本文介绍了国内外潜水泵（污水泵）的发展历程、技术发展方向及市场应用等，以供参考！

潜水泵简介

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1.1基础理论

潜水泵又称潜水电泵，英文名字Submersible Pump,是一种离心泵和电机合二为一的输送流体之机械。回顾300余年来，从荷兰人丹尼尔·伯努利1738年提出伯努利方程且出版《Hydrodynamique》（流体力学）到17年后瑞士数学家莱昂哈德·欧拉（Leonhard Euler）著作《General principles on the movement of fluids》（流体运动的一般原理）出版且提出理想流体基本方程和连续方程，奠定了离心泵设计的理论基础。

较早提离心泵的是法国工程师Papin，他在1689年发明了可以称之为离心泵雏形的一种机器，并于1705年制造了首台适用于提升液体的泵，该泵采用了多叶片的叶轮和蜗形体的泵壳。

现代意义上第一台离心泵，也是离心泵形成批量及商业化的一个转折点，目前习惯俗称之马萨诸塞泵，其设计者是美国人，于1818年在美国Massachusetts开始批量生产。中开式、双吸叶轮、径向直叶片并配有蜗壳的中开式离心泵，是现代水平中开式的“鼻祖”。

1.2潜水泵问世

19世纪末20世纪初，在蒸汽轮机全盛时期，往复泵几乎统治了泵的应用市场。直到19世纪末，电动机的问世特别是德国人西门子（1866年）研制出实用的高速电动机，美国戈登制造出了输出功率447KW，高3米，重22吨的两相式巨型发电机（1882年）；美国的特斯拉的两相交流发电机（1896年）在尼亚拉发电厂开始发电营运，3750KW，5000V的交流电一直送到40公里外的布法罗市，才使得离心泵能够获得理想动力源。特别是英国的雷诺和德国的普夫莱德雷尔等许多学者的理论研究和实践，离心泵的效率大大提升，它的优越性得以充分发挥，离心泵才得到了广泛的发展，逐步取替离心泵，已成为应用范围广、产量最大的泵。

潜水电泵是离心泵的一种型式，习惯俗称为“水中泵”。伴随着电动机的问世，离心泵得到了广泛的发展，但潜水泵出现的历史相对晚一些。1904年，为适应某些特殊场合如需要井中提水等工况，美国布朗·杰克逊 (Byron Jackson) 公司的工程们设计并制造了泵和电动机卧式连接并可在水下使用的世界上第一台干式(充气式)潜水电泵，取代深井泵，这也是公认的第一个成功的潜水式电机泵(First successful submersible motorpump),也是现代潜水泵的“鼻祖”；1928年，美国布朗·杰克逊 (Byron Jackson) 公司又发明了泵与电动机立式连接的潜水电泵，这是早期的井用潜水电泵。电动机结构分别为充水式、干式和充油式。早期的潜水电泵主要用于给水工业、地铁排水、水力灌溉站和采矿工业等埸合。

20世纪30年代，英国海沃·德泰勒(Hayward Tyler)、德国KSB公司和里茨公司(RITZ)、瑞典飞力公司(Flygt)、美国BJ公司、TRW公司、日本Hitachi公司等相继开始生产深井潜水泵。如德国普渃格公司(Pleuger)研制的深井潜水电泵成功应用于如地下铁道系统排水和提升日常饮用水。潜水泵吸引了许多工程专家和工程技术人员的眼光，普渃格公司的产品在莫斯科地铁、法国、墨西哥和阿根廷的水力灌溉站等许多工程中得到大规模应用。

20世纪40年代末，陆续出现了机泵合一的给、排水用潜水电泵。

 

图1 Sterbery-Flygt公司

如瑞典Sterbery-Flygt公司于1948年首次制造了世界上第一台小型排水用作业面潜水电泵，从根本上简化了泵的型式，简化了潜水电泵的结构，发明了电机轴与泵叶轮直接连接方式，降低了潜水电泵的制造成本近一半，很快成为建筑工业以及采矿工业的主要排水设备。1956年，研发成功并推广了B系列潜水排污泵，用于输送工业流程、生活污水、工业废水等中含有固体颗粒悬浮物或纤维状悬浮物的液体。很快就在市政、环保、轻工、化工、矿山、冶金、制药、 食品等行业推广应用，成为污水处理工程的主要设备之一。

