污泥螺桿泵輸送能力評(píng)估系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

摘 要：提出了一種污泥螺桿泵輸送能力評(píng)估系統(tǒng)，旨在提高螺桿泵在污水處理領(lǐng)域的運(yùn)行安全性和可靠性。系統(tǒng)通過(guò)螺桿泵的電流、電壓、運(yùn)行頻率等參數(shù)，基于轉(zhuǎn)速-功率特性曲線和轉(zhuǎn)速-流量特性曲線計(jì)算理論輸送泥量。同時(shí)，應(yīng)用容積法測(cè)定實(shí)際輸送泥量，并根據(jù)理論值與實(shí)際值的比值實(shí)時(shí)評(píng)估螺桿泵的能效。該系統(tǒng)包括人機(jī)交互模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和計(jì)算模塊，能夠自動(dòng)監(jiān)聽(tīng)、記錄和計(jì)算螺桿泵的輸送量和能效，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估。研究結(jié)果表明：系統(tǒng)所提供的泥位監(jiān)控和時(shí)間監(jiān)控模式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)螺桿泵輸送量和效率的自動(dòng)計(jì)算，兩種方法之間的計(jì)算誤差不超過(guò)4個(gè)百分點(diǎn)，系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度和穩(wěn)定性，可為污泥焚燒廠提供一種高效的螺桿泵能力評(píng)估工具，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：污泥螺桿泵；污泥輸送量；容積效率；能效評(píng)估

中圖分類(lèi)號(hào)：TH327" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2025）04-0043-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.04.010

0" " 引言

污泥螺桿泵是一種單螺桿式輸送泵，可用于具有一定粘度的液體的輸送。螺桿泵的輸送量是對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)估的關(guān)鍵參數(shù)之一，也是污泥焚燒處理過(guò)程中的重要指標(biāo)。及時(shí)、準(zhǔn)確地計(jì)量污泥輸送量，可以對(duì)后續(xù)的污泥焚燒處理優(yōu)化進(jìn)行決策指導(dǎo)。

近年來(lái)，很多學(xué)者對(duì)螺桿泵進(jìn)行了一些研究。韓笑笑等人[1]基于Pumplinx軟件對(duì)螺桿泵進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算求解，通過(guò)模擬研究了不同轉(zhuǎn)速、壓差下螺桿泵的特性，指出螺桿泵的泄漏會(huì)影響泵的水力效率。張旺等人[2]基于響應(yīng)面法，采用有限元數(shù)值仿真建立容積效率與敏感參數(shù)的擬合關(guān)系模型，通過(guò)優(yōu)化間隙、壓差及動(dòng)力粘度提高螺桿泵的容積效率。魏玉芬等人[3]采用單向流固耦合方法計(jì)算不同泵壓下的容積效率，建立螺桿泵漏失模型，通過(guò)容積效率降低判斷螺桿泵是否發(fā)生泄漏。以上研究針對(duì)螺桿泵進(jìn)行泄漏的理論分析，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中難以實(shí)時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)子、齒輪間隙、腔體壓差等參數(shù)，且缺少對(duì)泄漏量大小的數(shù)值計(jì)算。徐興華等人[4]對(duì)螺桿泵的輸送能力及其影響因素進(jìn)行了研究，通過(guò)稱量的方式擬合了螺桿泵的流量-頻率曲線，用于計(jì)算輸送過(guò)程中的質(zhì)量流量，但此方法只是針對(duì)特定的污泥進(jìn)行的短時(shí)間研究，隨著螺桿泵的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，所接收的污泥含水率會(huì)因季節(jié)等因素而發(fā)生變化，螺桿泵的定子或轉(zhuǎn)子磨損也會(huì)導(dǎo)致內(nèi)泄漏，再加上污泥堵塞等情況，泵的流量會(huì)變小，此方法估算的輸送量與實(shí)際輸送量的偏差也就隨之增大，且無(wú)法判斷磨損程度。

