用于低溫真空脫水干化成套設(shè)備的污泥進(jìn)料螺桿泵優(yōu)化設(shè)計(jì)

許余亮

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引言

在我國節(jié)能減排政策與“十三五”規(guī)劃的推動(dòng)下，城鎮(zhèn)污水處理得到了迅速發(fā)展，水環(huán)境治理也取得了顯著成效。但在污水處理時(shí)大量產(chǎn)生的污泥卻沒有得到有效的處理和處置，對(duì)環(huán)境造成極大的危害，在我國特大城市中已經(jīng)“泥滿為患”，已嚴(yán)重影響我國節(jié)能減排政策的實(shí)施。污水經(jīng)過沉淀處理后會(huì)產(chǎn)生大量污泥，即使經(jīng)過濃縮、消化和脫水處理，含水率仍高達(dá)80%左右，體積仍然很大，必須經(jīng)過干化處理，提高泥餅的含固率，以減少污泥堆置的占地面積，達(dá)到污泥減量化、穩(wěn)定化、無害化處理。

低溫真空脫水干化成套設(shè)備主要由污泥調(diào)質(zhì)系統(tǒng)、機(jī)體系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、進(jìn)料系統(tǒng)、壓濾系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、卸料系統(tǒng)、空壓系統(tǒng)、除臭系統(tǒng)、電控系統(tǒng)組成。低溫真空脫水干化成套設(shè)備與其他類型脫水機(jī)相比，泥餅含固率最高，可達(dá)35%。低溫真空脫水干化成套設(shè)備的工作原理是在密閉的狀態(tài)下，通過螺桿泵壓入的污泥經(jīng)過板框的擠壓，使污泥內(nèi)的水通過濾布排出，達(dá)到脫水的目的。近年來由于管道堵塞或自動(dòng)化監(jiān)測(cè)失靈造成管道爆管或低溫真空脫水干化成套設(shè)備脫水機(jī)板框變形等事故多發(fā)。為了避免此類現(xiàn)象頻繁發(fā)生，對(duì)進(jìn)料螺桿泵出口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，現(xiàn)通過工程實(shí)例予以介紹。

1 螺桿泵出口處設(shè)置安全閥的重要性

螺桿泵是容積式轉(zhuǎn)子泵，依靠由螺桿和襯套形成的密封腔的容積變化來吸入和排出液體，出口處液體出流穩(wěn)定、壓力穩(wěn)定，這既是螺桿泵的優(yōu)點(diǎn)也是危險(xiǎn)源之一。螺桿泵會(huì)源源不斷地向出口管道中排出液體，一旦管道堵塞，管道壓力會(huì)不斷增大，當(dāng)超出管道容許壓力限值時(shí)就會(huì)造成爆管，對(duì)人員及生產(chǎn)運(yùn)行造成危害，損失無法估量。目前設(shè)計(jì)往往是通過自動(dòng)化控制的手段來實(shí)現(xiàn)螺桿泵的關(guān)停，一般會(huì)在螺桿泵出口處管道上設(shè)置壓力表，設(shè)定限制，通過自動(dòng)化控制程序達(dá)到關(guān)停螺桿泵的目的。

隨著我國環(huán)保行業(yè)和自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)污水處理廠或者是污泥處理場(chǎng)站提出了更高的要求，在工藝流程上要實(shí)現(xiàn)無人值守、在線值守或者一鍵啟動(dòng)。技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步取代了傳統(tǒng)的人工操作，雖然大大節(jié)省了人力成本，但也帶來了很多安全隱患。某一污泥處理廠的運(yùn)行人員巡檢為一班一次，螺桿泵向板框脫水機(jī)中輸送污泥時(shí)，由于板框中通道堵塞，原先需要4 h的進(jìn)料時(shí)間，不到2 h壓力就超限了。壓力計(jì)故障，PLC控制系統(tǒng)顯示正常，而現(xiàn)場(chǎng)螺桿泵振動(dòng)及噪聲加大，此時(shí)并無相關(guān)人員巡檢，壓力超限后造成螺桿泵出口處閘閥與管道爆管脫節(jié)，脫水機(jī)板框變形，雖無人員傷亡，但給此污泥處理廠造成了停產(chǎn)維修等經(jīng)濟(jì)損失。

