加速澄清池排泥設(shè)備與驅(qū)控系統(tǒng)綜合改造探析

劉有來(lái)，任玉雙，劉新光

（蘭州城市供水（集團(tuán)）有限公司，甘肅 蘭州 730000）

蘭州城市供水（集團(tuán)）有限公司現(xiàn)有加速澄清池4座，主要用于對(duì)一次沉清水的投藥絮凝和加速澄清，單臺(tái)處理水量能力為0.6m3/s，正常情況下，進(jìn)、出水濁度分別小于100NTU和10NTU。如圖1，進(jìn)水先在1#反應(yīng)室與藥劑攪拌、混合后，密度稍大的泥沙首先與水分離、沉淀。提升攪拌輪出口位于1#、2#反應(yīng)室之間，由電磁調(diào)速電機(jī)通過(guò)皮帶傳動(dòng)、蝸輪蝸桿帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，主要用于將尚未混合均勻的大顆粒泥沙和藥劑送回1#反應(yīng)室，而將混合均勻的絮凝水提升至2#反應(yīng)室，通過(guò)聯(lián)通管流進(jìn)鋪設(shè)有PVC塑料斜管的分離區(qū)，水和泥沙經(jīng)過(guò)快速分離后，清水從穿壁孔進(jìn)入集水槽后流走。未完全分離的泥水流經(jīng)回流縫，部分泥沙在回流縫進(jìn)口附近沉積后，進(jìn)入1#反應(yīng)室，再次進(jìn)行循環(huán)處理。生產(chǎn)運(yùn)行表明，粒徑極小、懸浮流動(dòng)性極好的積泥最終在池底中心提升輪、邊緣回流縫附近呈“山”字型波浪狀分布。

圖1

排泥設(shè)備是加速池能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。原先使用的排泥設(shè)備是鋼絲繩機(jī)械傳動(dòng)刮泥機(jī)（圖2），先打開(kāi)排泥閥6，電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)1通過(guò)減速器驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪2，拉動(dòng)鋼絲繩3帶動(dòng)水下大繩輪7和刮泥板8轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將池底泥沙收集到池中心，利用水流將其從中心排泥管排出。

圖2

在長(zhǎng)期生產(chǎn)使用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)加速澄清池存在很多問(wèn)題：（1）鋼絲繩與轉(zhuǎn)動(dòng)輪因?yàn)槭墙饘俨牧?，長(zhǎng)年浸泡在加有混凝劑的泥水中，摩擦系數(shù)小，排泥負(fù)荷較重時(shí)容易產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，影響加速池的正常運(yùn)行。（2）刮泥機(jī)的主要部件長(zhǎng)期在泥水中工作，腐蝕快、易損壞、更換檢修困難且費(fèi)用比較高。（3）積泥最終是靠池內(nèi)的水將其自然沖走，排泥濁度低、放水時(shí)間長(zhǎng)、消耗水量大。（4）原動(dòng)機(jī)采用電磁調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)，渦流損耗大、效率低、噪聲大、運(yùn)行可靠性差。（5）攪拌機(jī)靠手動(dòng)操作變速運(yùn)行，調(diào)速比較頻繁，在低速、高速運(yùn)行時(shí)，經(jīng)常還會(huì)出現(xiàn)停轉(zhuǎn)及超速等轉(zhuǎn)速不穩(wěn)的情況。（6）原系統(tǒng)控制、顯示、測(cè)量?jī)x表及器件大多是現(xiàn)場(chǎng)和離線安裝運(yùn)行，無(wú)法實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙控功能，自動(dòng)化程度低，給值班操作人員和生產(chǎn)工藝管理帶來(lái)不便。為此，我公司經(jīng)與有關(guān)單位共同研制，分階段先后對(duì)加速澄清池的排泥設(shè)備和自動(dòng)控制系統(tǒng)分別進(jìn)行了改造。

