用于低温真空脱水干化成套设备的污泥进料螺杆泵优化设计

0 引言

在我国节能减排政策与“十三五”规划的推动下，城镇污水处理得到了迅速发展，水环境治理也取得了显著成效。但在污水处理时大量产生的污泥却没有得到有效的处理和处置，对环境造成极大的危害，在我国特大城市中已经“泥满为患”，已严重影响我国节能减排政策的实施。污水经过沉淀处理后会产生大量污泥，即使经过浓缩、消化和脱水处理，含水率仍高达80%左右，体积仍然很大，必须经过干化处理，提高泥饼的含固率，以减少污泥堆置的占地面积，达到污泥减量化、稳定化、无害化处理。

低温真空脱水干化成套设备主要由污泥调质系统、机体系统、液压系统、进料系统、压滤系统、加热系统、真空系统、卸料系统、空压系统、除臭系统、电控系统组成。低温真空脱水干化成套设备与其他类型脱水机相比，泥饼含固率最高，可达35%。低温真空脱水干化成套设备的工作原理是在密闭的状态下，通过螺杆泵压入的污泥经过板框的挤压，使污泥内的水通过滤布排出，达到脱水的目的。近年来由于管道堵塞或自动化监测失灵造成管道爆管或低温真空脱水干化成套设备脱水机板框变形等事故多发。为了避免此类现象频繁发生，对进料螺杆泵出口进行优化设计，现通过工程实例予以介绍。

1 螺杆泵出口处设置安全阀的重要性

螺杆泵是容积式转子泵，依靠由螺杆和衬套形成的密封腔的容积变化来吸入和排出液体，出口处液体出流稳定、压力稳定，这既是螺杆泵的优点也是危险源之一。螺杆泵会源源不断地向出口管道中排出液体，一旦管道堵塞，管道压力会不断增大，当超出管道容许压力限值时就会造成爆管，对人员及生产运行造成危害，损失无法估量。目前设计往往是通过自动化控制的手段来实现螺杆泵的关停，一般会在螺杆泵出口处管道上设置压力表，设定限制，通过自动化控制程序达到关停螺杆泵的目的。

随着我国环保行业和自动化技术的不断发展，对污水处理厂或者是污泥处理场站提出了更高的要求，在工艺流程上要实现无人值守、在线值守或者一键启动。技术的发展进步取代了传统的人工操作，虽然大大节省了人力成本，但也带来了很多安全隐患。某一污泥处理厂的运行人员巡检为一班一次，螺杆泵向板框脱水机中输送污泥时，由于板框中通道堵塞，原先需要4 h的进料时间，不到2 h压力就超限了。压力计故障，PLC控制系统显示正常，而现场螺杆泵振动及噪声加大，此时并无相关人员巡检，压力超限后造成螺杆泵出口处闸阀与管道爆管脱节，脱水机板框变形，虽无人员伤亡，但给此污泥处理厂造成了停产维修等经济损失。

基于此类事故，在螺杆泵出口处设置安全阀及回流管，是考虑到自动化控制系统故障，无法达到关停螺杆泵的要求，造成出口处压力超限而产生危害，按照冗余安全度的原则，当出口管道压力超过安全阀规定压力后，安全阀开启，液体通过回流管输送至螺杆泵入口处，确保出口处管道及设备安全。

2 工程实例分析

某污水处理厂污泥处理工程技术参数如下：污泥进料螺杆泵4台（3用1备），流量Q=40～70 m3/h，扬程h=100 m，功率N=37 kW；出泥管材质为20#碳素钢，管径DN150，压力PN16；低温真空脱水干化成套设备3台，功率N=22 kW，过滤面积600 m2，过滤压力1.0 MPa。螺杆泵平面布置图如图1所示。

图1 螺杆泵平面布置图

2.1 低温真空脱水干化成套设备结构分析

低温真空脱水干化成套设备脱水机构主要由固定板、滤框、滤板、压紧板和压紧装置组成。滤板表面膜作为排液通路，滤框是中空的，多块滤板、滤框交替排列，通过压紧装置在滤板与滤框之间形成封闭的滤室，再利用螺杆泵将污泥源源不断地压入滤室中，通过螺杆泵的输出压力形成初期压滤脱水（见图2）。

