污泥螺桿泵輸送能力評估系統的研究與應用

摘 要：提出了一種污泥螺桿泵輸送能力評估系統，旨在提高螺桿泵在污水處理領域的運行安全性和可靠性。系統通過螺桿泵的電流、電壓、運行頻率等參數，基于轉速-功率特性曲線和轉速-流量特性曲線計算理論輸送泥量。同時，應用容積法測定實際輸送泥量，并根據理論值與實際值的比值實時評估螺桿泵的能效。該系統包括人機交互模塊、數據采集模塊、數據存儲模塊和計算模塊，能夠自動監聽、記錄和計算螺桿泵的輸送量和能效，實現在線實時監測和評估。研究結果表明：系統所提供的泥位監控和時間監控模式，可實現對螺桿泵輸送量和效率的自動計算，兩種方法之間的計算誤差不超過4個百分點，系統具有較高的測量精度和穩定性，可為污泥焚燒廠提供一種高效的螺桿泵能力評估工具，具有廣泛的應用價值。

關鍵詞：污泥螺桿泵；污泥輸送量；容積效率；能效評估

中圖分類號：TH327" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）04-0043-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.04.010

0" " 引言

污泥螺桿泵是一種單螺桿式輸送泵，可用于具有一定粘度的液體的輸送。螺桿泵的輸送量是對其性能進行評估的關鍵參數之一，也是污泥焚燒處理過程中的重要指標。及時、準確地計量污泥輸送量，可以對后續的污泥焚燒處理優化進行決策指導。

近年來，很多學者對螺桿泵進行了一些研究。韓笑笑等人[1]基于Pumplinx軟件對螺桿泵進行非穩態數值計算求解，通過模擬研究了不同轉速、壓差下螺桿泵的特性，指出螺桿泵的泄漏會影響泵的水力效率。張旺等人[2]基于響應面法，采用有限元數值仿真建立容積效率與敏感參數的擬合關系模型，通過優化間隙、壓差及動力粘度提高螺桿泵的容積效率。魏玉芬等人[3]采用單向流固耦合方法計算不同泵壓下的容積效率，建立螺桿泵漏失模型，通過容積效率降低判斷螺桿泵是否發生泄漏。以上研究針對螺桿泵進行泄漏的理論分析，在實際生產過程中難以實時測量轉子、齒輪間隙、腔體壓差等參數，且缺少對泄漏量大小的數值計算。徐興華等人[4]對螺桿泵的輸送能力及其影響因素進行了研究，通過稱量的方式擬合了螺桿泵的流量-頻率曲線，用于計算輸送過程中的質量流量，但此方法只是針對特定的污泥進行的短時間研究，隨著螺桿泵的長時間運行，所接收的污泥含水率會因季節等因素而發生變化，螺桿泵的定子或轉子磨損也會導致內泄漏，再加上污泥堵塞等情況，泵的流量會變小，此方法估算的輸送量與實際輸送量的偏差也就隨之增大，且無法判斷磨損程度。

目前，大部分污水處理廠、污泥焚燒廠僅憑借經驗公式估算污泥流量，或采用超聲波等流量計對污泥流量進行計量。在實際應用中，由于污泥的性質復雜、黏性大，且含有大量的固體顆粒和雜質，這些物質可能堆積在流量傳感器上，導致傳感器堵塞，影響測量結果。在上述背景下，本文提出了一種污泥螺桿泵輸送能效評估系統，能夠實時、自動地對污泥螺桿泵的輸送量進行計算，同時計算螺桿泵的容積效率，判斷其輸送能力有無下降，是否發生堵塞等問題，進而對其進行故障診斷，實現螺桿泵在運行過程中的在線實時監測、能力評估，保證螺桿泵安全可靠運行。

1" " 螺桿泵能效評估模型建立

容積效率是判斷螺桿泵性能的重要技術指標，采用試驗方法獲取污泥螺桿泵的容積效率是目前最常用的方法。隨著泵的長時間運行，其內部間隙磨損、增大，容積效率逐漸下降。當容積效率低于50%～60%時，下降速度明顯加快[5-6]。因此，建立螺桿泵能效評估模型對于監測泵的健康狀況和預測維護需求至關重要。通過模型計算結果，操作人員可以更好地理解泵的輸送能力和能效，優化其運行參數，及時識別和解決潛在的運行問題，減少意外停機的風險。

1.1" " 螺桿泵理論流量計算

在實際生產過程中，難以實時采集轉子轉速和所輸送液體的粘度等參數，因此本文基于現場可采集的螺桿泵頻率、電流、電壓等參數，采用特性曲線法，估算其理論輸送量。

轉速n計算公式為：

式中：n為轉速（r/min）；f為頻率（Hz）；p為極對數，無因次。

功率N計算公式為：

式中：N為功率（W）；U為電壓（V）；I為電流（A）；cos φ為功率因數，無因次。

根據螺桿泵轉速-功率曲線，在其工作壓力不變的情況下，螺桿泵的功率與其轉速成正比，即理論工作特性曲線C1的方程式為：

式中：k1、b1為理論功率曲線的擬合系數，無因次。

將已知的轉速-功率特性曲線作為基線，用A1、B1表示，待求解的特性曲線用C1表示，建立數學模型。在A1特性曲線下的工作壓力為PA，在B1特性曲線下的工作壓力為PB，根據線性插值法可求得特性曲線C1下的工作壓力，即：