1 將原鋼絲繩機(jī)械傳動(dòng)刮泥機(jī)改造為穿孔管水力排泥設(shè)備

根據(jù)加速池的泥顆在形成和沉積過(guò)程中，受攪拌槳旋轉(zhuǎn)和提升葉輪抽吸的共同影響，積泥最終在池底的分布區(qū)域和“山”字型的成形規(guī)律，結(jié)合其含水率高、流動(dòng)性好、滑膩無(wú)粘性的物理性能，將這4座加速池的機(jī)械排泥設(shè)備相繼改造為穿孔管水力排泥裝置。如圖3所示，從池底邊緣起，依次設(shè)置外環(huán)排泥管1、內(nèi)環(huán)排泥管2，分別布置在池底積泥分布較多的分度圓區(qū)域，排泥管通過(guò)徑向管5與設(shè)置在池心的錐形密封罩4聯(lián)通。在中心罩和內(nèi)層排泥管之間設(shè)置帶有噴嘴的高壓水沖洗環(huán)管6。兩層排泥管上按一定規(guī)律分布有吸泥孔，中心罩靠池底處均勻設(shè)置有8個(gè)液壓控制排泥活門(mén)3。排泥時(shí)，先打開(kāi)池底排泥閥，分布在外層的兩層穿孔管迅速將所在區(qū)域的活性泥，通過(guò)徑向聯(lián)通管收集到中心罩。由于中心總排泥管的截面積大于所有外層吸泥孔的進(jìn)口面積之和，根據(jù)流體力學(xué)原理，在加速澄清池中心罩內(nèi)形成一個(gè)負(fù)壓室，使之產(chǎn)生較強(qiáng)的抽吸力，污泥利用其自身的流動(dòng)性，以大約3m/s的速度經(jīng)過(guò)中心罩排走。然后，同時(shí)打開(kāi)高壓沖洗水和中心罩上的排泥活門(mén)，密集、強(qiáng)勁的高壓噴射水將殘留在內(nèi)環(huán)管區(qū)域的泥層激散，連同分布在池底中心罩區(qū)域的泥沙，通過(guò)排泥活門(mén)，從總排泥管排出池外。

圖3

針對(duì)該水力排泥裝置對(duì)積泥含水率高、流動(dòng)性好的泥性要求，我們同時(shí)對(duì)原攪拌葉槳和回流縫予以適當(dāng)完善，使之更加適合新裝置的特點(diǎn)和要求。

（1）適當(dāng)加長(zhǎng)攪拌槳的長(zhǎng)度和外緣直徑，增大攪拌范圍和強(qiáng)度。當(dāng)在進(jìn)水中加入一定的混凝劑后，受攪拌槳和提升輪的作用，使加速池的1#反應(yīng)室內(nèi)生成大量的絮花。絮花的形狀、大小不一，密度比水稍大。在水與絮花之間的相互碰撞和摩擦力的作用下，在空間形成螺旋線運(yùn)動(dòng)軌跡，最后，懸浮、沉積在池底形成泥沙。加長(zhǎng)攪拌槳的長(zhǎng)度和外緣直徑后，使1#反應(yīng)室的絮花在形成泥沙過(guò)程中，不會(huì)在池底沉積結(jié)層，始終處于適度的流動(dòng)狀態(tài)，便于被穿孔排泥管吸走。

（2）將回流縫寬由原來(lái)的0.25m增加到0.52m。如圖1所示，回流縫位于分離區(qū)的底部，分離區(qū)形成的泥沙通過(guò)回流縫進(jìn)入1#反應(yīng)室，泥沙由排泥管排出，渾水再次進(jìn)行循環(huán)處理。由于加長(zhǎng)了攪拌槳的長(zhǎng)度和外緣直徑后，攪拌范圍和強(qiáng)度增大，藥劑與水混合均勻度提高，分離區(qū)泥粒與水的分離和形成泥沙的速度加快，容易在分離區(qū)底部堆積，堵塞回流縫。回流縫加寬后，使積泥能夠滑動(dòng)到外環(huán)排泥管區(qū)域后被吸走。

2 將原電磁調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置改為變頻調(diào)速控制系統(tǒng)

