高壓三柱塞往復(fù)泵帶壓起動運行方法分析*

張澤派

（廣東省機(jī)械研究所，廣州 510635）

0 引言

自動高壓壓濾機(jī)是一種間歇性污泥深度分離設(shè)備，采用機(jī)、電一體化設(shè)計制造，結(jié)構(gòu)合理、操作簡單方便、維修率低，能夠?qū)崿F(xiàn)無人操作自動運行。壓濾機(jī)工作過程包括保壓、進(jìn)料、壓濾（壓榨）、卸濾餅［1-2］。普通的隔膜板框壓濾機(jī)利用壓榨泵往壓濾機(jī)隔膜板中注入高壓水，利用隔膜張力對污泥進(jìn)行強(qiáng)力擠壓，實現(xiàn)泥水分離，濾液透過隔膜板上的濾布通過排水流道排出，污泥固體過濾截留在濾布上，形成含水低的干物質(zhì)［3］。隨著全球綠色環(huán)保科技的發(fā)展，生活、工業(yè)污泥處理裝備爆發(fā)性地推陳出新。新型壓濾機(jī)主推高壓過濾（壓榨），使處理后的干泥含水率達(dá)到最佳效益的低值。高壓過濾的壓力已從普通隔膜壓濾機(jī)的1.5 ～1.8 MPa 階段，轉(zhuǎn)變?yōu)樽罡叻€(wěn)定在10 MPa值［4］。其中，壓濾步驟的重要工作站由高壓三柱塞往復(fù)泵構(gòu)成，通過柱塞泵運行實現(xiàn)壓榨腔室內(nèi)形成高壓，高壓基本為3 ～10 MPa，可分不同等級壓力。系統(tǒng)采用模糊PID控制技術(shù)，通過變頻調(diào)速，調(diào)節(jié)壓榨壓力的恒定，保障壓榨環(huán)節(jié)設(shè)備的安全可靠以及一定的壓榨效果；依據(jù)壓濾環(huán)節(jié)壓榨濾液排量的情況，實現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制，實現(xiàn)高效、高質(zhì)量壓榨的目的［5］。高壓三柱塞往復(fù)泵的正常工作是壓榨環(huán)節(jié)的重要組成部分，針對高壓三柱塞往復(fù)泵在帶壓起動過程中遇到的電機(jī)堵轉(zhuǎn)情況問題進(jìn)行分析并作具時效的改造，達(dá)到壓濾機(jī)的高質(zhì)量運行［6］。

1 高壓三柱塞往復(fù)泵應(yīng)用及分析

1.1 應(yīng)用場景

某項目選用高壓三柱塞往復(fù)泵壓力為10 MPa；高壓壓濾機(jī)實現(xiàn)工作最大壓力為10 MPa。通過系統(tǒng)控制PID調(diào)節(jié)控制高壓三柱塞往復(fù)泵的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)0～10 MPa中固定一個壓力值保壓壓濾。

1.2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

該項目中的控制系統(tǒng)由西門子1200型PLC控制，選擇羅斯蒙特的壓力變送器檢測管路壓力作為反饋信號，由西門子G120變頻器控制高壓三柱塞往復(fù)泵運行。通過PLC的PID控制器計算，輸出控制變量，對應(yīng)高壓柱塞泵運行頻率，控制過程如圖1所示。

圖1 控制過程示意圖

PID控制器的算法如下所示。

式中：y為PID算法輸出值；Kp為比例增益系數(shù)；Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)；s為拉普拉斯運算符；b為比例作用權(quán)重；w為設(shè)定值；x為過程反饋值；a為微分延時系數(shù)；c為微分作用權(quán)重。

1.3 運行情況及分析

高壓三柱塞往復(fù)泵管路連接安裝如圖2 所示。高壓三柱塞往復(fù)泵將水泵送至壓濾機(jī)，在泵出口管路上有壓力變送器，檢測壓濾機(jī)壓濾壓力。該壓濾機(jī)根據(jù)實際需要，設(shè)定了幾個不同的壓濾壓力值，分別為2.5 MPa、5 MPa、8 MPa、10 MPa。從不同壓力壓濾運行情況看，柱塞泵工作，通過PID 控制電機(jī)轉(zhuǎn)速變化，使管路壓力從0 MPa上升至設(shè)定壓力值，柱塞泵工作正常。當(dāng)管路壓力值大于設(shè)定值，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出為0 r/min；管路壓力值下降低于設(shè)定值（此時管路內(nèi)仍有較大壓力），控制電機(jī)轉(zhuǎn)速上升；設(shè)定為2.5 MPa 壓力目標(biāo)值，電機(jī)正常工作；設(shè)定為5 MPa目標(biāo)值，電機(jī)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

