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

許余亮

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）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。但在污水處理時大量產(chǎn)生的污泥卻沒有得到有效的處理和處置，對環(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)能減排政策的實施。污水經(jīng)過沉淀處理后會產(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)、機體系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、進料系統(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相比，泥餅含固率最高，可達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，達到脫水的目的。近年來由于管道堵塞或自動化監(jiān)測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，對進料螺桿泵出口進行優(yōu)化設(shè)計，現(xiàn)通過工程實例予以介紹。

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)點也是危險源之一。螺桿泵會源源不斷地向出口管道中排出液體，一旦管道堵塞，管道壓力會不斷增大，當(dāng)超出管道容許壓力限值時就會造成爆管，對人員及生產(chǎn)運行造成危害，損失無法估量。目前設(shè)計往往是通過自動化控制的手段來實現(xiàn)螺桿泵的關(guān)停，一般會在螺桿泵出口處管道上設(shè)置壓力表，設(shè)定限制，通過自動化控制程序達到關(guān)停螺桿泵的目的。

隨著我國環(huán)保行業(yè)和自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，對污水處理廠或者是污泥處理場站提出了更高的要求，在工藝流程上要實現(xiàn)無人值守、在線值守或者一鍵啟動。技術(shù)的發(fā)展進步取代了傳統(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行人員巡檢為一班一次，螺桿泵向板框脫水機中輸送污泥時，由于板框中通道堵塞，原先需要4 h的進料時間，不到2 h壓力就超限了。壓力計故障，PLC控制系統(tǒng)顯示正常，而現(xiàn)場螺桿泵振動及噪聲加大，此時并無相關(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，是考慮到自動化控制系統(tǒng)故障，無法達到關(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：污泥進料螺桿泵4臺（3用1備），流量Q=40～70 m3/h，揚程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，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，揚程h=100 m，功率N=37 kW。根據(jù)壓強計算公式P=ρgh可計算出螺桿泵出口壓強，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的壓強值，根據(jù)壓力計算公式F=PS可計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，這么大的作用力會使板框濾板變形。

2.3 螺桿泵出口管道壓力計優(yōu)化設(shè)計

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

該工程是在考慮到設(shè)置的一個壓力計出現(xiàn)故障，出口端已達到設(shè)定的報警值，但壓力計不能有效采集數(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，超越報警值，監(jiān)控平臺不執(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)置一臺同型號、同標(biāo)準(zhǔn)的壓力計。兩臺壓力計同時采集數(shù)據(jù)，互為備用。當(dāng)其中一臺壓力計出現(xiàn)故障，另一臺還可以正常工作，兩臺壓力計同時出現(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

在考慮到螺桿泵出口管道上設(shè)置的兩臺壓力計同時出現(xiàn)故障的小概率情況下，按照安全冗余度的原則對螺桿泵出口管道系統(tǒng)進行設(shè)計優(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口端管道相連通，形成一個閉合回路。當(dāng)出口壓力超過管道及板框設(shè)定的報警值后，自控系統(tǒng)卻未實現(xiàn)關(guān)停螺桿泵，螺桿泵依然不斷輸送介質(zhì)。此時超報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口端，新的回路使得出口管道壓力不會超限，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)置兩臺壓力計

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，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，對人身安全和設(shè)備運行起重要的保護作用（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)、振動小、噪聲小、能輸送含固體顆粒的液體等特點，在污水處理廠中廣泛地被應(yīng)用于輸送污泥。本文通過工程實例對輸送污泥螺桿泵出口管道與低溫真空脫水干化成套設(shè)備脫水機進行聯(lián)動優(yōu)化設(shè)計，相關(guān)設(shè)計和實施方案可為類似通過螺桿泵來輸送污泥進行處理脫水系統(tǒng)的設(shè)計提供參考，對保護低溫真空脫水干化成套設(shè)備脫水機膜板、管道等具有積極意義。