目前，大部分污水處理廠、污泥焚燒廠僅憑借經(jīng)驗(yàn)公式估算污泥流量，或采用超聲波等流量計(jì)對(duì)污泥流量進(jìn)行計(jì)量。在實(shí)際應(yīng)用中，由于污泥的性質(zhì)復(fù)雜、黏性大，且含有大量的固體顆粒和雜質(zhì)，這些物質(zhì)可能堆積在流量傳感器上，導(dǎo)致傳感器堵塞，影響測(cè)量結(jié)果。在上述背景下，本文提出了一種污泥螺桿泵輸送能效評(píng)估系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)、自動(dòng)地對(duì)污泥螺桿泵的輸送量進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)計(jì)算螺桿泵的容積效率，判斷其輸送能力有無(wú)下降，是否發(fā)生堵塞等問(wèn)題，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行故障診斷，實(shí)現(xiàn)螺桿泵在運(yùn)行過(guò)程中的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、能力評(píng)估，保證螺桿泵安全可靠運(yùn)行。

1" " 螺桿泵能效評(píng)估模型建立

容積效率是判斷螺桿泵性能的重要技術(shù)指標(biāo)，采用試驗(yàn)方法獲取污泥螺桿泵的容積效率是目前最常用的方法。隨著泵的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，其內(nèi)部間隙磨損、增大，容積效率逐漸下降。當(dāng)容積效率低于50%～60%時(shí)，下降速度明顯加快[5-6]。因此，建立螺桿泵能效評(píng)估模型對(duì)于監(jiān)測(cè)泵的健康狀況和預(yù)測(cè)維護(hù)需求至關(guān)重要。通過(guò)模型計(jì)算結(jié)果，操作人員可以更好地理解泵的輸送能力和能效，優(yōu)化其運(yùn)行參數(shù)，及時(shí)識(shí)別和解決潛在的運(yùn)行問(wèn)題，減少意外停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。

1.1" " 螺桿泵理論流量計(jì)算

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，難以實(shí)時(shí)采集轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和所輸送液體的粘度等參數(shù)，因此本文基于現(xiàn)場(chǎng)可采集的螺桿泵頻率、電流、電壓等參數(shù)，采用特性曲線法，估算其理論輸送量。

轉(zhuǎn)速n計(jì)算公式為：

式中：n為轉(zhuǎn)速（r/min）；f為頻率（Hz）；p為極對(duì)數(shù)，無(wú)因次。

功率N計(jì)算公式為：

式中：N為功率（W）；U為電壓（V）；I為電流（A）；cos φ為功率因數(shù)，無(wú)因次。

根據(jù)螺桿泵轉(zhuǎn)速-功率曲線，在其工作壓力不變的情況下，螺桿泵的功率與其轉(zhuǎn)速成正比，即理論工作特性曲線C1的方程式為：

式中：k1、b1為理論功率曲線的擬合系數(shù)，無(wú)因次。

將已知的轉(zhuǎn)速-功率特性曲線作為基線，用A1、B1表示，待求解的特性曲線用C1表示，建立數(shù)學(xué)模型。在A1特性曲線下的工作壓力為PA，在B1特性曲線下的工作壓力為PB，根據(jù)線性插值法可求得特性曲線C1下的工作壓力，即：

式中：PA、PB、PC為分別為特性曲線A1、B1、C1下的工作壓力（Pa）；nA、nB為轉(zhuǎn)速（r/min）。

根據(jù)螺桿泵轉(zhuǎn)速-流量曲線，在其工作壓力不變的情況下，螺桿泵的理論輸送量與其轉(zhuǎn)速成正比，即理論工作特性曲線C2的方程式為：

式中：QC為螺桿泵的理論瞬時(shí)流量（m3/h）；k2、b2為理論流量曲線的擬合系數(shù)，無(wú)因次。

將已知的轉(zhuǎn)速-流量特性曲線作為基線，用A2、B2表示，待求解的特性曲線用C2表示，確定待求曲線C2的比例因子，建立數(shù)學(xué)模型。根據(jù)線性插值法求解上述曲線C2的方程式，算得該螺桿泵在當(dāng)前工況下的理論輸送量。插值計(jì)算后曲線如圖1所示。