加速澄清池?cái)嚢铏C(jī)原來(lái)由電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶傳動(dòng)（傳動(dòng)比i1=3.34:1）帶動(dòng)蝸桿、蝸輪（i2=63:1），進(jìn)而帶動(dòng)與蝸輪同軸的攪拌機(jī)共同旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)速度依據(jù)進(jìn)水濁度動(dòng)態(tài)調(diào)整。當(dāng)進(jìn)水濁度較低時(shí)，調(diào)節(jié)攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速為3～5r/m，當(dāng)進(jìn)水濁度較高時(shí)，調(diào)節(jié)攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速為1.4～3r/m，保證在滿足出水濁度的前提下，使積泥濃度保持在適合排泥裝置要求的最佳范圍內(nèi)。

原調(diào)速系統(tǒng)采用JZT-71-4電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)，輸出轉(zhuǎn)速1200～120r/m，輸出轉(zhuǎn)矩137Nm。電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)由拖動(dòng)原動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)差離合器、測(cè)速發(fā)電機(jī)和控制裝置組成，部件多，檢修復(fù)雜，且渦流損失大、效率低。其中原動(dòng)機(jī)型號(hào)為JO2-71-4、功率22kW、轉(zhuǎn)速1470r/m、郊率η=89.5%、功率因數(shù)cosφ=0.88、采用ZKL-1控制器，手操調(diào)速。由于按照生產(chǎn)工藝要求，攪拌機(jī)要經(jīng)常手動(dòng)操作變速運(yùn)行，調(diào)速比較頻繁，在低速、高速運(yùn)行時(shí)，經(jīng)常還會(huì)出現(xiàn)停轉(zhuǎn)及超速等轉(zhuǎn)速不穩(wěn)的情況，且能耗高、噪聲較大。為此經(jīng)過(guò)認(rèn)真計(jì)算，結(jié)合多年的實(shí)際運(yùn)行情況，將原電磁調(diào)速裝置改為日本三菱FR-A540—15—CH變頻器，配套電機(jī)改為Y180L-6-15異步機(jī)，功率15 kW。其選型計(jì)算過(guò)程如下：

（1）調(diào)速范圍：實(shí)際運(yùn)行時(shí)攪拌提升機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍 為 n=（1.4-5）r/m， 中 間 總 傳 動(dòng) 比 i=i1×i2=3.34×63=210.4，電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為N=（1.4-5）×210.4=(295-1052)r/m。

（2）電機(jī)功率：按原JZT-71-4電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī) 輸 出 轉(zhuǎn) 矩 14kgm逆 算，P=（M/9550）×N=(137/9550)×（295-1052）=(4.2-15.1)kW。 按 原 電 動(dòng) 機(jī) U=380V、I=29.5A、η=89.5%、cosφ=0.88的實(shí)際運(yùn)行最大電氣參數(shù)算，P=√3×U×I×η×cosφ=√3×380×29.5×89.5%×0.88=15.3kW。

綜合這兩種因素，選用FR-A540—15—CH變頻器，配套Y180L-6-15異步電動(dòng)機(jī)，額定功率15kW、轉(zhuǎn)速970r/m，系統(tǒng)的電氣控制原理如圖4。各控制按鈕、重要參數(shù)、狀態(tài)顯示均可按需要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)和值班室兩地控制、測(cè)量與顯示，提高了控制系統(tǒng)的安全可靠性和自動(dòng)化水平。

圖4

3 變頻調(diào)速采用前饋?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)

