为什么说现在是 S-tube® 叶轮的时代

为什么说现在是 S-tube® 叶轮的时代格兰富S-tube® 叶轮可以在降低能源与输送液体消耗的同时,对更大体积与更高粘度的污水进行长距离输送。
技术分析

这种创新性的 S-tube® 叶轮是从 2012 年引入市场的;然而实事上,早在几十年前就已有水泵设计师在其图纸上绘制出了这一叶轮的基本原理。只是这么多年来一直没有污水泵制造商能够成功地把这一叶轮设计变为现实。由于以往需要运送的废物数量和种类相对较少,因此公用事业供应商几乎很少考虑过水和能源的消耗等细节问题。

只是在过去二十年中,各种因素结合到一起才促使其与 S-tube® 设计关联起来。这些因素包括:环保意识的增强、新的政府法规和指令的出台、以及水、能源和废物运输的成本增加。

公用事业所面临的挑战
在废物运输方面,公共事业公司目前所面临的主要且相互关联的挑战可以概括为:

• 水和能源成本的上升以及更为严格的政府监管体制(例如对消费者使用水和能源征收的环保税)
• 水资源消耗与能源使用的降低
• 现代污水的液体混合减少

促使公共事业公司改变其污水处理方法的主要原因在于水价的上涨(见图 1)。 水价上涨导致消费者减少消费,这意味着污水成分会发生变化,即其中固体成份所占比例较以往增加。

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图 1:污水处理总成本的上涨是迫使全球公共事业公司重新考虑其污水处理方法的一个重要因素。 * 欧元换算(2014 年 4 月 14 日更正)。来源:GWI 水价调查——2013 年更新

政府的法规、标准和指令起了进一步推动的作用。例如,关于泵送装置的欧洲标准EN 752-6:2008 第五条规定:泵送设备应当“在规划和设计时考虑”“能源使用”、“操作和维护的要求”以及“环境影响”等因素。

除了更为严格的使用监管外,能源成本的上升也在进一步促使公共事业公司寻找更为高效的污水输送方法。节水创新导致了新的问题。例如,由于更高效的厕所使用的输送液体较少,因此增加了管道堵塞的风险。

由于存在以下的设计问题,传统的污水泵不仅无法解决堵塞,反而会增加堵塞的风险:

• 废物容易附着在前缘部位
• 管道的弯曲
• 切割机构
• 自由通道较少。

“在污水输送方面,我们面临着两大主要的全球性挑战。”法国一流水务公司,即跨国公司苏伊士环境集团(Suez Environnement Group)下属企业——利安水务集团(Lyonnaise des Eaux)技术支持工程师 Maurice Martaud如此说道。 “第一大挑战集中在消费者社会行为的改变。一方面,这促使人们采用各种节水型装置,以最大限度地降低对水的消耗量;另一方面,也会增加垃圾收集系统中的纤维材料。这些变化对污水泵的水力性能以及管道设计提出了挑战,因为通过污染输送的固体流粘度更高,且更难以运送。

“第二大挑战集中在需要进一步加强对垃圾收集系统的监管,以防止重力下水道、水泵以压力管发生堵塞。”他说道。“堵塞是由于脂肪、沉积物以及较大的碎片混合在一起而导致的。这一问题日益突显出,因此也对服务资源提出了较高的要求。鉴于此,必须尽可能地对各种堵塞的趋势做出预测。”

图片:格兰富 S-tube® 叶轮具有出色的水力效率以及自由通道,可防止水泵……

不同的叶轮,不同的问题
行业针对这些改变与压力所做出的应对措施一般倾向于在条件允许的情况下采用集中化的废物管理系统。作为一种节约能源的方式,变转速泵也变得越来越普及,但流速的降低会增加系统堵塞的的风险,从而影响运行效率和使用寿命。

所有这些都向污水泵的设计师提出了一个难题:如何将比以往更多的废物输送更长的距离,同时减少对水和能源消耗,而且在安装后几乎无需维护。

为了获得更高的可靠性和更出色的水力效率,近几年来研发了各类不同的污水叶轮——涡轮式叶轮、半开式叶轮和密闭式叶轮解决方案,以及上述方式的不同组合。

“客户还需要采购昂贵的附加组件。”格兰富全球产品经理 Mikael Nedergaard 说道。“这些都是为了在污水通过时对其进行引导、切割或处理,但其对于提升长期的可靠性并没有显著的效果。”

