張澤派
(廣東省機(jī)械研究所,廣州 510635)
自動(dòng)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(jì)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(dòng)運(yùn)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(duì)污泥進(jìn)行強(qiáng)力擠壓,實(shí)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)??萍嫉陌l(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(yùn)行實(shí)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(jí)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制,實(shí)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(duì)高壓三柱塞往復(fù)泵在帶壓起動(dòng)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(shí)效的改造,達(dá)到壓濾機(jī)的高質(zhì)量運(yùn)行[6]。
某項(xiàng)目選用高壓三柱塞往復(fù)泵壓力為10 MPa;高壓壓濾機(jī)實(shí)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(shí)現(xiàn)0~10 MPa中固定一個(gè)壓力值保壓壓濾。
該項(xiàng)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(hào),由西門子G120變頻器控制高壓三柱塞往復(fù)泵運(yùn)行。通過PLC的PID控制器計(jì)算,輸出控制變量,對(duì)應(yīng)高壓柱塞泵運(yùn)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(shí)間常數(shù);Td為微分時(shí)間常數(shù);s為拉普拉斯運(yùn)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(shí)系數(shù);c為微分作用權(quán)重。
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(shí)際需要,設(shè)定了幾個(gè)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(yùn)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(shí)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(jì)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(shí)際電機(jī)銘牌參數(shù)可得:P =45 kW;n =1480 r/min;根據(jù)式(2)計(jì)算得額定轉(zhuǎn)矩T ≈290.37 N·m。
柱塞泵輕負(fù)載起動(dòng)運(yùn)行正常,柱塞作用力是泵體上曲軸的作用力和柱塞運(yùn)功慣性力之和,所以柱塞泵設(shè)計(jì)出口壓力為12 MPa。實(shí)際柱塞泵出口處壓力大于等于4 MPa時(shí),柱塞泵運(yùn)行速度為0,由于壓力目標(biāo)值,柱塞泵起動(dòng)加速運(yùn)行,此情況下負(fù)載過大,轉(zhuǎn)矩不足帶動(dòng)三柱塞往返泵,電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)。通過公式計(jì)算驗(yàn)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(jì)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(shí),通過公式計(jì)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(shí),通過公式計(jì)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(shí),電機(jī)的扭矩不足以帶動(dòng)三柱塞往復(fù)泵運(yùn)轉(zhuǎn)。
正常工作環(huán)境下,高壓三柱塞往復(fù)泵無帶壓起動(dòng)運(yùn)行,電機(jī)扭力及慣性力時(shí)泵正常運(yùn)行工作。根據(jù)實(shí)際情況,改造方案一是避開帶壓起動(dòng)運(yùn)行思路對(duì)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(shí)自動(dòng)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(shí)時(shí)壓力在2.5 MPa以下時(shí)不泄壓,可以減少壓榨生產(chǎn)過程中的升壓時(shí)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(dòng)閥可調(diào)節(jié)泄壓的流量,調(diào)節(jié)開度使泄壓時(shí)排出流量較小,可保障電機(jī)運(yùn)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(xiàng)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(huì)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(shí),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(dòng)的高壓三柱塞往復(fù)泵
通過項(xiàng)目改造方案一執(zhí)行后,高壓三柱塞往復(fù)泵運(yùn)行正常,實(shí)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(xiàng)目出現(xiàn)問題分析,可從中得出經(jīng)驗(yàn),高壓三柱塞往復(fù)泵的選型過程,應(yīng)先通過公式計(jì)算及明確實(shí)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]。