餐廚垃圾處理設備可靠性分析

彭 清

（長沙中聯重科環境產業有限公司，湖南長沙 410000）

0 引言

伴隨我國城市化建設力度的加強，餐廚垃圾人均產生量達到0.1～0.15 kg/d，其規范化收運和處置是提升城市綜合環境的重要組成部分。我國的大型餐廚垃圾處理項目以厭氧發酵為主流工藝，但工藝和設備的選擇不能一概而論，應根據項目實際邊界條件綜合選定。隨著國家第一、二、三批餐廚垃圾集中處理試點城市建設完成，縣域級、地級市也逐步開始建設餐廚垃圾處理項目?？h域級人口相對較少，餐廚垃圾項目建設規模小，厭氧發酵工藝由于投資、占地較大等因素不適合小規模餐廚垃圾處理項目。預處理加后端好氧制肥成為縣域級餐廚垃圾解決方案之一，通過微生物發酵降解技術將餐廚垃圾轉為有機肥，有效解決餐廚垃圾去向問題，提高資源化利用程度。

1 成套設備可靠性建模

由于餐廚垃圾成分和物理性質的復雜性，處理設備的可靠性成為餐廚垃圾處理項目穩定運行的重要因素。餐廚垃圾原料成分復雜，且物料逸散出濃烈惡臭，設備出現故障后，維修環境惡劣，現代化的餐廚垃圾處理廠要求設備具有較高的自動化程度與可靠性。餐廚垃圾處理設備要求運行壽命≥10 年，系統產生故障的平均時間間隔＞300 h。

分析系統可靠性的最基礎條件，是系統整體與各單元之間的可靠度邏輯關系，以模型直觀體現出可靠性。建立系統內可靠度框架圖，直觀描述內部元件間的關聯邏輯關系，組建成可靠度較高的數學模型。建立該模型能夠權衡和改進設計方案，方便對附屬系統提出可靠性要求，有利于權衡指標、成本等方面，可提供較強的可靠性設計支持。

以某縣域級餐廚垃圾處理項目邊界條件為依據，餐廚垃圾處理主體工藝的流程：①上料，經過分選破碎到擠壓脫水；②從中提取出油脂，對其進行固體渣滓的微生物發酵降解；③產生有機肥。成套餐廚垃圾設備中非標設備占比較大，主要工藝設備有受料倉、分選破碎設備、擠壓設備、螺旋輸送設備、好氧發酵設備、液相輸送設備等。

2 設備系統的可靠性預估與分配

2.1 可靠性預估

結合以往工程經驗預估可靠性，如餐廚垃圾處理設備的組成特點、目前技術水平和實際工作環境等，綜合考慮非標設備故障，在方案設計階段預估該設備在未來工作中的可靠程度，即評估預測該設備在限定工作條件、工作時間等情況下能夠完成既定目標功能的概率。在設計工作收尾前，預估設備完成預定功能的可靠程度，為設計方案提供依據是可靠性預估的主要目的。以平均故障間隔時間（MTBF）為基礎的參數來進行餐廚垃圾處理設備的可靠性預估，主要針對設備經過故障修復后再次投入到工作運轉中的能效。

2.2 系統可靠性分配

可靠性分配以用戶在項目任務書（合同）中規定的設備可靠性為依據，根據相應原則在組成設備的各個部件單元中合理分配，確保滿足各組成部件可靠性的定量要求。對各部件設計人員的設計工作提出明確的指標要求，以研究其達成可靠性指標所需采用的設計方法與資源，是開展設備可靠性分配的主要目的。由于餐廚垃圾處理設備流程較復雜、使用工況較差、對自動化設備運行的可靠性要求較高，分配可靠性時應先考慮各部件的重要程度。

3 機械系統故障樹分析

工程設計中常使用故障樹分析法（FTA）分析大型復雜系統運行的安全性能和可靠度，采用演繹法來對其進行逐級的分析。故障樹分析是依據各零件間的邏輯關系，通過計算機運算來確定設計中存在的缺陷，找出有可能存在的故障點，并進一步落實相關的整改措施。

3.1 建立設備機械系統分析故障樹

對餐廚垃圾成套設備可靠性較高的系統進行設計和優化，一方面應根據物料特性選擇相對成熟的控制元件與傳感器，不斷優化控制邏輯，并確保其具有較高的可靠性，另一方面應重點解決機械零部件的可靠度。預處理設備去除餐廚垃圾中的雜質，將有機質通過好氧微生物轉化為有機肥料，設備因故障導致處理線無法正常運行認定為設備故障，以此作為所關心的結果事件。