到了20世纪60年代末，德国、美国、英国、芬兰、俄罗斯、日本(鹤见、樱川、荏原等)也都大批量生产作业面潜水电泵。如美国ITT、美国Byron Jackson公司、美国Goulds公司、丹麦Grundfos公司、德国ABS(现隶属瑞典Cardo集团)、德国Pleuger 公司、德国Wilo公司、英国Hayward Tyler 公司、英国Weir公司、日本Hitachih 公司、日本Ebara公司、德国Thyssen公司、德国Ritz和KSB公司等都生产性能优良的潜水电泵产品。

经过近120年的不断改进和发展，潜水电泵这种泵与电动机合一的特殊产品，已成为机械产品的一大门类，成为一个独立的“水中泵”行业，已发展为技术领域中的一门综合技术。 

近年来，由于潜水泵的独特优势和市场对潜水泵认知程度的增加，潜水泵的装机比例在不断提高，应用越来越广泛，已成为主流产品之一，市场用量巨大。

潜入水中泵

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2.1潜水泵种类

目前，潜水电泵的品种包括井用潜水电泵、小型作业面潜水电泵(包括河流用潜水电泵、工程用潜水电泵等)、污水污物潜水电泵、矿用潜水电泵(包括矿用隔爆型和矿用一般型)、潜水螺杆电泵、轴流潜水电泵、高压潜水电泵(包括矿、井用高压潜水电泵和一般用高压潜水电泵)以及海水用、盐场用潜水电泵等。

由于篇幅所限，本文仅介绍环保处理行业常用的污水污物潜水电泵和小型作业面潜水电泵。

2.2作业面潜水泵与潜污泵

作业面潜水泵属于小型潜水泵（单级泵）。由于安装容易、使用方便，在很多场所被广泛使用。是瑞典飞力 （Sterbery-Flygt）1948年首次研制出“作业面潜水泵”；

所谓污水，也就是使用过的水。污水污物潜水电泵，简称潜污泵或污水泵，是无堵塞泵，英文Non clogging pump，国外也称之为高含固率处理泵，是污水处理工程的主要设备之一。据德国BMZ机构的最新一份调查报告显示，全球大约有80%～85%的污水没有经过净化处理,而全球每年排污泵的总销售额在50～65亿欧元之间，这一数字是清水泵的数倍。 

潜污泵又称污水泵，是水处理行业常用设备之一。在水处理和污水处理技术领域中，潜水泵（包含污水泵）是代替其他传统的干式运行（陆上泵）泵最为经济和技术可行的解决方案。尤其是在维护保养和安装过程中，它比其他泵有着独特的优势。由于潜污泵设

置了过滤器和滤网等装置，可以限制大而硬的固体进入泵的入口，软的固体则会设法穿过这些装置，而无论其尺寸大小，这在污水泵的使用过程中有着非同寻常的意义。面对严苛的工作环境，污水泵可以放心地应用于污水收集、泥浆泵送、雨水泵送、陆地排水、池塘排水等。这些液体可以分为有机性、无机性、研磨性和纤维性几种类型。有机污水固体一般是软的，常常还含有或多或少的纤维性材料。无机固体是硬的，而且常常是尖锐的，颗粒较小。

图2 污水处理厂

2.3无堵塞泵与清水泵区别 

无堵塞泵（Non clogging pump）与清水泵的区别，在于将其设计成对于泵的尺寸来说可以通过最大的固体颗粒。虽然有单叶片（无叶片）的叶轮，但是，普通的不堵塞型叶轮却有两个叶片。两个叶片叶轮的叶片很厚，而且在叶片入口处的叶片和盖板之间具有大的圆角。无叶片叶轮没有叶梢，因而不会卡住垃圾。另一方面，由于不对称，所以叶轮本来就是不平衡的。潜水泵也有不堵塞型的，但是，通常并不推荐采用这种泵。

