天然氣凈化廠污水處理鼓風(fēng)機選型優(yōu)化探討

林萬洲，侯開紅，馮慶

（1. 中國石油西南油氣田川東北作業(yè)分公司，四川達(dá)州 635000；2. 中國石油西南油氣田天然氣凈化總廠，重慶 400000）

某處理量2×106m3/d 天然氣凈化廠污水處理裝置中，好氧池PT-2308、高濃度配水池PT-2305、低濃度配水池PT-2306 的鼓風(fēng)設(shè)備為羅茨鼓風(fēng)機K-2301AB，設(shè)計1 用1 備，該設(shè)備用于向池內(nèi)污水鼓入空氣，并起到一定的攪拌作用。2016 年以來，該設(shè)備故障率上升，可靠性變差，主要表現(xiàn)為皮帶磨損或燒毀，油封泄漏，葉輪碰磨，齒輪損壞等。最嚴(yán)重時，甚至兩臺風(fēng)機同時出現(xiàn)故障，無法正常運行，導(dǎo)致好氧池出現(xiàn)部分菌種死亡的工藝事故。之后，該廠采取優(yōu)化檢修措施和方法，設(shè)備故障率一定程度上有所緩解，但可靠性差的問題一直存在。最終，通過對設(shè)備升級選型為旋渦氣泵，其運行參數(shù)、可靠性、噪聲等各方面滿足現(xiàn)場工況要求，徹底解決了該問題。

1 羅茨鼓風(fēng)機

1.1 工作原理

羅茨鼓風(fēng)機屬于旋轉(zhuǎn)活塞容積式氣體壓縮機械，它由一個近似橢圓的外機殼與齒輪端平墻板和軸伸端平墻板包容形成一個氣缸體，在機殼上端有進氣口，下端有出氣口。兩個葉輪彼此以一定間隙相互嚙合，而使得進氣口與出氣口相互隔開，葉輪通過一對同步齒輪傳動而作等速反向旋轉(zhuǎn)（葉輪之間有一定間隙，并不相互接觸），在旋轉(zhuǎn)過程中無內(nèi)壓地將氣缸容積內(nèi)的氣體從進氣口推移到出氣口，以達(dá)到強制排氣的目的[1]。這種設(shè)備由英國人喬治于1849 年發(fā)明，并由美國工程師羅茨改進，此后人們便稱這種氣體輸送機械為羅茨鼓風(fēng)機延續(xù)至今[2]。該廠羅茨鼓風(fēng)機型號JTB-100，風(fēng)機與電機間采用3 組三角帶傳動，風(fēng)機轉(zhuǎn)子為三葉轉(zhuǎn)子，詳細(xì)參數(shù)見表1。

表1 羅茨鼓風(fēng)機參數(shù)表Table 1 Parameters specification of the Roots blower

1.2 故障分析及措施

1.2.1 皮帶燒毀

風(fēng)機運行時，皮帶內(nèi)側(cè)出現(xiàn)大量黑色橡膠粉末脫落，并伴著濃烈的燒焦氣味，紅外測溫儀測得皮帶內(nèi)側(cè)溫度近100 ℃。停機檢查發(fā)現(xiàn)，皮帶燒焦、減薄，大面積開裂或斷裂，見圖1，新?lián)Q皮帶帶最短燒毀時間僅8 min。

圖1 燒毀的羅茨鼓風(fēng)機皮帶Fig.1 Burnt belt in the Roots blower

經(jīng)討論分析，當(dāng)皮帶出現(xiàn)嚴(yán)重磨損或燒毀時，應(yīng)采取以下措施：

（1）檢查皮帶輪對中情況。對中不佳將直接造成皮帶扭曲，高速運轉(zhuǎn)后，皮帶持續(xù)受扭力，且始終無法按正確軌跡進入皮帶輪凹槽，皮帶與槽間摩擦發(fā)熱，皮帶輪對中偏差控制在1 mm 以內(nèi)；

（2）皮帶張緊度調(diào)整。按圖2 調(diào)整皮帶張緊度，確保在皮帶上側(cè)施加載荷W= 2 ～ 3 kgf 時（1 kgf ≈9.8 N），皮帶下沉高度δ= 5.5 mm。新?lián)Q皮帶后，應(yīng)在風(fēng)機運行24 h 后，對皮帶再做以上檢查，若有松弛，需再次對標(biāo)調(diào)整張緊度。

圖2 皮帶松緊度調(diào)整示意圖Fig.2 Illustration of belt tension adjustment

（3）檢查皮帶制造質(zhì)量。風(fēng)機原皮帶為進口某品牌A-43 三角帶，后期供貨的皮帶為國產(chǎn)品牌，型號A-1092，從尺寸上來看，雖然兩者長度、截面很難發(fā)現(xiàn)差別，但外觀上能明顯區(qū)別出國產(chǎn)皮帶質(zhì)量較 差。