图2 低温真空脱水干化成套设备结构图

2.2 螺杆泵输送压力分析

该工程采用的螺杆泵流量Q=40～70 m3/h，扬程h=100 m，功率N=37 kW。根据压强计算公式P=ρgh可计算出螺杆泵出口压强，该工程中污泥含水率为98.7%，可近似看成水，参照水的密度1 000 kg/m3，重力加速度g估算取10 N/kg，则出口压强为106Pa，即1 MPa。该工程中采用的低温真空脱水干化成套设备的滤板接触面积为4 m2，螺杆泵可提供1 MPa的压强值，根据压力计算公式F=PS可计算出每块滤板接触面将承受4 000 kN的压力，相当于在4 m2的板上作用400 t的压力，这么大的作用力会使板框滤板变形。

2.3 螺杆泵出口管道压力计优化设计

传统设计方案是在螺杆泵出口管道处设置一个压力计，通过自动化监测技术，设定报警值，一旦出口压力超过设定报警值后，自控系统会按照程序关停螺杆泵。但是经常出现自动监测仪表误报警，从而无法准确监测，从而无法根本消除安全隐患。究其根本原因，是因为螺杆泵是一种容积式回转泵，当出口端受阻以后，压力会逐渐升高，以至于超过预定的压力值也无法达到关停螺杆泵的目的。

该工程是在考虑到设置的一个压力计出现故障，出口端已达到设定的报警值，但压力计不能有效采集数据仍然显示正常，螺杆泵继续向管道及板框中输送介质，出口压力不断升高，超越报警值，监控平台不执行关停的指令操作，管道发生爆管或低温真空脱水干化成套设备发生变形的情况下，再设置一台同型号、同标准的压力计。两台压力计同时采集数据，互为备用。当其中一台压力计出现故障，另一台还可以正常工作，两台压力计同时出现故障的概率就相当低了（见图3）。

2.4 螺杆泵出口安全阀及管道优化设计

在考虑到螺杆泵出口管道上设置的两台压力计同时出现故障的小概率情况下，按照安全冗余度的原则对螺杆泵出口管道系统进行设计优化，增设安全泄压环路。该工程中螺杆泵出口管道为材质20#碳素钢，管径DN150，压力PN16，设置的安全泄压环路即旁通管选择与主管道同材质、同压力等级的管材。具体为材质20#碳素钢，管径DN80，压力PN16，通过安全阀与螺杆泵进口端管道相连通，形成一个闭合回路。当出口压力超过管道及板框设定的报警值后，自控系统却未实现关停螺杆泵，螺杆泵依然不断输送介质。此时超报警压力将顶开旁通管中安全阀的阀门，使得原先处于关闭状态的阀门开启，原先处于不通状态的管道畅通，形成介质新的流通回路系统。介质将通过安全阀返回螺杆泵进口端，新的回路使得出口管道压力不会超限，保证了出口管道和低温真空脱水干化成套设备的安全（见图4）。

图3 出口管道设置两台压力计

图4 出口管道设置旁通管及安全阀

安全阀又称泄压阀，处于常闭状态，是当设备或管道内的介质压力升高超过规定值时，通过向系统外排放介质来防止管道或设备内介质压力超过规定数值的特殊阀门，控制压力不超过规定值，对人身安全和设备运行起重要的保护作用（见图5）。

图5 安全阀

该工程中采用的安全阀为弹簧式安全阀，弹簧式安全阀是依靠弹簧的弹性压力而将阀的密封件闭锁，一旦当管道中的压力异常后，产生的高压将克服安全阀的弹簧压力，闭锁装置被顶开，形成了一个泄压通道，将高压泄放掉。

3 结语

螺杆泵因其流量均匀连续、振动小、噪声小、能输送含固体颗粒的液体等特点，在污水处理厂中广泛地被应用于输送污泥。本文通过工程实例对输送污泥螺杆泵出口管道与低温真空脱水干化成套设备脱水机进行联动优化设计，相关设计和实施方案可为类似通过螺杆泵来输送污泥进行处理脱水系统的设计提供参考，对保护低温真空脱水干化成套设备脱水机膜板、管道等具有积极意义。