（1）上料部件故障樹。上料部件是餐廚垃圾處理設備的第1個工藝設備，其主要功能是接收餐廚垃圾車卸料，將物料進行瀝水后向下道工藝設備輸送，并能緩存物料。餐廚垃圾收集車卸料時要保證上料部件平穩運行，不能出現垃圾堵塞和起拱架橋情況。整理分析可能在上料部件中出現的故障情況，建立故障樹（圖1）：X1為瀝水孔堵塞，X2為螺旋卡滯，X3為密封失效，X4為架橋起拱，X5為變頻器失效，X6為變頻器失效，X7為線路故障，X8為電機故障，X9為減速機損壞，X10為軸承損壞。

圖1 上料部件故障樹

（2）擠壓部件故障樹。擠壓部件將分選破碎后的有機質進行脫水，液相進一步提取油脂，固相作為好氧發酵的原料。擠壓及分選破碎部件的效率影響發酵處理的運行，也對最終產出物質量起決定性作用。餐廚垃圾中包含不易破碎的成分，會造成電機因擠壓裝置卡塞出現過載故障；擠壓餐廚垃圾中的淀粉與蛋白含量較高的物質時，容易產生擠壓部件堵塞，破壞設備良好運行導致故障發生。經過對擠壓部件的分析，建立故障樹（圖2）：X11為皮帶失效，X12為減速機齒輪損壞，X13為軸承損壞，X14為聯軸器磨損，X15為篩網損壞，X16為擠壓螺旋卡塞，X17為背壓系統故障，X18為電機過載。

圖2 擠壓部件故障樹

（3）好氧發酵倉故障樹。作為處理設備核心部件的好氧發酵倉，主要功能是進行微生物的好氧發酵。設備保證其運行環境符合微生物發酵分解的需求，還要保障產出物符合相關的標準規定。在微生物的發酵過程中，要確保發酵艙的密封性與恒溫性能良好，充分保障微生物發酵中對濕度與溫度的需求，將容器中的菌種和物料進行合理混合配備，保證充足氧氣來更好地滿足微生物發酵。好氧發酵倉內螺旋帶在混合攪拌物料的同時，由電機帶動容器翻轉排出處理完成的物料。分析好氧發酵倉，建立故障樹圖（圖3）：X19為攪拌槳葉出現斷裂，X20為發酵倉體的密封效果出現泄漏，X21為傳動齒輪經過長時間運行產生較為嚴重的磨損，X22為軸承出現較為嚴重的磨損，X23為傳動鏈條經過運轉產生的較為嚴重的磨損，X24為電機故障，X25為線路故障。

（4）其他關鍵設備故障樹。同理對其他關鍵處理設備建立故障樹，如分選破碎一體設備、加熱設備、離心提油設備等故障樹，形成餐廚垃圾處理成套設備完整的故障樹。進而分析分選組件纏繞、堵塞、破碎組件磨損、破碎、加熱設備攪拌機軸承損壞、離心機退料螺旋異常磨損失去動平衡、輸送螺旋葉片變形、輸送泵堵塞等。

圖3 好氧發酵倉故障樹

3.2 故障樹定性分析

通過建立餐廚垃圾處理設備故障樹，可找出故障樹的最小割集，發掘容易造成頂事件的基本部件失效形式，故障樹的割集對應系統中的失效模式。只有在系統中所有代表著底事件的故障都發生后才使整體的系統產生故障，這種情況被定義為系統最小割集。

假設故障樹是根據無數個獨立的僅能導致其他事件的原因事件來組成，分別用X1、X2……Xn表示，兩種邏輯狀態的變量表示是否發生底事件的狀態，其值取1 或者0，即：

其集合表示為X={X1、X2……Xn}。同樣，用φ 取值為0 或1來表示位于頂端所關心的結果事件狀態的變量是否發生。此時，可以將頂底之間狀態變量關系用結構函數φ（x）表示：

3.3 故障樹的重要度分析

各零部件的重要程度存在差異，有的零部件發生故障會影響到系統的正常運行；部件的關鍵程度由其在設備中所處的地位決定，零部件自身故障概率只會較小地影響其結構；部件的關鍵重要度，能夠體現其中零部件出現故障后致使整個系統出現故障的概率變化，是體現底系統故障受狀態影響的程度。

4 結束語

降低螺旋擠壓設備失效率的方法如下：

（1）合理安排清洗裝置工作時間。有機質是餐廚垃圾中粘稠度較高的成分，進行擠壓工作時易堵塞篩筒，通過清洗裝置定期沖洗擠壓部件可有效降低該故障發生率。

（2）優化背壓系統調節機制。通過背壓系統調節排渣尾錐的頂緊力是調節固渣含水率的主要途徑，為降低因背壓系統反饋動作后造成排渣口堵塞而發生的故障，選擇響應速度更快的氣缸作為背壓系統的執行元件。

（3）采用其他可靠度更高的方式代替螺旋擠壓工藝方法。