（4）檢查皮帶輪制造質(zhì)量和外形尺寸。皮帶輪尺寸的變化將直接影響皮帶的受力。原風(fēng)機兩皮帶輪（含電機端）直徑均為170 mm，而某批次供貨的一對皮帶輪直徑為120 mm，皮帶輪槽型均為A 型V帶輪，未做變化。皮帶在正常情況下打滑是由皮帶與皮帶輪間靜摩擦力不足所致，而靜摩擦力受摩擦系數(shù)、皮帶預(yù)緊力和皮帶輪包角的影響，這三者與靜摩擦力之間呈正比關(guān)系。新舊皮帶輪做對比：前后皮帶型號未做變化，皮帶輪材質(zhì)均為灰鑄鐵，帶輪槽粗糙度相同，因此摩擦系數(shù)相同；前后維修人員在風(fēng)機安裝中預(yù)緊力基本調(diào)節(jié)一致，因此預(yù)緊力相同；而電機皮帶輪和風(fēng)機皮帶輪由于直徑相同，因此包角均為π。前后電機功率不變，轉(zhuǎn)速不變，電機輸出轉(zhuǎn)矩T和額定功率P、轉(zhuǎn)速n之間存在以下關(guān)系：

也就是說風(fēng)機更換前后，傳遞力矩不變，皮帶輪直徑變小。

而傳遞力矩T與力F、距離L成如下關(guān)系：

式中F—— 皮帶與皮帶輪間靜摩擦力（由前文可知，設(shè)備更換前后此力不變）；

L——皮帶輪半徑（85 mm 變?yōu)?0 mm）。

經(jīng)計算，在所需力矩不變的情況下，單根皮帶與皮帶輪間摩擦力必須由192.4 N 增大至272.5 N，才能驅(qū)動風(fēng)機正常運轉(zhuǎn)。而在檢修更換3 組新皮帶，皮帶張緊度調(diào)節(jié)至合適狀態(tài)時，試車發(fā)現(xiàn)，皮帶出現(xiàn)打滑并發(fā)出尖銳異響，說明單根皮帶的最大靜摩擦力無法達(dá)到272.5 N。

1.2.2 葉輪碰磨

當(dāng)羅茨鼓風(fēng)機出現(xiàn)葉輪碰磨時，風(fēng)機表現(xiàn)出急劇的振動，噪聲增大，出口風(fēng)壓有波動。此時應(yīng)對以下3 個方面進行檢查：

（1）解體檢查風(fēng)機葉輪轉(zhuǎn)子，清除兩個轉(zhuǎn)子間表面大量油泥、污垢，若葉輪碰磨嚴(yán)重，則還需對其做轉(zhuǎn)子動平衡修復(fù)、傳動軸彈位修復(fù)、精度修復(fù)等，甚至更換新轉(zhuǎn)子。

（2）當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)子因有雜質(zhì)污染造成間隙過小而碰磨時，還應(yīng)移除入口消音器上蓋，將過濾元件從固定架取出，檢查有無短路，并用壓縮空氣吹掃、清潔，臟堵嚴(yán)重時應(yīng)更換。

（3）軸承磨損致使軸承間隙增大，或者齒輪磨損造成側(cè)隙增大，也會引起葉輪碰磨，此時需更換軸承，或調(diào)整齒輪間隙，若齒輪間隙大于平均值30%～50%，應(yīng)更換齒輪[2]。

1.2.3 潤滑油泄漏

羅茨鼓風(fēng)機連續(xù)運行后，潤滑油溫度上升，易出現(xiàn)潤滑油泄漏。一般漏點在油箱殼體密封墊和油封位置，以油封泄漏居多。油封泄漏嚴(yán)重時，泄漏的潤滑油會進入風(fēng)機轉(zhuǎn)子腔體，與由空氣帶入腔內(nèi)的雜質(zhì)混合，形成油泥，當(dāng)累積較多時，甚至影響葉輪間隙，造成碰磨。此時，應(yīng)檢查：

（1）油封或密封墊老化、磨損，造成油封泄漏，需更換油封或密封墊，并檢查軸上與油封配合位置有無因磨損而導(dǎo)致軸徑縮小，必要時需對軸進行修復(fù)或更換。

（2）潤滑油加注過多，也會導(dǎo)致泄漏，正常油位應(yīng)控制在油窗1/2 至2/3。

（3）齒輪或軸承的非正常摩擦或注油口呼吸閥臟堵會造成油溫過高，從而導(dǎo)致潤滑油泄漏，此時應(yīng)檢查軸承和齒輪狀況，清理呼吸閥通氣孔。

1.2.4 噪聲超標(biāo)

污水處理裝置使用羅茨鼓風(fēng)機時，經(jīng)專業(yè)公司對風(fēng)機正常運行時該處的噪聲檢測，檢測結(jié)果顯示檢測平均值95.6 dB （A），超出了國家規(guī)定的GBZ 2.2—2007《工作場所噪聲職業(yè)接觸限值》85 dB （A）的標(biāo)準(zhǔn)要求[4]。當(dāng)風(fēng)機運行不佳或存在異常時，噪聲檢測值將更高，達(dá)100 dB （A）以上。此時應(yīng)檢查消音器和風(fēng)機各機械部件狀況：