潜水泵之国外技术

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3.1 赛莱默飞力Flygt

3.1.1突破性的创新

潜水排污泵最大的问题就是堵塞，由于其所处理的污水含固率高，同时还含有纤维类物质。针对这种情况，早在1999年，飞力N技术就彻底革新了潜水污水泵。飞力Ｎ叶轮采用了一种独特的设计，该叶轮可以轴向移动，即使在严酷的环境下堵塞物也可以轻松通过。此项新技术可以实现更高的效率输送污水，而不发生堵塞。既不会发生局部堵塞，也不会出现堵塞物停留，污物将随污水一起被输送， 意味着泵保持高效率运行。在兼备效率的同时，除了在防堵塞功能方面下足功夫之外，还可以有效通过介质中存在的所有固体。改良后的泵能保持恒定效率，运行过程中不堵塞，总成本也下降了。这种泵采用双叶片叶轮，可以避免部分堵塞引起的效率损失，不必拆开水泵就可以维持叶轮清洁，很容易维持较高的水力效率。近些年来，赛莱默飞力陆续推出干式安装和数字化的污水泵产品。

Concertor携创是赛莱默飞力真正突破性的创新，能够感知环境工况、实时调整性能并向泵站操作员提供反馈。基于这个新系统，赛莱默现在为污水泵送领域带来了智能和互联的解决方案。

图3 Sterbery-Flygt公司污水泵

图4 Sterbery-Flygt公司半开式无堵塞叶轮

Concertor “携创”将完全集成的控制系统与等效IE4超高效电机、独有的自适应N水力端以及智能功能相结合。控制系统自动适应不断变化的泵送环境，以尽可能低的运行成本提供卓越的性能水平。内置智能还使设置和操作更容易，并且显著减小占地面积。降低总运行成本是飞力Concertor核心设计理念。其设计前提是：只有在超级高效率电机与卓越的水力设计和先进的智能控制装置相结合时，才会实现最高效的泵送。

①可靠。无阻塞水力设计包含无阻塞冷却系统VFD安全运行、螺旋槽保护机封和检查室代替油室。叶片几何形状已经过优化。其入口边缘加工后，能保证叶轮上不会粘上任何东西。

图5 Sterbery-Flygt公司半开式无堵塞叶轮

Non clogging不缠绕叶轮设计特点：叶轮长纤维不会淤积在叶轮上，效率恒定；无阻塞；

水力技术特点：后扫式的叶片进口边使得垃圾在此处不会被“勾住” 。

（1）当叶轮旋转，垃圾被送至释放凹槽处,而后被推向涡壳泵送出去。

水泵开启后，污水中的固体物质通过水的流动，一部分进入叶轮，在叶轮的高速旋转产生的离心力作用下，顺利地进入泵壳而后通过出口排出；而污水中的大部分固体都会通过叶轮与插入环之间的间隙，这是因为运动的叶轮会把固体带到引导销位置，叶片下端与引导销的间隙很小，这样大的固体就会被叶片的前缘刮住，然后会沿后扫式叶片朝出水口的周边滑动（见图6）。

图6 无堵塞叶轮工作状态

（2）一般的固体在叶片的作用下进入释放凹槽，然后离开释放凹槽进入泵壳后被排出。特别大的固体例如旧毛巾、大块破布等进入释放凹槽后，由于固体较大，不会立即离开释放凹槽进入泵壳，处于只是一部分进入释放凹槽，一部分还没有进入状态，那么随着叶片的旋转固体就会来到插入环正常的表面，由于凹槽有空间，固体不会对叶轮抬升，而固体被叶片刮到插入环正常表面后，固体对两者表面实现了挤压，插入环是固定件，该力就全部作用在叶片上，给叶片向上的力，这个力比叶轮自重和向下轴向力之和大得多，叶轮会向上跳动，叶轮与插入环的间隙扩大，在离心力的作用下，固体被甩向叶片出水边，由于插入环上表面高于泵壳下表面，大的固体顺利进入泵壳（见图7）。

