柱塞泵管徑改變對濕污泥輸送降壓的影響

忠琪豐

(上海城投污水有限公司竹園污泥處理廠，上海 200137)

在污泥干化焚燒系統(tǒng)中，濕污泥(含水率80%)有較大的黏度，因此，根據(jù)揚程的大小選擇合適的螺桿泵或柱塞泵。液壓柱塞泵具有額定壓力高、流量調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點，對于輸送像污泥這樣的高黏度流體有不錯的應(yīng)用效果[1-3]，因此，在污泥干化焚燒中，需要高揚程的濕污泥輸送時，一般使用柱塞泵來進(jìn)行輸送。

但是，由于污泥的泥性隨季節(jié)以及污水處理工藝變化的影響，污泥的黏度也會產(chǎn)生較大的變化，竹園污泥廠經(jīng)過一段時間的運行，設(shè)計與運行中污泥泥性產(chǎn)生了較大差異，污泥黏度不斷提高，使得柱塞泵出口壓力持續(xù)上升，最終導(dǎo)致運行中管道壓力過高，從而發(fā)生柱塞泵高壓跳機以及異物進(jìn)入后端管道導(dǎo)致堵塞的情況[4]。為了解決這些問題，本文通過改變柱塞泵后端管徑來降低柱塞泵出口壓力，從而減少異物堵塞的情況發(fā)生，并通過兩條生產(chǎn)線采用不同的管徑來考察不同管徑對柱塞泵出口壓力和運行穩(wěn)定性的影響。現(xiàn)場由原來的管徑DN100改為DN125(A線)和DN150(B線)來降低柱塞泵做功，從而節(jié)約能耗，并進(jìn)行理論與實際數(shù)據(jù)的分析和討論，研究管徑對柱塞泵壓力和運行穩(wěn)定性的影響情況。

1 計算及分析方法

1.1 物料

選用含水率為80%的竹園污泥處理廠的濕污泥，污泥黏度阻力系數(shù)采用周丕仁等[5-6]文章中的流動阻力系數(shù)，如圖1所示。根據(jù)此污泥流動阻力，計算理論的泵出口壓力。

圖1 含水率對污泥流動阻力的影響Fig.1 Influence of Water Content on Flow Resistance of Wet Sludge

1.2 試驗裝置

現(xiàn)場實際的管道，總管長為36 m，1個三通，3個大彎頭。然后，分為2條支路，支管(內(nèi)側(cè))長為7 m，2個大彎頭，3個小彎頭，2個球閥，1個電動閘閥；支管(外側(cè))長為7.5 m，2個大彎頭，2個小彎頭，2個球閥，1個電動閘閥。污泥由原來的離地1 m左右，輸送至離地高10 m左右。

1.3 計算方法

本文主要通過伯努利方程計算AB線管路壓損，并根據(jù)污泥黏度模擬計算柱塞泵出口壓力值，如式(1)。

(1)

其中：z1——管道系統(tǒng)始端標(biāo)高，m；

z2——管道系統(tǒng)終端的標(biāo)高，m；

Pa——管道系統(tǒng)始端靜壓力，kPa；

Pb——管道系統(tǒng)終端的靜壓力，kPa；

ρ——流體密度，kg/m3；

u1、u2——流體平均流速，m/s；

Hf——管內(nèi)摩擦損失的能量，J/kg。

2 結(jié)果討論及分析

2.1 管徑改變對管道壓力的影響

柱塞泵屬于容積泵，流量不隨管徑的變化而變化，主要受頻率、柱塞行程、截面積等影響。因此，在柱塞泵100%頻率的狀況下討論，根據(jù)實際運行數(shù)據(jù)，改造前柱塞泵后端出口壓力為3.0 MPa，總流量為6 t/h。以此工藝點作為模擬量，推導(dǎo)將DN100管道改成DN125或DN150的管道后對整個管路的影響，并根據(jù)伯努利方程模擬計算柱塞泵出口壓力，如圖2所示。可見，隨著管徑的不斷增大，管道壓損逐步降低，柱塞泵出口壓力顯著減小。根據(jù)模擬數(shù)據(jù)顯示，在流量不產(chǎn)生變化的情況下，柱塞泵出口壓力由原來的3 MPa下降至2.24 MPa，壓力下降非常明顯。因此，根據(jù)理論計算，對柱塞泵后端管徑進(jìn)行技術(shù)改造，增大管徑，從而減低柱塞泵出口壓力。

圖2 模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)實數(shù)據(jù)的比較Fig.2 Comparison between Analog Values and Actual Values

通過柱塞泵出口壓力的實際數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析模擬數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)的差異。在DN125的管徑下，模擬數(shù)據(jù)與實際值差距不大。但是，當(dāng)柱塞泵管徑改至DN150后，模擬數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)差距變大，實測柱塞泵出口壓力只有1.5 MPa。主要原因在于，管道改至DN150后，污泥流動中的三通管徑變大，污泥中的一些垃圾不易堵塞管道，導(dǎo)致壓損降低。另外，管徑改為DN150后，后端管道上球閥開度明顯高于原來的開度，造成管內(nèi)摩擦損失的能量減小。

