Инженерный департамент компании Xylem
Диаметр условного свободного прохода насосов сточных вод часто используют для определения сопротивления засорению, несмотря на то, что все полученные данные показывают неприемлемость такого измерения. Засор является критическим и крайне нежелательным аспектом эксплуатации насосов сточных вод, приводящим к повышенным эксплуатационным издержкам и аварийным вызовам от конечного пользователя. Засоры резко снижают производительность насоса и приводят к его аварийным остановам.
Требованием номер один к насосу сточных вод является его способность перекачивать сточные воды без засоров. Данная статья основана на результатах многолетних исследований, доказывающих важное значение конструкции всасывающей линии насоса для обеспечения работы без засоров, а также насколько дезориентирующим параметром является диаметр условного свободного прохода насоса в отношении определения стойкости к засорению.
Историческая ретроспектива
Диаметр условного свободного прохода традиционно связывают со свободным протеканием среды через рабочее колесо насоса. Он определяется размером самого крупного твердого сферического тела, способного пройти через насос. Это старое представление, бытовавшее еще в 1915 г, когда затратам на энергию не придавали столько значения, как в наши дни. Производители насосов приблизительно предположили, что засоров можно избежать при диаметре внутреннего прохода равном или большем, чем размеры отходов, способных попасть в систему канализации того времени. Промышленники также считали, что отходы будут проходить через насос так же свободно, как через трубы.
Такое конструктивное решение называли конструкцией с большим или максимизированным размером сквозного прохода. Предполагалось, что больший диаметр прохода способствовал повышению надежности и уменьшал количество незапланированных аварийных вызовов. Мы назовем этот вид гидравлических конструкций традиционным.
Сегодня в нашем распоряжении – исследования и разработки последних десятилетий, а также опыт эксплуатации сотен тысяч насосных агрегатов. Они доказывают что расчеты, основанные на диаметре сквозного прохода, неправильны и вводят в заблуждение конечного пользователя. К сожалению, этот подход до сих пор широко распространен в снабженческих спецификациях по насосам сточных вод.
Как производители насосов добиваются увеличения диаметра прохода?
Самое узкое место в насосе – проход через рабочее колесо.
Существуют два основных типа рабочих колес, допускающих увеличение диаметра условного свободного прохода:
- канальные рабочие колеса – открытого или закрытого типа, предназначенные, в основном, для небольших насосов;
- вихревые рабочие колеса – также известные как скрытые или рабочие колеса с вихревым потоком.
Эти конструкции имеют следующие недостатки:
- относительно низкая производительность (может быть повышена за счет увеличения количества лопастей);
- значительные радиальные усилия при вращении (приводят к высоким нагрузкам на вал и подшипники, к повышенной вибрации и шуму);
- сложность балансировки (рабочее колесо во время эксплуатации заполняется водой);
- регулировка рабочего колеса вызывает дополнительный дисбаланс.
Недостаток вихревого рабочего колеса – очень низкая производительность.
Современные сточные воды
В современных сточных водах, в отличие от стоков прошлых веков, мало твердых, прочных, округлых предметов, размеры которых столь же велики, как внутренний диаметр трубопровода. Камень, кирпич или металл встречаются редко и часто вообще не доходят до насоса. Они застревают на ровной горизонтальной поверхности, где жидкость застаивается или скорость переноса мала.
Большинство твердых предметов в муниципальной канализации являются органическими и состоят из жгутов волос и волокнистых материалов. В стоках много синтетических материалов и искусственных волокон. Люди активно пользуются средствами гигиены: туалетной бумагой, одноразовыми салфетками и полотенцами. Но забывают, что эти средства следует выбрасывать в мусорные корзины или компостные ямы. Вместо этого их смывают в унитаз. Так синтетические волокна попадают в поток сточных вод.
График на рис. 3 составлен по оценкам экспертов, он отображает вероятность нахождения в сточных водах различных типов объектов. Слева показаны твердые округлые предметы – камень, гравий, песок, щебенка, ил и др. Справа – включения различных размеров и форм, от округлых до очень объемных и длинных. Кривая распространения показывает лишь очень малую вероятность нахождения больших твердых предметов по сравнению с малыми твердыми частицами и разными – малыми и большими, мягкими и волокнистыми – органическими объектами.
Современные загрязнения VS традиционная технология
Волокнистые включения застревают в традиционных рабочих колесах, даже если диаметр условного свободного прохода превосходит их размеры. Ниже показано, что проблемной точкой является направляющая кромка лопасти рабочего колеса. Все типы традиционных рабочих колес имеют от одной до нескольких направляющих кромок.
Мягкие, твердые и волокнистые включения с перекачиваемыми стоками постоянно поступают в насос. Некоторые из них наталкиваются на направляющую кромку лопастей рабочего колеса. Волокна обычно налипают на кромку и откладываются внахлест по обеим сторонам лопасти. На прямых и умеренно изогнутых направляющих кромках лопастей эти отложения не срываются потоком, а вместо этого продолжают накапливаться. Эти накопления постепенно создают большие комки и связки относительно твердых органических материалов. Такие объекты скапливаются в рабочем колесе традиционной конструкции. Далее возможны следующие сценарии.
1. Сквозной проход для жидкости ограничивается осевшими загрязнениями. Расход потока, проходящего через насос, соразмерно уменьшается. Это обычно ведет к снижению производительности. Такое явление называется мягким или частичным засором, поскольку насос продолжает работать. Однако перекачивание равного объема жидкости при загрязненном рабочем колесе занимает больше времени, чем при чистом.