图7 无堵塞叶轮工作状态

（3）固体排出。固体被排出间隙后，向上的抬力消失，叶轮在重力和轴向力的作用下，马上回到初始的位置，继续工作，这得益于自清洁型设计。

 1释放凹槽 2叶轮 3插入环 4引导销 5泵壳

图8 Sterbery-Flygt公司半开式无堵塞叶轮

何谓自清洁型设计，也就是N 叶轮的设计允许其在需要时向上方轴向移动,从而允许最粗大的破片和最不易破碎的碎片顺利通过。碎片通过后，水力会让叶轮返回其原位。这是自适应N水力技术工作原理。

N技术及其自适应N水力技术的优点得益于自清洁、抗阻塞的叶轮设计，最大程度地发挥了实用性；持久高效，节能最高可达25%；灵活和模块化的设计，可满足任何应用的需要；最大程度地减少了计划外维护的成本。

正常运行下的液压力分布           碎片通过叶轮时的压力分布

图9 Sterbery-Flygt公司半开式无堵塞叶轮

图10  叶轮移动间隙S

②破碎器模块可切碎坚韧的固体，有效地防止泵堵塞和性能降低。

使用新型切碎插入环后,具备切碎功能。这种泵坚固耐磨,有自清洗功能,能切碎坚硬的固体。既不堵塞也不降低泵的效率。叶轮和插入环都是用专用材料制成的。典型的应用包括农业、水产业、食品加工、制浆造纸和有切碎要求的污水处理。食品加工和鱼加工污水可以使用选择性切刀，农业污水也可使用选择性螺旋送料器。

图11 切碎器

③总效率（电机效率＋水力效率）高且效率恒定。

图12 恒定效率

④高效电机设计

a.潜水电机运行在3/4载荷时的效率最高；

b.电机允许在偏离高效点范围内运行；

图13 Sterbery-Flygt公司高效电机设计

3.1.2 系统解决方案

创新性的污水净化处理工艺技术结合了系统解决方案。赛莱默飞力Flygt 系统解决方案能够把一个个孤岛式的污水净化、污泥焚烧和曝气等设备有机地连接为一个整体，甚至还能够把垃圾场也纳入到“环保型”的系统控制行列之中（图14）。这种解决方案不仅仅是通往污水净化设备的“生物渠道”，而且净水渠道、冷却水通道和有机物污染水的通道也都能连续的受到监控。所有来自水泵的信号都可以通过本地泵站控制器进行监控或通过赛莱默飞力通信单元发送到SCADA系统或发送至智能手机或平板电脑发送至智能手机或平板电脑。

除了相互连接的“中央型”排污设备之外，在生产设备旁还有分散的排污净化装置。它们的主要任务是在集中无害化处理之前对工业垃圾、工业污水进行净化处理和通风排气。这种分散式配置的无害化处理设备在避免高成本的集中处理、简化工业垃圾无害化处理工艺方面有着积极的作用和意义。

图14 “环保型”远程控制

图15基本单元远程管控	图16 地埋式应用

3.2 Grundfos格兰富

3.2.1重载污水泵

图17 立式和卧式潜水污水泵

在叶轮结构方面，包括：闭式S-tube®（闭式叶轮结构），带有一个或两个通道，提供大通径和高效率，是输送低含固量污水的理想选择。

图18 闭式叶轮结构

开式（半开式叶轮结构），可以在更宽的运行范围内提供高效水力效率。这种叶轮可以切割，以支持特定的工况点运行。适合中等以上的含固量的市政污水应用。

图19  闭式叶轮结构               

图20  开式叶轮结构

SuperVortex（开式叶轮结构，涡流式叶轮），适用于泵送含有高研磨性介质或长纤维材料的污水。

此外，格兰富还提供采用高铬白铁制造的水力部件。与其他金属材料相比，这种铁合金组合具备了非常好的耐磨性，其耐磨强度比铸铁更高。除了齐全的产品规格外，还提供广泛的定制选项，如EMC屏蔽电缆。为了延长对腐蚀和侵蚀性应用的适用性，还提供先进的涂层和各种材质，包括双相不锈钢叶轮。

