張澤派

（廣東省機械研究所，廣州 510635）

0 引言

自動高壓壓濾機是一種間歇性污泥深度分離設備，采用機、電一體化設計制造，結構合理、操作簡單方便、維修率低，能夠實現(xiàn)無人操作自動運行。壓濾機工作過程包括保壓、進料、壓濾（壓榨）、卸濾餅［1-2］。普通的隔膜板框壓濾機利用壓榨泵往壓濾機隔膜板中注入高壓水，利用隔膜張力對污泥進行強力擠壓，實現(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［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。新型壓濾機主推高壓過濾（壓榨），使處理后的干泥含水率達到最佳效益的低值。高壓過濾的壓力已從普通隔膜壓濾機的1.5 ～1.8 MPa 階段，轉變?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泵構成，通過柱塞泵運行實現(xiàn)壓榨腔室內形成高壓，高壓基本為3 ～10 MPa，可分不同等級壓力。系統(tǒng)采用模糊PID控制技術，通過變頻調速，調節(jié)壓榨壓力的恒定，保障壓榨環(huán)節(jié)設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，實現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制，實現(xiàn)高效、高質量壓榨的目的［5］。高壓三柱塞往復泵的正常工作是壓榨環(huán)節(jié)的重要組成部分，針對高壓三柱塞往復泵在帶壓起動過程中遇到的電機堵轉情況問題進行分析并作具時效的改造，達到壓濾機的高質量運行［6］。

1 高壓三柱塞往復泵應用及分析

1.1 應用場景

某項目選用高壓三柱塞往復泵壓力為10 MPa；高壓壓濾機實現(xiàn)工作最大壓力為10 MPa。通過系統(tǒng)控制PID調節(jié)控制高壓三柱塞往復泵的轉速，從而實現(xiàn)0～10 MPa中固定一個壓力值保壓壓濾。

1.2 控制系統(tǒng)構成

該項目中的控制系統(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，由西門子G120變頻器控制高壓三柱塞往復泵運行。通過PLC的PID控制器計算，輸出控制變量，對應高壓柱塞泵運行頻率，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為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)；s為拉普拉斯運算符；b為比例作用權重；w為設定值；x為過程反饋值；a為微分延時系數(shù)；c為微分作用權重。

1.3 運行情況及分析

高壓三柱塞往復泵管路連接安裝如圖2 所示。高壓三柱塞往復泵將水泵送至壓濾機，在泵出口管路上有壓力變送器，檢測壓濾機壓濾壓力。該壓濾機根據(jù)實際需要，設定了幾個不同的壓濾壓力值，分別為2.5 MPa、5 MPa、8 MPa、10 MPa。從不同壓力壓濾運行情況看，柱塞泵工作，通過PID 控制電機轉速變化，使管路壓力從0 MPa上升至設定壓力值，柱塞泵工作正常。當管路壓力值大于設定值，控制電機轉速輸出為0 r/min；管路壓力值下降低于設定值（此時管路內仍有較大壓力），控制電機轉速上升；設定為2.5 MPa 壓力目標值，電機正常工作；設定為5 MPa目標值，電機出現(xiàn)堵轉現(xiàn)象。

圖2 改造前管路示意圖

計算電機的扭矩值，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 為電機轉速，r/min。

根據(jù)實際電機銘牌參數(shù)可得：P ＝45 kW；n ＝1480 r/min；根據(jù)式（2）計算得額定轉矩T ≈290.37 N·m。

柱塞泵輕負載起動運行正常，柱塞作用力是泵體上曲軸的作用力和柱塞運功慣性力之和，所以柱塞泵設計出口壓力為12 MPa。實際柱塞泵出口處壓力大于等于4 MPa時，柱塞泵運行速度為0，由于壓力目標值，柱塞泵起動加速運行，此情況下負載過大，轉矩不足帶動三柱塞往返泵，電機發(fā)生堵轉。通過公式計算驗證可分析該現(xiàn)象的原因。壓力與壓強的關系如式（3）所示；面積計算公式如式（4）所示；扭矩與力及力矩的關系如式（5）所示。

式中：S為受力面積，m2；F 為壓力，N；p 為壓強，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p ＝10 MPa時，通過公式計算得柱塞受壓力F ＝15 896.25 N，克服該作用力需要的扭矩為T ＝755.071 875 N·m；當p ＝4 MPa時，通過公式計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，當三柱塞往復泵出口端帶壓力負載時，電機的扭矩不足以帶動三柱塞往復泵運轉。

2 改造方案及實行

正常工作環(huán)境下，高壓三柱塞往復泵無帶壓起動運行，電機扭力及慣性力時泵正常運行工作。根據(jù)實際情況，改造方案一是避開帶壓起動運行思路對此工作站進行改造，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用閥，其啟閉件受外力作用下處于常閉狀態(tài)，當設備或管道內的介質壓力升高，超過規(guī)定值時自動開啟，通過向系統(tǒng)外排放介質來防止管道或設備內介質壓力超過規(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，控制管路內實時壓力在2.5 MPa以下時不泄壓，可以減少壓榨生產過程中的升壓時間。

通過安裝旁路泄流，在PID 控制下，控制電機頻率高于堵轉轉速且節(jié)能效果在15～20 Hz，壓力值穩(wěn)定在設定值。如圖3所示，安裝旁路管徑為15 mm，其中手動閥可調節(jié)泄壓的流量，調節(jié)開度使泄壓時排出流量較小，可保障電機運行頻率在15～20 Hz，達到節(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

改造方案二是在項目前期進行正確合理選型。高壓三柱塞往復泵在選型上，選擇大功率、低轉速的電機，電機的扭矩會更大，但相應成本也較高。高壓三柱塞往復泵，電機軸及泵體曲軸安裝皮帶輪，通過皮帶進行連接的結構可以使作用在泵體曲軸上的扭矩成倍數(shù)變化。當泵體曲軸的皮帶輪半徑是電機軸半徑的3 倍時，泵體曲軸扭矩增大至3 倍。皮帶輪結構如圖4所示。

圖4 皮帶輪帶動的高壓三柱塞往復泵

3 結束語

通過項目改造方案一執(zhí)行后，高壓三柱塞往復泵運行正常，實現(xiàn)壓榨過程中的壓力穩(wěn)定及平緩保壓目的，壓濾效果佳。通過該項目出現(xiàn)問題分析，可從中得出經(jīng)驗，高壓三柱塞往復泵的選型過程，應先通過公式計算及明確實際工況需求，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泵［8］。