S-tube® 叶轮:无需妥协
标准EN 752-6: 2008 中将“优化效率”以及“通过允许固体而不发生堵塞”作为水泵的重要性能。然而,Mikael Nedergaard 指出,厂商“常常会引导客户认为,其在只能在两者间选择一个折衷之法”。作为格兰富污水泵的一大特点,S-tube® 叶轮消除了这一成见,其具有出色的水力效率以及自由通道,可防止水泵发生堵塞。

“采用光滑的 S-tube® 设计替代前缘的主要优点在于不会卡住废物而导致堵塞。”格兰富全球WW 流体与机械主管 Lykholt-Ustrup解释道。

图 2: 这种以颜色编码的图像旨在显示压力是如何作用于典型的 S-tube® 液压表面的(未添加废物)。蓝色标记为最低压力,然后逐渐升高为绿色、黄色至红色,最后在离开叶轮时达到最压力。压力的上升表明运行效率良好,无回流,可以收集固体废物。即使在标识处,即管道最弯曲的地方也不太可能导致 S-tube® 内管发生堵塞,因为这一叶轮设计理念中并没有采用前缘。

“在密闭的 S-tube® 中,其前后板的特殊功能也有助于对进入旋转叶轮与静止泵壳间腔室的泄漏流进行优化。

S-tube® 具有均匀一致的非妥协内径(见图 2),因此不太可能发生堵塞,即使是在现代污水中输送液体较少的情况下也不例外。

“随之而来水力效率的提升有助于减少终端用户的能源成本。”Flemming Lykholt-Ustrup 说道。此外,不采用前缘有利于降低离心泵内部的NPSH,这里是最易发生气穴的地方。”

全面的方法
研究表明于《水泵的生命周期成本》一书:根据欧洲水泵与液压研究所(Europump and Hydraulic Institute)编写的《泵送系统的 LCC 分析指南》(Guide to LCC Analysis for Pumping Systems by the Europump and Hydraulic Institute)显示,初始采购价格在水泵整个生命周期内总成本中所占比例很少有超过 5% 的。电力消耗目前是最重要的因素,其所占比例为 85%,而服务成本可能大约只占 10%。

显然,市场上的一些知名企业已经认识到需要采用全面的方法来实现水泵系统的优化。格兰富的做法是以 iSOLUTIONS [智能解决方案] 为基础,其涵盖了水泵的设计开发、生产、安装、维修、报废和回收等整个生命周期。

Mikael Nedergaard指出,客户反馈是这一方法的关键所在。

“产品的开发过程需要终端客户的参与,这旨在确保最终产品的解决方案能够满足客户的需求。”他说道。 但这并不是促进设计改进的唯一驱动因素,他补充道。例如,经常被顾客低估的一个问题是空气处理(详见下面的图片)。重要的是确保水泵能够处理流体中一定量的空气。格兰富工程师进行了大量的计算流体动力学(CFD)研究,以对可能发生空气聚积的关键部位进行优化,从而在含有或充满空气的介质通过 S-tube® 叶轮时最大限度地避免流量的减少。

图片: 在这项多阶段计算流体动力学模拟中,两种叶轮的大小相似,仅在外形上存在轻微的几何差异(几毫米)。两种叶轮的液体流量是相同的,即持续向水流中添加 8% 的空气。圈出的区域显示了每种叶轮中所聚积的气泡,以其特定设计可对空气处理进行怎样的优化。

总结
现代污水管理系统必须能够在降低能源与输送液体消耗的同时,对更大体积与更高粘度的污水进行长距离输送。这需要离心泵同时兼具出色的防堵性能与水力效率,拥有更长的使用寿命以及最大限度地减少所需的维护。这种传统的管道概念通过21世纪技术熟练的现代工程师进行优化以及根据终端用户的反馈进行改良后,被证明是最为有效的全面解决方案。





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