильному засорению.

На рисунке 11 показано влияние слабого засорения на эффективность и энергопотребление обычного насоса (канальная или вихревая гидравлическая конструкция) и самоочищающегося насоса (гидравлическая конструкция N-типа или адаптивной N-технологии) с течением времени.

Как показано на рисунке 11a, при непрерывной работе обычного насоса в сточных водах его эффективность снижается, а энергопотребление постепенно увеличивается. Аналогичная тенденция наблюдается при периодической работе обычного насоса (рисунок 11b), хотя обратная промывка может временно повысить эффективность. Напротив, на рисунке 11c показано, что самоочищающийся насос сохраняет стабильные эффективность и энергопотребление как при непрерывной, так и при периодической работе в сточных водах, что обеспечивает минимальное энергопотребление с течением времени.

Увеличение энергетических затрат из-за мягкого засорения легко измерить на месте. Однако прогнозирование этих дополнительных затрат затруднено из-за изменчивости свойств фильтрующей среды и рабочих циклов.

Рисунок 11: Сравнение производительности обычного насоса и самоочищающегося насоса с N-технологией для сточных вод при двух различных сценариях эксплуатации

Упрощенный пример сравнения LCC

В следующем примере представлен упрощенный анализ стоимости жизненного цикла (LCC), сравнивающий затраты трех типов насосов при коротких и длинных часах ежедневной работы:

*Стоимость энергии может значительно различаться в зависимости от страны.

**Данные об эффективности и удельном потреблении энергии основаны на кривых производительности насосов Flygt.

В этом примере первоначальные инвестиции для различных гидравлических схем существенно не различаются. При длительных рабочих циклах первоначальные инвестиции составляют лишь малую часть от общей стоимости жизненного цикла (LCC). Более того, плановые расходы на техническое обслуживание будут примерно одинаковыми для различных вариантов насосов. В то же время внеплановые расходы на техническое обслуживание, связанные с сильными засорами, окажут большее влияние на общую стоимость жизненного цикла (LCC).

При эксплуатации насосов с канальным рабочим колесом по 12 часов в сутки в течение пяти лет (рис. 14) его внеплановые расходы на техническое обслуживание в пять раз превышают первоначальные инвестиции. Для сравнения, расходы на техническое обслуживание насосов с адаптивным рабочим колесом типа N составляют всего 60% от первоначальных инвестиций. Хотя ожидается, что насосы с вихревым рабочим колесом потребуют меньше обслуживания, чем насосы с канальным рабочим колесом, их более низкая эффективность по сравнению с насосами с другими гидравлическими конструкциями приведет к более высоким энергозатратам. При этом не учитываются дополнительные энергозатраты, вызванные слабым засорением, которое трудно предсказать и поэтому не учитывается в расчете стоимости жизненного цикла (LCC) или в данных графиках. С учетом этого вихревой гидравлический насос будет потреблять больше энергии, чем два других гидравлических варианта.

Независимо от того, работает ли насос с импеллером Adaptive N-type 3 или 12 часов в день (рисунки 13 и 14), он обеспечивает самую низкую стоимость жизненного цикла в системах сточных вод, поскольку сводит к минимуму необходимость внепланового обслуживания. С учётом дополнительных затрат на электроэнергию, вызванных засорением, экономия, получаемая при использовании насоса с импеллером Adaptive N-type, даже превышает ту, что показана в анализе стоимости жизненного цикла (LCC). Помимо экономической выгоды, насос N-type обеспечивает бесперебойную работу для конечного пользователя.

Рисунок 12: Пример насосной станции с мокрым колодцем, оборудованной двумя небольшими канализационными насосами

Рисунок 13: Упрощенный анализ LCC на основе 3 часов ежедневной работы в течение 5 лет

Рисунок 14: Упрощенный анализ LCC на основе 12 часов ежедневной работы в течение 5 лет

Краткое содержание

Растущее внимание к минимизации эксплуатационных расходов, особенно в системах сточных вод, обусловило спрос на насосы с повышенной устойчивостью к засорению и более высокой эффективностью. Двадцать пять лет назад компания Flygt разработала самоочищающуюся гидравлическую конструкцию для решения этой проблемы. Полуоткрытое рабочее колесо типа N со стреловидной горизонтальной передней кромкой и разгрузочными канавками значительно снижает риск засорения. По сравнению с традиционными гидравлическими конструкциями, насос типа N обеспечивает стабильно высокую эффективность и повышенную надежность. Благодаря этому самоочищающийся насос типа N приобрел популярность во всем мире.

Из-за ограниченных габаритов и крутящего момента двигателя небольших канализационных насосов внедрение технологии N-типа в самых сложных условиях оказалось непростой задачей. Для дальнейшего улучшения функции самоочистки, в частности, для снижения риска сильного засорения в насосах с относительно низким крутящим моментом, рабочее колесо N-типа оснащено адаптивной технологией. Адаптивная гидравлическая конструкция N-типа позволяет рабочему колесу перемещаться в осевом направлении, пропуская даже самые стойкие загрязнения. Обширные лабораторные и полевые испытания показали, что гидравлическая конструкция с адаптивной технологией N эффективно решает проблемы как слабого, так и сильного засорения в небольших насосах.

Кроме того, анализ LCC демонстрирует значительный потенциал экономии затрат при использовании насосов с импеллером Adaptive N. В большинстве случаев эта экономия достигается за счёт снижения энергопотребления и сокращения внеплановых расходов на техническое обслуживание.