2.2 柱塞泵流量波動的探討

柱塞泵瞬時流量是脈動的，因為在柱塞泵中污泥的吸入和排出過程是交替進(jìn)行的，且活塞在位移過程中，其速度又在不斷的變化，所以污泥在管道中的流動速度會不斷變化。但是，由于缸體體積一定且每次推完花費的時間一樣，平均流量應(yīng)是恒定的。

因此，通過對AB線的柱塞泵現(xiàn)場實地勘察，取時間與泵出口壓力的變化情況，可以直觀地反應(yīng)泵到達(dá)最高流速所需的時間，考量泵運行的穩(wěn)定性。圖3直觀地對比了AB線及原來管徑DN100的情況下，柱塞泵排出壓力由0 MPa到最高壓力過程的不同變化。由圖3可知，打一次污泥的整個流程，無論是DN100、DN125或DN150管徑的情況下，柱塞泵都需要8 s的時間來完成。其中，B線需要5.45 s才能達(dá)到最高壓力，A線需要2.9 s達(dá)到最高壓力，原DN100的管徑下只需2.45 s就能達(dá)到最高壓力。

圖3 AB線及原來情況下打一次污泥的排出壓力與時間的關(guān)系Fig.3 Relation between Outlet Pressures of Three Situation and Time

如果管道內(nèi)都是污泥且無空隙，則柱塞泵應(yīng)該可以迅速達(dá)到最高壓力。而由圖3可知，DN150所需時間最長，DN125其次，原DN100則最快達(dá)到最高壓力。因此，根據(jù)目前的情況可以發(fā)現(xiàn)，隨著管徑的增大，管道內(nèi)的空隙越大，那么達(dá)到最高壓力所需時間越長。推測DN150管徑空隙率最大的原因，主要是管道變大后，留在管道內(nèi)的污泥量變多，污泥流動過程中產(chǎn)生空隙的體積越大。其次，DN150管徑時，管道壓損減小，原來流到高點的污泥會因重力而在柱塞泵切換的時候快速下墜，從而在柱塞泵開始打泥時需要更多的時間使污泥填滿管道以達(dá)到最高壓力。

達(dá)到最高柱塞泵出口壓力越晚，則說明整個運行過程中，柱塞泵的污泥流量越不穩(wěn)定。但是，柱塞泵輸送的含水率80%的濕污泥主要用于和含水率20%的干污泥混合。因此，運行越不穩(wěn)定，后端焚燒爐的運行波動就越大，且DN150的柱塞泵后端管徑不利于整個干化焚燒的運行穩(wěn)定。

2.3 柱塞泵放氣次數(shù)的分析

柱塞泵放氣是一種出現(xiàn)在污泥輸送過程中的現(xiàn)象。運行過程中污泥中的氣體會在柱塞泵缸體內(nèi)堆積，導(dǎo)致柱塞泵流量降低。此時，需通過排氣將氣體釋放出柱塞泵，保證柱塞泵缸體中污泥量大，從而確保輸送能力更大。

通過一段時間的運行，DN150管徑下柱塞泵的日均排氣次數(shù)為2.1，明顯高于DN125管徑的柱塞泵日均排氣次數(shù)1.3，主要原因是管徑過大，污泥在管道內(nèi)大且更加疏松，導(dǎo)致氣體存在管道中。其次，柱塞泵出口達(dá)到排放最高壓力的時間過長，導(dǎo)致上方污泥進(jìn)入柱塞泵內(nèi)流量不穩(wěn)定，一松一緊過程中使得污泥中的空氣量增加。最后，由于前文所述，在DN150的管徑下，高點的污泥會快速下墜，使得上方管道吸入大量氣體，氣體隨著管路回到柱塞泵出口，也會使得柱塞泵中氣體過多，最終導(dǎo)致需要排氣來恢復(fù)柱塞泵流量。

但是，管徑改變?yōu)镈N125后，與DN100管徑相比，柱塞泵排氣次數(shù)無太大差異。這是由于DN125與DN100相比，雖然柱塞泵出口壓力變化明顯，但是達(dá)到出口最高壓力所需時間差異不大。DN150濕污泥輸運過程中，流量變化明顯，污泥管道疏松，部分管道內(nèi)的氣體回流入柱塞泵，因此，排氣次數(shù)DN150比DN125和DN100要多。

3 結(jié)論

通過將柱塞泵后端管道由DN100改為DN125和DN150后，壓力由原來的3.0 MPa分別降低至2.5 MPa和1.5 MPa效果顯著，能夠有效節(jié)約柱塞泵能耗。但是，如果技術(shù)改造管徑太大，則會導(dǎo)致污泥流量波動大，影響運行的穩(wěn)定性。隨著管徑變大，運行過程中的波動變化會導(dǎo)致柱塞泵的日均排氣次數(shù)分別上升至1.3和2.1，進(jìn)一步影響運行的穩(wěn)定性和持續(xù)性。而DN125在降壓的同時，其排氣次數(shù)及柱塞泵達(dá)到最高壓力的時間與DN100差異較小。因此，分析柱塞泵后端管道的變化方案，將管徑由DN100改為DN125效果最好，既可以明顯降低柱塞泵出口壓力，消除污泥泥性變化導(dǎo)致的壓力過高，又可以在技術(shù)改造后穩(wěn)定運行。因此，如果泥性發(fā)生改變導(dǎo)致柱塞泵壓力過高，可以適當(dāng)增大管徑，從而有效降低柱塞泵出口壓力。