高压三柱塞往复泵带压起动运行方法分析*

张泽派

（广东省机械研究所，广州 510635）

0 引言

自动高压压滤机是一种间歇性污泥深度分离设备，采用机、电一体化设计制造，结构合理、操作简单方便、维修率低，能够实现无人操作自动运行。压滤机工作过程包括保压、进料、压滤（压榨）、卸滤饼［1-2］。普通的隔膜板框压滤机利用压榨泵往压滤机隔膜板中注入高压水，利用隔膜张力对污泥进行强力挤压，实现泥水分离，滤液透过隔膜板上的滤布通过排水流道排出，污泥固体过滤截留在滤布上，形成含水低的干物质［3］。随着全球绿色环保科技的发展，生活、工业污泥处理装备爆发性地推陈出新。新型压滤机主推高压过滤（压榨），使处理后的干泥含水率达到最佳效益的低值。高压过滤的压力已从普通隔膜压滤机的1.5 ～1.8 MPa 阶段，转变为最高稳定在10 MPa值［4］。其中，压滤步骤的重要工作站由高压三柱塞往复泵构成，通过柱塞泵运行实现压榨腔室内形成高压，高压基本为3 ～10 MPa，可分不同等级压力。系统采用模糊PID控制技术，通过变频调速，调节压榨压力的恒定，保障压榨环节设备的安全可靠以及一定的压榨效果；依据压滤环节压榨滤液排量的情况，实现系统闭环控制，实现高效、高质量压榨的目的［5］。高压三柱塞往复泵的正常工作是压榨环节的重要组成部分，针对高压三柱塞往复泵在带压起动过程中遇到的电机堵转情况问题进行分析并作具时效的改造，达到压滤机的高质量运行［6］。

1 高压三柱塞往复泵应用及分析

1.1 应用场景

某项目选用高压三柱塞往复泵压力为10 MPa；高压压滤机实现工作最大压力为10 MPa。通过系统控制PID调节控制高压三柱塞往复泵的转速，从而实现0～10 MPa中固定一个压力值保压压滤。

1.2 控制系统构成

该项目中的控制系统由西门子1200型PLC控制，选择罗斯蒙特的压力变送器检测管路压力作为反馈信号，由西门子G120变频器控制高压三柱塞往复泵运行。通过PLC的PID控制器计算，输出控制变量，对应高压柱塞泵运行频率，控制过程如图1所示。

图1 控制过程示意图

PID控制器的算法如下所示。

式中：y为PID算法输出值；Kp为比例增益系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数；s为拉普拉斯运算符；b为比例作用权重；w为设定值；x为过程反馈值；a为微分延时系数；c为微分作用权重。

1.3 运行情况及分析

高压三柱塞往复泵管路连接安装如图2 所示。高压三柱塞往复泵将水泵送至压滤机，在泵出口管路上有压力变送器，检测压滤机压滤压力。该压滤机根据实际需要，设定了几个不同的压滤压力值，分别为2.5 MPa、5 MPa、8 MPa、10 MPa。从不同压力压滤运行情况看，柱塞泵工作，通过PID 控制电机转速变化，使管路压力从0 MPa上升至设定压力值，柱塞泵工作正常。当管路压力值大于设定值，控制电机转速输出为0 r/min；管路压力值下降低于设定值（此时管路内仍有较大压力），控制电机转速上升；设定为2.5 MPa 压力目标值，电机正常工作；设定为5 MPa目标值，电机出现堵转现象。

图2 改造前管路示意图

计算电机的扭矩值，扭矩公式如下式所示。

式中：T 为扭矩，N·m；P 为输出功率，kW；n 为电机转速，r/min。

根据实际电机铭牌参数可得：P ＝45 kW；n ＝1480 r/min；根据式（2）计算得额定转矩T ≈290.37 N·m。

柱塞泵轻负载起动运行正常，柱塞作用力是泵体上曲轴的作用力和柱塞运功惯性力之和，所以柱塞泵设计出口压力为12 MPa。实际柱塞泵出口处压力大于等于4 MPa时，柱塞泵运行速度为0，由于压力目标值，柱塞泵起动加速运行，此情况下负载过大，转矩不足带动三柱塞往返泵，电机发生堵转。通过公式计算验证可分析该现象的原因。压力与压强的关系如式（3）所示；面积计算公式如式（4）所示；扭矩与力及力矩的关系如式（5）所示。

式中：S为受力面积，m2；F 为压力，N；p 为压强，Pa；r为半径，m；L为力矩，m。

已知柱塞d ＝45 mm，L ＝47.5 mm，r ＝22.5 mm；当p ＝10 MPa时，通过公式计算得柱塞受压力F ＝15 896.25 N，克服该作用力需要的扭矩为T ＝755.071 875 N·m；当p ＝4 MPa时，通过公式计算得柱塞受体的压力F ＝6 358.5 N，克服该作用力需要的扭矩T ＝302.028 75 N·m。显然，当三柱塞往复泵出口端带压力负载时，电机的扭矩不足以带动三柱塞往复泵运转。

2 改造方案及实行

正常工作环境下，高压三柱塞往复泵无带压起动运行，电机扭力及惯性力时泵正常运行工作。根据实际情况，改造方案一是避开带压起动运行思路对此工作站进行改造，选择的配置阀件如表1所示。

表1 改造配置清单

高压安全阀为一种安全保护用阀，其启闭件受外力作用下处于常闭状态，当设备或管道内的介质压力升高，超过规定值时自动开启，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。按安全阀阀瓣开启高度可分为微启式安全阀和全启式安全阀，微启式安全阀的开启行程高度为小于或等于0.05 d0（最小排放喉部口径）；全启式安全阀开启高度为小于或等于0.25 d0（最小排放喉部口径）［7］。弹簧微启式高压安全阀选择开启压力为2.5 MPa，控制管路内实时压力在2.5 MPa以下时不泄压，可以减少压榨生产过程中的升压时间。

通过安装旁路泄流，在PID 控制下，控制电机频率高于堵转转速且节能效果在15～20 Hz，压力值稳定在设定值。如图3所示，安装旁路管径为15 mm，其中手动阀可调节泄压的流量，调节开度使泄压时排出流量较小，可保障电机运行频率在15～20 Hz，达到节约电能目的。通过减压阀，将液体排出的冲击力降低。

图3 改造方案管路示意图

改造方案二是在项目前期进行正确合理选型。高压三柱塞往复泵在选型上，选择大功率、低转速的电机，电机的扭矩会更大，但相应成本也较高。高压三柱塞往复泵，电机轴及泵体曲轴安装皮带轮，通过皮带进行连接的结构可以使作用在泵体曲轴上的扭矩成倍数变化。当泵体曲轴的皮带轮半径是电机轴半径的3 倍时，泵体曲轴扭矩增大至3 倍。皮带轮结构如图4所示。

图4 皮带轮带动的高压三柱塞往复泵

3 结束语

通过项目改造方案一执行后，高压三柱塞往复泵运行正常，实现压榨过程中的压力稳定及平缓保压目的，压滤效果佳。通过该项目出现问题分析，可从中得出经验，高压三柱塞往复泵的选型过程，应先通过公式计算及明确实际工况需求，确定流量、压力、效率及功率要求等，才能选择合适、高效的高压三柱塞往复泵［8］。