加速澄清池未改為變頻調(diào)速前，是根據(jù)進(jìn)水濁度等因素的變化，手動(dòng)操作電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)的ZKL-1控制器進(jìn)行調(diào)速。因?yàn)檫M(jìn)水濁度要經(jīng)常變化，手動(dòng)調(diào)速不僅操作頻繁，而且經(jīng)常出現(xiàn)攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速與進(jìn)水濁度不相適影響出水濁度的情況。為了能根據(jù)水質(zhì)情況，對(duì)攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速能隨時(shí)調(diào)整，我們?cè)鲈O(shè)了與FR-A540—15變頻器相配套的自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)按信號(hào)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一般分為反饋控制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)和前饋—反饋復(fù)合控制系統(tǒng)三類。我公司加速澄清池出水濁度受進(jìn)水濁度、藥劑、水溫、攪拌、排泥等多種因素的影響，故按以上多種因素完成以出水濁度為被控量的反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為復(fù)雜。前饋控制系統(tǒng)一般直接根據(jù)擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，擾動(dòng)量是控制的依據(jù)。在多年的生產(chǎn)運(yùn)行中，主要是依據(jù)進(jìn)水濁度對(duì)攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，故我們采用了以進(jìn)水濁度的變化為擾動(dòng)信號(hào)，直接調(diào)節(jié)變頻電機(jī)速度的前饋控制系統(tǒng)，其控制原理見(jiàn)圖5。電量變送器將在線濁度儀測(cè)得的進(jìn)水濁度變?yōu)閷?duì)應(yīng)的模擬信號(hào)，經(jīng)比例調(diào)節(jié)器按表1濁度與轉(zhuǎn)速關(guān)系轉(zhuǎn)換成4～20mA的模擬信號(hào)輸入變頻器相應(yīng)的端子，從而能夠按進(jìn)水濁度的變化自動(dòng)調(diào)整攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速。基中進(jìn)水濁度與電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系可按實(shí)際情況在比例調(diào)節(jié)器上適時(shí)修整。

圖5

表1 進(jìn)水濁度與電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系

4 改造后運(yùn)行使用情況和綜合節(jié)能效果

在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，結(jié)合不同季節(jié)的進(jìn)水濁度，我們相應(yīng)調(diào)整了加速澄清池的排泥工藝，增加了排泥次數(shù)，縮短了每次的排泥時(shí)間，使泥沙在未沉積結(jié)層之前就排出池外。經(jīng)幾年的生產(chǎn)實(shí)踐運(yùn)行，排泥效果理想，節(jié)能效益顯著：（1）使加速澄清池處理高濁度黃河水的能力提高，出水濁度達(dá)5～7NTU，最大排泥濁度23000NTU，完全滿足加速澄清池的凈水工藝要求。（2）排泥原理先進(jìn)，排泥次數(shù)依據(jù)進(jìn)水濁度確定，總排泥時(shí)間縮短，效率提高，消耗水量減少。（3）排泥裝置結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，在水中作業(yè)，不需潤(rùn)滑，安全可靠性提高，使用壽命延長(zhǎng)，制造、安裝費(fèi)用低，檢修、維護(hù)量少。（4）采用變頻調(diào)速后的異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，操作靈活方便，噪聲明顯降低，大大改善了工作環(huán)境。（5）改手動(dòng)操作調(diào)速為自動(dòng)調(diào)速，改善了人為因素造成的攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速與進(jìn)水濁度不相適，影響出水濁度的情況。（6）系統(tǒng)的啟停、顯示、報(bào)警回路增設(shè)了現(xiàn)場(chǎng)和值班室兩地控制、測(cè)量回路，實(shí)現(xiàn)了遙測(cè)、遙控功能，直觀的人機(jī)對(duì)話方式，使控制調(diào)節(jié)靈活方便、滿足了凈水工藝對(duì)調(diào)速系統(tǒng)可靠、靈活性的要求，整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度提高。（7）省去了機(jī)械傳動(dòng)刮泥機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)，提高了攪拌提升機(jī)的動(dòng)力傳輸效率和運(yùn)行安全可靠性，改造后，4座加速澄清池每年可節(jié)約電、水及檢修費(fèi)用約56萬(wàn)元。

5 結(jié)語(yǔ)

總之，加速澄清池排泥設(shè)備及其自控系統(tǒng)改造后的運(yùn)行實(shí)踐表明，既滿足了生產(chǎn)工藝運(yùn)行要求，系統(tǒng)的自動(dòng)化程度提高，又產(chǎn)生了顯著的綜合節(jié)能效果，非常適合在同類制水工藝設(shè)施的新建和改建工程中應(yīng)用推廣。