2. Потребляемая мощность увеличивается по мере того, как загрязнения накапливаются в улитке насоса и создают сопротивление потоку. Сопротивление приводит к снижению производительности и риску останова электродвигателя насоса по перегрузке. Отложения действуют как сопротивление потоку, увеличивающее потребляемую мощность. Когда рабочий ток превысит ток срабатывания автомата отключения, насос будет выключен по причине сильного засора.
Пониженная производительность насоса чревата увеличением эксплуатационных расходов для конечного пользователя. Ведь насос должен работать дольше, чтобы справиться с притоком. Перегрузка электродвигателя насоса или его останов также увеличат затраты потребителя, поскольку потребуют вызова на насосную станцию специалиста по техобслуживанию для чистки и перезапуска насоса.
Что касается насосов, работающих с перерывами, промывка обратным потоком должна производиться естественным образом при каждом выключении насоса. Это очищает направляющие кромки рабочего колеса и смывает отложения через всасывающий патрубок насоса обратно в приямок. Эффект вымывания загрязнений возникает как в системах с запорными клапанами, так и без них.
На рис. 8 показаны типы твердых включений, которые могут проходить через традиционное рабочее колесо с большим диаметром условного свободного прохода. Зеленая область указывает объекты с высокой вероятностью прохождения через насос. Красная область указывает на повышенную вероятность засорения.
Некоторые конструкторы гидросистем утверждают, что вихревые рабочие колеса являются самоочищающимися, поскольку после обратной промывки они освобождаются от отложений. На практике дело обстоит совсем не так. Даже если обратная промывка освобождает рабочее колесо от волокнистых загрязнений, они снова возвращаются во время эксплуатации в штатном режиме. А это приводит к значительному снижению производительности и увеличению затрат на электроэнергию.
Современные конструкции гидравлической части насоса
В наше время существуют лучшие и более совершенные конструкции гидравлической части насоса. Они позволяют повысить засороустойчивость насосов сточных вод и обеспечить их длительную эффективную эксплуатацию.
Современные самоочищающиеся конструкции со стреловидным дизайном направляющих кромок лопастей и разгрузочной канавкой стали проверенным решением большинства проблем засорения. Этот тезис подтверждается практическим опытом.
В конце 1990-х годов компания Flygt разработала стандартный тест на засорение. Он используется для испытаний многих типов рабочих колес, а также для проверки инновационных конструкций. Компания протестировала огромное количество установленных насосов сточных вод и проанализировала все полученные данные. Накопленный багаж знаний использовался при разработке нового типа самоочищающихся рабочих колес.
Более 15 лет опытных разработок дали свой результат. Специалисты Flygt усовершенствовали насосы для сточных вод таким образом, что их продукция превосходит все традиционные конструкции.
Самоочищающихся рабочие колеса, разработанные Flygt, эффективны для всех рабочих режимов, в том числе и с пониженной скоростью вращения рабочего колеса насоса. Функция перекачивания жидкости отделена от функции перемещения твердых объектов. Эта самоочищающаяся гидравлическая конструкция не накапливает типичные загрязняющие включения, присутствующие в современных сточных водах.
Как же новая конструкция решает проблему с засором? Твердые и длинноволокнистые включения, прежде всего, попадают на направляющие кромки рабочего колеса. Далее, под действием центробежных сил они непрерывно соскальзывают по ним к периферии улитки и с помощью разгрузочной канавки выводятся из насоса.
На рис. 11 показан результат использования самоочищающегося рабочего колеса со стреловидной формой направляющих кромок и разгрузочной канавкой. Зеленая область отображает высокую вероятность, что насос справится с данным типом и размером загрязнений. Красная область отображает повышенную вероятность засорения. Зеленая область значительно больше, чем в традиционных насосах с большим диаметром условного свободного прохода (как показано на рисунке рис. 8).
Насос с самоочищающейся гидравлической конструкцией не позволяет накапливаться загрязняющим включениям сточных вод. Он высоко производителен и устойчив к засорам. Результатом является снижение стоимости эксплуатации, технического обслуживания и ремонта.
Засоры значительно влияют на затраты при продолжительной эксплуатации насоса
Если насос рассчитан на продолжительную эксплуатацию, частые засоры станут постоянной и неприятной расходной статьей бюджета. Но удачные технические решения помогут снизить общую стоимость владения насосным оборудованием.
Общие затраты на эксплуатацию насоса можно разделить на три части:
- капитальные затраты, связанные с технологическими разработками, проектированием, конструированием, поставкой оборудования, установкой и вводом в эксплуатацию;
- эксплуатационные затраты: расход электроэнергии, техническое обслуживание, оплата труда;
- незапланированные расходы: неисправности и простои из-за поломки и засорения насосов, затопления насосной станции, аварийных вызовов специалистов, аккумулирования стока, переливов, затопления подвалов и разливы стоков.
Из-за того, что эксплуатационные и незапланированные издержки составляют большую часть расходов, наилучшим решением станет приобретение хорошо сконструированной насосной станции с насосами, которые не подвержены засорам, надежны и эффективны в потреблении электроэнергии.
Вывод
Диаметр условного свободного прохода насоса не является эффективным параметром для обеспечения бесперебойной работы насосов для сточных вод, особенно в современных канализационных системах. Пользователю насоса сточных вод необходим надежный и эффективный насос, как для коротких, так и для длительных циклов работы.
Использование современного насоса с самоочищающейся конструкцией гидравлической части приведет к значительной экономии при эксплуатации, благодаря повышенной сопротивляемости засорам и постоянно высокой эффективности перекачивания сточных вод.