高效电机也是格兰富的优势所在。

图21 高效电机

 

图22 电机能量损耗

切割系统(图23)是由一个带有四个切削边的固定圈及一个泵轴端部旋转式切削头组成。整个切削系统由特种淬火的高合金钢制成。在叶轮的入口侧装有一件可调整耐磨环。

图23  切割系统

泵配套的控制盒有差异。有控制箱与浮控开关的泵见图23；有控制箱无浮控开关适合于手动通/断运行的泵见图24；有水位控制器LCD的双泵见图25。

图24 有浮控开关

图25 无浮控开关

图26 有水位控制器

泵配有一系列内置传感器，用于监测水泵和设施的状态，以确保最佳、最可靠的运行。所有来自水泵的信号都可以通过本地泵站控制器进行监控，或通过格兰富通信单元发送到SCADA系统或发送至智能手机或平板电脑。

潜水泵之国内创新

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就污水泵产品的技术水平而言，目前美国、德国、日本、瑞士居世界泵业的领先地位。美国、欧盟以及其他一些国家的政府法律现在已经要求将一般水泵和“特种泵”（如：无堵塞泵）包括在未来的能量效率标示中。

由于我国这方面起步较晚，使得国内的技术水平与工业发达国家相比还有一些差距。因此，目前国内各污水处理厂所需要的污水泵国外品牌居多。如美国ＡＢＳ、ＩＴＴ及Grundfos等品牌产品。甚至有些城市和单位还使用一般的清水泵来输送污水。由于被输送的介质中含有易缠绕的或聚束的纤维物，易使泵的流道发生堵塞现象。且一旦堵塞将使泵不能工作，甚至造成烧毁电机的事故。另外，用清水泵输送污水会使泵的效率降低，寿命缩短。

自20世纪90年代后期，国内相关院校、企业开始专注于无堵塞潜污泵研究。以降低客户运行成本，提升抗堵性和可靠性，减少现场处理和设备维护为目标，涌现了一批知名的潜水（排污）泵制造商。如凯泉、连成、南方等潜水泵制造企业。

国内潜水（排污）泵，包括水利部分（如无阻塞叶轮）、高效电机、智能控制器，智慧云技术及相关的智能控制，相比配置传统潜污泵，能够节约20-50%左右能耗。

国内潜水（排污）泵的技术优势:

4.1水力部分

1.国内厂家采用三维建模，流体力学分析软件设计出特殊结构；

2.自清洁式叶轮，相比传统无阻塞泵节能25%；

3.定制化水力模块（高铬铸铁、切割环）配置确保在磨损、腐蚀及更复杂环境中泵送高效，降低维修费用；

4.高效水力部件保证了在重载工况下的最佳性能；

图27 有切割系统泵结构

5.水泵转速的调整，在低速运行时实现自清洁功能；

6.切割系统有效防止叶轮堵塞，无需定时清洗；

7.具有大流道的无堵塞、低维护成本的设计降低了堵塞风险，减少维护工作；

图28  无堵塞（2枚叶片）结构图

图29  具有喷射搅拌功能的潜污泵

图30  切碎式叶轮	图31 通道式叶轮	图32 通道式壳体

4.2高效电机

1.高效电机，相比国标普通电机，提高效率4%以上；

2.降低电机温度，延长电机及轴承寿命；

3.相比传统异步电机，低速运行时持续高效，节约3%的额外能耗。

4.绝对防水且树脂密封的电缆，防止任何水进入电机，即使电缆损坏。  

图33  电机防水	图34  电机防潮

5耐磨的不锈钢水力部件使得它具有较长的使用寿命。

6电机内有任何湿气进入都会通过湿度传感器输出信号，这确保了其可靠的运行。

7传感器监测电机温度和防止过热，确保其可靠运行。  

图35电机冷却	图36 电机保护

4.3耐蚀、锈蚀

当要求污水泵有很好的耐酸腐蚀性能（pH<5）或者耐碱腐蚀性能（pH>8）时，可满足这些使用要求。耐腐蚀性能是排在第一位的，但是仅此还不够。因为不少这样的介质中还含有侵蚀、剥蚀性很强的固体物质。因此，耐磨性能对泵的使用寿命也有着决定性的意义。在这方面，增加了能够输送酸性、碱性介质的新型不锈钢泵体以及氟橡胶密封件和硅橡胶滑动密封以及其他的一些零部件特性使得该泵成为输送化工污水和其他工业污水的最佳解决方案。 