1.2" " 實(shí)際輸送量計(jì)算

污泥螺桿泵輸送量的測(cè)量方法有很多種，最常用的有容積法、質(zhì)量法、流量計(jì)法等。本文采用容積法，即對(duì)單位時(shí)間內(nèi)的流體體積進(jìn)行計(jì)量，從而計(jì)算出流量Q，其計(jì)算公式為：

式中：A為污泥料倉(cāng)底面積（m2）；LVLi為開(kāi)始測(cè)定時(shí)泥位（m）；LVLi+1為結(jié)束測(cè)定時(shí)泥位（m）；Δt為測(cè)定時(shí)間（h）。

1.3" " 容積效率計(jì)算

螺桿泵的容積效率是衡量其工作性能的主要因素。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后出現(xiàn)的定子磨損、污泥堵塞等情況會(huì)導(dǎo)致容積效率降低，此時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行故障維修及清理。泵的容積效率ηv為泵的實(shí)際排量與理論排量之比，即：

式中：Qt為螺桿泵理論排量（m3/h）；Q為螺桿泵實(shí)際排量（m3/h）。

2" " 系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用

在確定采用容積法和計(jì)時(shí)法對(duì)螺桿泵的實(shí)際輸送量進(jìn)行標(biāo)定的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了對(duì)螺桿泵輸送能力評(píng)估系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)。

2.1" " 系統(tǒng)框架

基于上述模型，本文提出了一種污泥螺桿泵輸送能力標(biāo)定系統(tǒng)，旨在輔助操作人員進(jìn)行螺桿泵輸送能力的標(biāo)定及能效的自動(dòng)計(jì)算。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、監(jiān)聽(tīng)和調(diào)用模塊、計(jì)算模塊、人機(jī)交互模塊組成，具體設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)可通過(guò)采集模塊中的各種傳感器設(shè)備實(shí)現(xiàn)螺桿泵運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)采集；采集數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊供模型計(jì)算使用，同時(shí)傳輸至人機(jī)交互界面（圖3）顯示；人機(jī)交互模塊可以選擇監(jiān)控模式、調(diào)用模型進(jìn)行計(jì)算。

該系統(tǒng)的操作流程如下：

1）操作人員通過(guò)人機(jī)交互界面選擇監(jiān)控模式。在泥位監(jiān)控模式下，用戶可設(shè)定期望的結(jié)束泥位值；在時(shí)間監(jiān)控模式下，用戶可設(shè)定一個(gè)期望的結(jié)束時(shí)間。

2）監(jiān)聽(tīng)和調(diào)用模塊判斷當(dāng)前系統(tǒng)是否滿足啟動(dòng)條件，具體為污泥料倉(cāng)的進(jìn)料口電磁閥是否關(guān)閉，以及系統(tǒng)中是否僅有一臺(tái)泵處于開(kāi)啟狀態(tài)。

3）評(píng)估系統(tǒng)將記錄料倉(cāng)的泥位變化，并監(jiān)控運(yùn)行中的螺桿泵是否出現(xiàn)頻率變化。若檢測(cè)到頻率變化，系統(tǒng)將退出記錄模式。

4）根據(jù)所選的監(jiān)控模式，系統(tǒng)將調(diào)用計(jì)算模塊。在泥位模式下，系統(tǒng)將跟蹤料倉(cāng)的泥位，并在泥位下降至預(yù)設(shè)值時(shí)觸發(fā)模型進(jìn)行計(jì)算標(biāo)定。在時(shí)間模式下，系統(tǒng)將在設(shè)定的結(jié)束記錄時(shí)間到達(dá)時(shí)記錄泥位，并調(diào)用計(jì)算模塊進(jìn)行計(jì)算。