式中：PA、PB、PC為分別為特性曲線A1、B1、C1下的工作壓力（Pa）；nA、nB為轉速（r/min）。

根據螺桿泵轉速-流量曲線，在其工作壓力不變的情況下，螺桿泵的理論輸送量與其轉速成正比，即理論工作特性曲線C2的方程式為：

式中：QC為螺桿泵的理論瞬時流量（m3/h）；k2、b2為理論流量曲線的擬合系數，無因次。

將已知的轉速-流量特性曲線作為基線，用A2、B2表示，待求解的特性曲線用C2表示，確定待求曲線C2的比例因子，建立數學模型。根據線性插值法求解上述曲線C2的方程式，算得該螺桿泵在當前工況下的理論輸送量。插值計算后曲線如圖1所示。

1.2" " 實際輸送量計算

污泥螺桿泵輸送量的測量方法有很多種，最常用的有容積法、質量法、流量計法等。本文采用容積法，即對單位時間內的流體體積進行計量，從而計算出流量Q，其計算公式為：

式中：A為污泥料倉底面積（m2）；LVLi為開始測定時泥位（m）；LVLi+1為結束測定時泥位（m）；Δt為測定時間（h）。

1.3" " 容積效率計算

螺桿泵的容積效率是衡量其工作性能的主要因素。長時間運行后出現的定子磨損、污泥堵塞等情況會導致容積效率降低，此時需要對其進行故障維修及清理。泵的容積效率ηv為泵的實際排量與理論排量之比，即：

式中：Qt為螺桿泵理論排量（m3/h）；Q為螺桿泵實際排量（m3/h）。

2" " 系統構建與應用

在確定采用容積法和計時法對螺桿泵的實際輸送量進行標定的基礎上，進行了對螺桿泵輸送能力評估系統的研究設計。

2.1" " 系統框架

基于上述模型，本文提出了一種污泥螺桿泵輸送能力標定系統，旨在輔助操作人員進行螺桿泵輸送能力的標定及能效的自動計算。系統由數據采集模塊、數據存儲模塊、監聽和調用模塊、計算模塊、人機交互模塊組成，具體設計架構如圖2所示。系統可通過采集模塊中的各種傳感器設備實現螺桿泵運行參數的實時采集；采集數據傳輸至數據存儲模塊供模型計算使用，同時傳輸至人機交互界面（圖3）顯示；人機交互模塊可以選擇監控模式、調用模型進行計算。

該系統的操作流程如下：

1）操作人員通過人機交互界面選擇監控模式。在泥位監控模式下，用戶可設定期望的結束泥位值；在時間監控模式下，用戶可設定一個期望的結束時間。

2）監聽和調用模塊判斷當前系統是否滿足啟動條件，具體為污泥料倉的進料口電磁閥是否關閉，以及系統中是否僅有一臺泵處于開啟狀態。

3）評估系統將記錄料倉的泥位變化，并監控運行中的螺桿泵是否出現頻率變化。若檢測到頻率變化，系統將退出記錄模式。

4）根據所選的監控模式，系統將調用計算模塊。在泥位模式下，系統將跟蹤料倉的泥位，并在泥位下降至預設值時觸發模型進行計算標定。在時間模式下，系統將在設定的結束記錄時間到達時記錄泥位，并調用計算模塊進行計算。

5）計算模塊將結果返回至人機交互模塊，并同步存儲到數據庫中。

通過這一流程，系統能夠有效地輔助操作人員完成螺桿泵輸送能力的標定和能效的自動計算。

2.2" " 應用效果

為了進一步驗證螺桿泵輸送能力評估系統的可靠性，在對螺桿泵的理論流量公式進行標定后，分別采用了時間監控和泥位監控兩種模式，對污泥料倉中的螺桿泵輸送能力進行了測量和計算，結果如圖4所示。

實驗過程中，分別采用時間監控模式與泥位監控模式對螺桿泵的性能進行了測定，從而評估兩種不同監控模式下污泥料倉出口螺桿泵的輸送能力，計算結果如表1所示。

在時間監控模式下，設定計算時長為150 min，泥位下降了0.7 m，螺桿泵的計算容積效率為55.8%；在泥位監控模式下，開始泥位為1.75 m，設定其結束泥位為1.05 m，用時140 min，其容積效率為59.7%。

綜合兩種模式的測定結果，可以得出結論：時間監控模式與泥位監控模式，在污泥料倉出口螺桿泵的輸送能力測定中，都能夠實現容積效率的自動測量計算，且兩者之間的測量誤差不超過4個百分點。造成誤差的原因可能是傳感器精度、信號干擾或數據采集系統的誤差，導致泥位和時間的測量不準確，從而影響容積效率的計算。同時，泥位的變化可能受到多種因素的影響，如泥位的沉積特性、污泥含水率等，這些都可能導致泥位測量的不確定性，進而影響容積效率的計算。

3" " 結論

本研究成功開發了一種基于輸送泥量的螺桿泵能效評估方法及系統，通過研究可得出以下結論：

1）系統可通過采集螺桿泵的實時監測信號，結合轉速-功率和轉速-流量特性曲線，計算出理論輸送泥量，并與實際輸送泥量進行比較，從而評估螺桿泵的能效。

2）該系統提供時間監控和泥位監控兩種模式，實現對螺桿泵的實時、在線監控及能效評估。

3）實驗結果表明，兩種模式的測量結果之間誤差不超過4個百分點，系統具有較高的測量精度和可靠性。

但研究仍存在一些不足之處，如不同的污泥黏性和稠度不同，在料倉中的堆積分布不均勻，導致泥位測量具有不確定性。除此之外，高質量的數據是系統運行的關鍵，需要加強數據清洗和治理工作，以提升污泥螺桿泵輸送能力標定系統的運行精度和穩定性。

[參考文獻]

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收稿日期：2024-10-21

作者簡介：金浩（1982—），男，上海人，助理工程師，研究方向：污泥處理。