（1）檢查進、排氣口消音器狀況，視情況更換。

（2）檢查皮帶有無打滑，各零部件、地腳螺栓及其他緊固件有無松動，并調(diào)整至合適值或緊固。

（3）檢查風(fēng)機葉輪間隙，葉輪與墻板間隙，葉輪與機殼間隙等，如果間隙過小，風(fēng)機會產(chǎn)生振動、發(fā)熱和噪聲。

2 旋渦氣泵

2.1 工作原理

為降低污水處理裝置風(fēng)機故障率，提高其可靠性，并控制運行噪聲在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，改善人員工作環(huán)境。對風(fēng)機做優(yōu)化選型，采用結(jié)構(gòu)簡單、維護簡便、噪聲小的旋渦氣泵替換原羅茨鼓風(fēng)機，旋渦氣泵型號2XB 820-H37，其詳細(xì)參數(shù)見表2。

表2 旋渦氣泵參數(shù)表Table 2 Parameters specification of the vortex air pump

旋渦氣泵結(jié)構(gòu)如圖3 所示。旋渦氣泵葉輪轉(zhuǎn)動時，由于離心力的作用，促使氣體向前向外運動，從而形成一系列螺旋狀的運動。葉輪刀片之間的空氣呈螺旋狀加速旋轉(zhuǎn)并將泵體之外的氣體擠入（由吸氣口吸入）側(cè)槽,當(dāng)進入側(cè)通道以后，氣體被壓縮，然后又回到葉輪刀片間再次加速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)空氣沿著一條螺旋形軌道穿過葉輪和側(cè)槽時，每個葉輪片增加了壓縮和加速的程度，隨著旋轉(zhuǎn)的進行，氣體的動能增加，使得沿側(cè)通道通過的氣體壓力進一步增加。當(dāng)空氣到達(dá)側(cè)槽與排放法蘭的連接點（側(cè)通道在出口處變窄），氣體即被擠出葉片并通過出口消聲器排出泵體。

圖3 旋渦氣泵結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Structure sketch of the vortex air pump

2.2 運行效果

旋渦氣泵啟機后，受好水處理池液位高度（背壓）影響，出口壓力在45～60 kPa；經(jīng)檢測，電機軸承垂直、水平振動值在1.0～2.5 mm/s，氣泵為懸臂式結(jié)構(gòu)，葉輪與電機軸直連，氣泵自身無軸承；因工藝流程上無流量計，無法監(jiān)測氣泵運行實際風(fēng)量，但從好氧池、配水池的曝氣效果來看，其風(fēng)量大于羅茨鼓風(fēng)機。

據(jù)重慶惠能標(biāo)普科技有限公司對旋渦氣泵運行時現(xiàn)場噪聲的檢測報告顯示，2016～2020 年檢測平均值為75.1 dB（A），低于GBZ 2.2—2007 要求的85 dB（A），符合標(biāo)準(zhǔn)。與羅茨鼓風(fēng)機相比，噪聲值降低20.5 dB（A），降幅為21.4%。據(jù)現(xiàn)場操作人員反饋，旋渦氣泵投用后，員工之間可在現(xiàn)場良好地溝通、交流；而羅茨鼓風(fēng)機運行時，受噪聲影響，需大聲說話才能勉強聽清。

自旋渦氣泵投用以來，設(shè)備運行良好，日常除對電機軸承進行常規(guī)的潤滑脂加注、氣泵入口過濾網(wǎng)清潔以外，尚未出現(xiàn)任何故障。據(jù)統(tǒng)計，單臺羅茨鼓風(fēng)機平均每年約檢修3 次，每次更換配件費用約4 000 元，維修人工費用4 500 元，每年2 臺風(fēng)機需用零配件和人工費用5.1 萬元，運維費用遠(yuǎn)高于設(shè)備采購價格。相比之下，旋渦氣泵運維成本更低。

2.3 設(shè)備對比

綜合對比羅茨鼓風(fēng)機和旋渦氣泵兩種類型設(shè)備，其優(yōu)缺點如表3 所示。

表3 羅茨鼓風(fēng)機與旋渦氣泵對比表Table 3 Comparison between roots blower and vortex air pump

3 結(jié)束語

隨著石油天然氣化工、輕工、造紙等行業(yè)的逐漸發(fā)展，企業(yè)對設(shè)備可靠性、環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，旋渦氣泵因其結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，占地面積小，流量和壓力穩(wěn)定，運行平穩(wěn)可靠，噪聲低，維保簡便等一系列優(yōu)點[5]，應(yīng)用范圍逐漸增廣，尤其適用于中低壓力，風(fēng)量50～2 000 m3/h 的使用工況。旋渦氣泵基本能較好地解決天然氣凈化廠污水處理裝置原羅茨鼓風(fēng)機存在的故障率高，維護量大、費用貴，噪聲超標(biāo)等問題，運行參數(shù)滿足工藝需求，是該工況下的理想替代設(shè)備。