基于此類事故，在螺桿泵出口處設(shè)置安全閥及回流管，是考慮到自動(dòng)化控制系統(tǒng)故障，無法達(dá)到關(guān)停螺桿泵的要求，造成出口處壓力超限而產(chǎn)生危害，按照冗余安全度的原則，當(dāng)出口管道壓力超過安全閥規(guī)定壓力后，安全閥開啟，液體通過回流管輸送至螺桿泵入口處，確保出口處管道及設(shè)備安全。

2 工程實(shí)例分析

某污水處理廠污泥處理工程技術(shù)參數(shù)如下：污泥進(jìn)料螺桿泵4臺(tái)（3用1備），流量Q=40～70 m3/h，揚(yáng)程h=100 m，功率N=37 kW；出泥管材質(zhì)為20#碳素鋼，管徑DN150，壓力PN16；低溫真空脫水干化成套設(shè)備3臺(tái)，功率N=22 kW，過濾面積600 m2，過濾壓力1.0 MPa。螺桿泵平面布置圖如圖1所示。

圖1 螺桿泵平面布置圖

2.1 低溫真空脫水干化成套設(shè)備結(jié)構(gòu)分析

低溫真空脫水干化成套設(shè)備脫水機(jī)構(gòu)主要由固定板、濾框、濾板、壓緊板和壓緊裝置組成。濾板表面膜作為排液通路，濾框是中空的，多塊濾板、濾框交替排列，通過壓緊裝置在濾板與濾框之間形成封閉的濾室，再利用螺桿泵將污泥源源不斷地壓入濾室中，通過螺桿泵的輸出壓力形成初期壓濾脫水（見圖2）。

圖2 低溫真空脫水干化成套設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

2.2 螺桿泵輸送壓力分析

該工程采用的螺桿泵流量Q=40～70 m3/h，揚(yáng)程h=100 m，功率N=37 kW。根據(jù)壓強(qiáng)計(jì)算公式P=ρgh可計(jì)算出螺桿泵出口壓強(qiáng)，該工程中污泥含水率為98.7%，可近似看成水，參照水的密度1 000 kg/m3，重力加速度g估算取10 N/kg，則出口壓強(qiáng)為106Pa，即1 MPa。該工程中采用的低溫真空脫水干化成套設(shè)備的濾板接觸面積為4 m2，螺桿泵可提供1 MPa的壓強(qiáng)值，根據(jù)壓力計(jì)算公式F=PS可計(jì)算出每塊濾板接觸面將承受4 000 kN的壓力，相當(dāng)于在4 m2的板上作用400 t的壓力，這么大的作用力會(huì)使板框?yàn)V板變形。

2.3 螺桿泵出口管道壓力計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是在螺桿泵出口管道處設(shè)置一個(gè)壓力計(jì)，通過自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)，設(shè)定報(bào)警值，一旦出口壓力超過設(shè)定報(bào)警值后，自控系統(tǒng)會(huì)按照程序關(guān)停螺桿泵。但是經(jīng)常出現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀表誤報(bào)警，從而無法準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，從而無法根本消除安全隱患。究其根本原因，是因?yàn)槁輻U泵是一種容積式回轉(zhuǎn)泵，當(dāng)出口端受阻以后，壓力會(huì)逐漸升高，以至于超過預(yù)定的壓力值也無法達(dá)到關(guān)停螺桿泵的目的。