圖2 改造前管路示意圖

計算電機(jī)的扭矩值，扭矩公式如下式所示。

式中：T 為扭矩，N·m；P 為輸出功率，kW；n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

根據(jù)實際電機(jī)銘牌參數(shù)可得：P ＝45 kW；n ＝1480 r/min；根據(jù)式（2）計算得額定轉(zhuǎn)矩T ≈290.37 N·m。

柱塞泵輕負(fù)載起動運行正常，柱塞作用力是泵體上曲軸的作用力和柱塞運功慣性力之和，所以柱塞泵設(shè)計出口壓力為12 MPa。實際柱塞泵出口處壓力大于等于4 MPa時，柱塞泵運行速度為0，由于壓力目標(biāo)值，柱塞泵起動加速運行，此情況下負(fù)載過大，轉(zhuǎn)矩不足帶動三柱塞往返泵，電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)。通過公式計算驗證可分析該現(xiàn)象的原因。壓力與壓強(qiáng)的關(guān)系如式（3）所示；面積計算公式如式（4）所示；扭矩與力及力矩的關(guān)系如式（5）所示。

式中：S為受力面積，m2；F 為壓力，N；p 為壓強(qiáng)，Pa；r為半徑，m；L為力矩，m。

已知柱塞d ＝45 mm，L ＝47.5 mm，r ＝22.5 mm；當(dāng)p ＝10 MPa時，通過公式計算得柱塞受壓力F ＝15 896.25 N，克服該作用力需要的扭矩為T ＝755.071 875 N·m；當(dāng)p ＝4 MPa時，通過公式計算得柱塞受體的壓力F ＝6 358.5 N，克服該作用力需要的扭矩T ＝302.028 75 N·m。顯然，當(dāng)三柱塞往復(fù)泵出口端帶壓力負(fù)載時，電機(jī)的扭矩不足以帶動三柱塞往復(fù)泵運轉(zhuǎn)。

2 改造方案及實行

正常工作環(huán)境下，高壓三柱塞往復(fù)泵無帶壓起動運行，電機(jī)扭力及慣性力時泵正常運行工作。根據(jù)實際情況，改造方案一是避開帶壓起動運行思路對此工作站進(jìn)行改造，選擇的配置閥件如表1所示。

表1 改造配置清單

高壓安全閥為一種安全保護(hù)用閥，其啟閉件受外力作用下處于常閉狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備或管道內(nèi)的介質(zhì)壓力升高，超過規(guī)定值時自動開啟，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。按安全閥閥瓣開啟高度可分為微啟式安全閥和全啟式安全閥，微啟式安全閥的開啟行程高度為小于或等于0.05 d0（最小排放喉部口徑）；全啟式安全閥開啟高度為小于或等于0.25 d0（最小排放喉部口徑）［7］。彈簧微啟式高壓安全閥選擇開啟壓力為2.5 MPa，控制管路內(nèi)實時壓力在2.5 MPa以下時不泄壓，可以減少壓榨生產(chǎn)過程中的升壓時間。

通過安裝旁路泄流，在PID 控制下，控制電機(jī)頻率高于堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速且節(jié)能效果在15～20 Hz，壓力值穩(wěn)定在設(shè)定值。如圖3所示，安裝旁路管徑為15 mm，其中手動閥可調(diào)節(jié)泄壓的流量，調(diào)節(jié)開度使泄壓時排出流量較小，可保障電機(jī)運行頻率在15～20 Hz，達(dá)到節(jié)約電能目的。通過減壓閥，將液體排出的沖擊力降低。

圖3 改造方案管路示意圖

改造方案二是在項目前期進(jìn)行正確合理選型。高壓三柱塞往復(fù)泵在選型上，選擇大功率、低轉(zhuǎn)速的電機(jī)，電機(jī)的扭矩會更大，但相應(yīng)成本也較高。高壓三柱塞往復(fù)泵，電機(jī)軸及泵體曲軸安裝皮帶輪，通過皮帶進(jìn)行連接的結(jié)構(gòu)可以使作用在泵體曲軸上的扭矩成倍數(shù)變化。當(dāng)泵體曲軸的皮帶輪半徑是電機(jī)軸半徑的3 倍時，泵體曲軸扭矩增大至3 倍。皮帶輪結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 皮帶輪帶動的高壓三柱塞往復(fù)泵

3 結(jié)束語

通過項目改造方案一執(zhí)行后，高壓三柱塞往復(fù)泵運行正常，實現(xiàn)壓榨過程中的壓力穩(wěn)定及平緩保壓目的，壓濾效果佳。通過該項目出現(xiàn)問題分析，可從中得出經(jīng)驗，高壓三柱塞往復(fù)泵的選型過程，應(yīng)先通過公式計算及明確實際工況需求，確定流量、壓力、效率及功率要求等，才能選擇合適、高效的高壓三柱塞往復(fù)泵［8］。