5）計(jì)算模塊將結(jié)果返回至人機(jī)交互模塊，并同步存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

通過(guò)這一流程，系統(tǒng)能夠有效地輔助操作人員完成螺桿泵輸送能力的標(biāo)定和能效的自動(dòng)計(jì)算。

2.2" " 應(yīng)用效果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證螺桿泵輸送能力評(píng)估系統(tǒng)的可靠性，在對(duì)螺桿泵的理論流量公式進(jìn)行標(biāo)定后，分別采用了時(shí)間監(jiān)控和泥位監(jiān)控兩種模式，對(duì)污泥料倉(cāng)中的螺桿泵輸送能力進(jìn)行了測(cè)量和計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，分別采用時(shí)間監(jiān)控模式與泥位監(jiān)控模式對(duì)螺桿泵的性能進(jìn)行了測(cè)定，從而評(píng)估兩種不同監(jiān)控模式下污泥料倉(cāng)出口螺桿泵的輸送能力，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

在時(shí)間監(jiān)控模式下，設(shè)定計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為150 min，泥位下降了0.7 m，螺桿泵的計(jì)算容積效率為55.8%；在泥位監(jiān)控模式下，開(kāi)始泥位為1.75 m，設(shè)定其結(jié)束泥位為1.05 m，用時(shí)140 min，其容積效率為59.7%。

綜合兩種模式的測(cè)定結(jié)果，可以得出結(jié)論：時(shí)間監(jiān)控模式與泥位監(jiān)控模式，在污泥料倉(cāng)出口螺桿泵的輸送能力測(cè)定中，都能夠?qū)崿F(xiàn)容積效率的自動(dòng)測(cè)量計(jì)算，且兩者之間的測(cè)量誤差不超過(guò)4個(gè)百分點(diǎn)。造成誤差的原因可能是傳感器精度、信號(hào)干擾或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差，導(dǎo)致泥位和時(shí)間的測(cè)量不準(zhǔn)確，從而影響容積效率的計(jì)算。同時(shí)，泥位的變化可能受到多種因素的影響，如泥位的沉積特性、污泥含水率等，這些都可能導(dǎo)致泥位測(cè)量的不確定性，進(jìn)而影響容積效率的計(jì)算。

3" " 結(jié)論

本研究成功開(kāi)發(fā)了一種基于輸送泥量的螺桿泵能效評(píng)估方法及系統(tǒng)，通過(guò)研究可得出以下結(jié)論：

1）系統(tǒng)可通過(guò)采集螺桿泵的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)，結(jié)合轉(zhuǎn)速-功率和轉(zhuǎn)速-流量特性曲線，計(jì)算出理論輸送泥量，并與實(shí)際輸送泥量進(jìn)行比較，從而評(píng)估螺桿泵的能效。

2）該系統(tǒng)提供時(shí)間監(jiān)控和泥位監(jiān)控兩種模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)螺桿泵的實(shí)時(shí)、在線監(jiān)控及能效評(píng)估。

3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩種模式的測(cè)量結(jié)果之間誤差不超過(guò)4個(gè)百分點(diǎn)，系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度和可靠性。

但研究仍存在一些不足之處，如不同的污泥黏性和稠度不同，在料倉(cāng)中的堆積分布不均勻，導(dǎo)致泥位測(cè)量具有不確定性。除此之外，高質(zhì)量的數(shù)據(jù)是系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵，需要加強(qiáng)數(shù)據(jù)清洗和治理工作，以提升污泥螺桿泵輸送能力標(biāo)定系統(tǒng)的運(yùn)行精度和穩(wěn)定性。

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收稿日期：2024-10-21

作者簡(jiǎn)介：金浩（1982—），男，上海人，助理工程師，研究方向：污泥處理。