該工程是在考慮到設(shè)置的一個(gè)壓力計(jì)出現(xiàn)故障，出口端已達(dá)到設(shè)定的報(bào)警值，但壓力計(jì)不能有效采集數(shù)據(jù)仍然顯示正常，螺桿泵繼續(xù)向管道及板框中輸送介質(zhì)，出口壓力不斷升高，超越報(bào)警值，監(jiān)控平臺(tái)不執(zhí)行關(guān)停的指令操作，管道發(fā)生爆管或低溫真空脫水干化成套設(shè)備發(fā)生變形的情況下，再設(shè)置一臺(tái)同型號(hào)、同標(biāo)準(zhǔn)的壓力計(jì)。兩臺(tái)壓力計(jì)同時(shí)采集數(shù)據(jù)，互為備用。當(dāng)其中一臺(tái)壓力計(jì)出現(xiàn)故障，另一臺(tái)還可以正常工作，兩臺(tái)壓力計(jì)同時(shí)出現(xiàn)故障的概率就相當(dāng)?shù)土耍ㄒ妶D3）。

2.4 螺桿泵出口安全閥及管道優(yōu)化設(shè)計(jì)

在考慮到螺桿泵出口管道上設(shè)置的兩臺(tái)壓力計(jì)同時(shí)出現(xiàn)故障的小概率情況下，按照安全冗余度的原則對(duì)螺桿泵出口管道系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，增設(shè)安全泄壓環(huán)路。該工程中螺桿泵出口管道為材質(zhì)20#碳素鋼，管徑DN150，壓力PN16，設(shè)置的安全泄壓環(huán)路即旁通管選擇與主管道同材質(zhì)、同壓力等級(jí)的管材。具體為材質(zhì)20#碳素鋼，管徑DN80，壓力PN16，通過安全閥與螺桿泵進(jìn)口端管道相連通，形成一個(gè)閉合回路。當(dāng)出口壓力超過管道及板框設(shè)定的報(bào)警值后，自控系統(tǒng)卻未實(shí)現(xiàn)關(guān)停螺桿泵，螺桿泵依然不斷輸送介質(zhì)。此時(shí)超報(bào)警壓力將頂開旁通管中安全閥的閥門，使得原先處于關(guān)閉狀態(tài)的閥門開啟，原先處于不通狀態(tài)的管道暢通，形成介質(zhì)新的流通回路系統(tǒng)。介質(zhì)將通過安全閥返回螺桿泵進(jìn)口端，新的回路使得出口管道壓力不會(huì)超限，保證了出口管道和低溫真空脫水干化成套設(shè)備的安全（見圖4）。

圖3 出口管道設(shè)置兩臺(tái)壓力計(jì)

圖4 出口管道設(shè)置旁通管及安全閥

安全閥又稱泄壓閥，處于常閉狀態(tài)，是當(dāng)設(shè)備或管道內(nèi)的介質(zhì)壓力升高超過規(guī)定值時(shí)，通過向系統(tǒng)外排放介質(zhì)來防止管道或設(shè)備內(nèi)介質(zhì)壓力超過規(guī)定數(shù)值的特殊閥門，控制壓力不超過規(guī)定值，對(duì)人身安全和設(shè)備運(yùn)行起重要的保護(hù)作用（見圖5）。

圖5 安全閥

該工程中采用的安全閥為彈簧式安全閥，彈簧式安全閥是依靠彈簧的彈性壓力而將閥的密封件閉鎖，一旦當(dāng)管道中的壓力異常后，產(chǎn)生的高壓將克服安全閥的彈簧壓力，閉鎖裝置被頂開，形成了一個(gè)泄壓通道，將高壓泄放掉。

3 結(jié)語

螺桿泵因其流量均勻連續(xù)、振動(dòng)小、噪聲小、能輸送含固體顆粒的液體等特點(diǎn)，在污水處理廠中廣泛地被應(yīng)用于輸送污泥。本文通過工程實(shí)例對(duì)輸送污泥螺桿泵出口管道與低溫真空脫水干化成套設(shè)備脫水機(jī)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，相關(guān)設(shè)計(jì)和實(shí)施方案可為類似通過螺桿泵來輸送污泥進(jìn)行處理脫水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考，對(duì)保護(hù)低溫真空脫水干化成套設(shè)備脫水機(jī)膜板、管道等具有積極意義。