4.4材料

耐腐蚀的不锈钢材料适用于制造在化学工业和流程工业领域中使用的泵。由于这种材料含有较低的碳量，因此有着很好的抵抗点腐蚀和应力裂纹腐蚀能力。利用这种材料制作的污水泵有着很长的使用寿命，可以处理含有磷酸和硫酸的污水。

4.5工艺提升

如凯泉、连成等对潜水电机制造生产工艺进行了全面升级。在升级过程中，为提升电机生产效率，恢复高压电机制造能力，引进机器人包带机、匝间胶化一体机等一系列先进电机制造设备。

另外，为最大程度保障产品质量的可靠性，在生产过程中，对产品匝间、相间、对地、三相电阻等进行了全面检测。其中，自动化设备的引入也避免了人为因素对产品质量的影响。

图37潜水电机生产线（一）	图38潜水电机生产线（二）

图39潜水电机生产线（三）	图40潜水电机生产线（四）	图41潜水电机生产线（五）

4.6应用推广

连成、凯泉等新一代潜水泵产品已广泛应用于污水处理厂、水力工程、工业循环、泵站排洪、河川取水及雨水回用等场合。

图42 安装调试	图43 产品与现场安装

目前，国内品牌的潜水泵（污水泵），应用新型流道技术，实现雨污无堵塞式排放；掠式叶片设计，杜绝了长纤维材料的缠绕。让新型潜水泵在雨水的搜集与排放、污水的处理及回用领域充分发挥着独特的优势。3D技术的优化，显著提升了能效，提高能源利用效率，减少能源浪费，为绿色地球再增添一份力量。

国内其他品牌的创新型潜水泵，一如既往了继承了“高可靠”设计理念，在电机温控、轴承测温、漏水保护等方面提供了全面的保护。定制化生产的“快速接头”线缆，全面密封，杜绝水体渗透。灵活多样的安装方式以应对不同环境的安装需要，满足客户多种类的需求。

潜水泵应用与趋势

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污水净化处理市场因巨大的发展潜力而显得十分诱人。

5.1清洁流速

一般来讲，污水泵与输送的污水量和平均污水成分相适应（包括叶轮类型）。污水泵的结构应该没有易于堵塞的地方（通过颗粒的直径最大），坚固耐用和工作可靠（排污可靠性），同时还要注意压力管道的最低流速。

污水中的固体物质在管道中容易沉积和结块，尤其在立式输送过程中，容易造成固体物质不易被抽离泵坑，或者控制阀因沉积污垢而卡死。因此，为了保证设备工作的可靠性，需保证一定的最低自清洁流速：水平管道的最低自清洁流速为0.7m/s，垂直管道的自清洁流速为1m/s。

5.2经济运行

若污水泵的工作运行时间比较短（例如泄洪泵站中的污水泵每年工作的次数有限），则污水泵的能源利用率高低没有多大的关系；而对于其他经常运行或长年使用的污水泵（输水泵、循环泵）来说，其经济性和电动机的效率就格外重要。

对于每年使用次数很少的泄洪站来讲，泵的工作可靠性是最重要的，效率则显得微不足道。但对于那些经常启动使用的泵、对于那些长年累月不停运行的泵来讲，就要考虑泵（给水泵、循环泵）的效率，就应考虑选择高效节能泵以及高效电动机。

5.3节能控制

由于污水泵运行费用压力大，性能匹配的合适系统成为人们关注的焦点，因此，泵系统中集成通信技术、符合水泵控制和调节要求的控制系统这一发展趋势已成为必然，更具竞争力了。

本文来源于“流程工业”微信公众号。

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