加速澄清池排泥设备与驱控系统综合改造探析

2021-10-15刘有来任玉双刘新光

中国设备工程 2021年19期

刘有来，任玉双，刘新光

（兰州城市供水（集团）有限公司，甘肃兰州 730000）

兰州城市供水（集团）有限公司现有加速澄清池4座，主要用于对一次沉清水的投药絮凝和加速澄清，单台处理水量能力为0.6m3/s，正常情况下，进、出水浊度分别小于100NTU和10NTU。如图1，进水先在1#反应室与药剂搅拌、混合后，密度稍大的泥沙首先与水分离、沉淀。提升搅拌轮出口位于1#、2#反应室之间，由电磁调速电机通过皮带传动、蜗轮蜗杆带动旋转，主要用于将尚未混合均匀的大颗粒泥沙和药剂送回1#反应室，而将混合均匀的絮凝水提升至2#反应室，通过联通管流进铺设有PVC塑料斜管的分离区，水和泥沙经过快速分离后，清水从穿壁孔进入集水槽后流走。未完全分离的泥水流经回流缝，部分泥沙在回流缝进口附近沉积后，进入1#反应室，再次进行循环处理。生产运行表明，粒径极小、悬浮流动性极好的积泥最终在池底中心提升轮、边缘回流缝附近呈“山”字型波浪状分布。

图1

排泥设备是加速池能否正常运行的关键环节。原先使用的排泥设备是钢丝绳机械传动刮泥机（图2），先打开排泥阀6，电磁调速电动机1通过减速器驱动主动轮2，拉动钢丝绳3带动水下大绳轮7和刮泥板8转动，从而将池底泥沙收集到池中心，利用水流将其从中心排泥管排出。

图2

在长期生产使用过程中，发现加速澄清池存在很多问题：（1）钢丝绳与转动轮因为是金属材料，长年浸泡在加有混凝剂的泥水中，摩擦系数小，排泥负荷较重时容易产生打滑现象，影响加速池的正常运行。（2）刮泥机的主要部件长期在泥水中工作，腐蚀快、易损坏、更换检修困难且费用比较高。（3）积泥最终是靠池内的水将其自然冲走，排泥浊度低、放水时间长、消耗水量大。（4）原动机采用电磁调速三相异步电动机，涡流损耗大、效率低、噪声大、运行可靠性差。（5）搅拌机靠手动操作变速运行，调速比较频繁，在低速、高速运行时，经常还会出现停转及超速等转速不稳的情况。（6）原系统控制、显示、测量仪表及器件大多是现场和离线安装运行，无法实现遥测、遥控功能，自动化程度低，给值班操作人员和生产工艺管理带来不便。为此，我公司经与有关单位共同研制，分阶段先后对加速澄清池的排泥设备和自动控制系统分别进行了改造。

1 将原钢丝绳机械传动刮泥机改造为穿孔管水力排泥设备

根据加速池的泥颗在形成和沉积过程中，受搅拌桨旋转和提升叶轮抽吸的共同影响，积泥最终在池底的分布区域和“山”字型的成形规律，结合其含水率高、流动性好、滑腻无粘性的物理性能，将这4座加速池的机械排泥设备相继改造为穿孔管水力排泥装置。如图3所示，从池底边缘起，依次设置外环排泥管1、内环排泥管2，分别布置在池底积泥分布较多的分度圆区域，排泥管通过径向管5与设置在池心的锥形密封罩4联通。在中心罩和内层排泥管之间设置带有喷嘴的高压水冲洗环管6。两层排泥管上按一定规律分布有吸泥孔，中心罩靠池底处均匀设置有8个液压控制排泥活门3。排泥时，先打开池底排泥阀，分布在外层的两层穿孔管迅速将所在区域的活性泥，通过径向联通管收集到中心罩。由于中心总排泥管的截面积大于所有外层吸泥孔的进口面积之和，根据流体力学原理，在加速澄清池中心罩内形成一个负压室，使之产生较强的抽吸力，污泥利用其自身的流动性，以大约3m/s的速度经过中心罩排走。然后，同时打开高压冲洗水和中心罩上的排泥活门，密集、强劲的高压喷射水将残留在内环管区域的泥层激散，连同分布在池底中心罩区域的泥沙，通过排泥活门，从总排泥管排出池外。

图3

针对该水力排泥装置对积泥含水率高、流动性好的泥性要求，我们同时对原搅拌叶桨和回流缝予以适当完善，使之更加适合新装置的特点和要求。

（1）适当加长搅拌桨的长度和外缘直径，增大搅拌范围和强度。当在进水中加入一定的混凝剂后，受搅拌桨和提升轮的作用，使加速池的1#反应室内生成大量的絮花。絮花的形状、大小不一，密度比水稍大。在水与絮花之间的相互碰撞和摩擦力的作用下，在空间形成螺旋线运动轨迹，最后，悬浮、沉积在池底形成泥沙。加长搅拌桨的长度和外缘直径后，使1#反应室的絮花在形成泥沙过程中，不会在池底沉积结层，始终处于适度的流动状态，便于被穿孔排泥管吸走。

（2）将回流缝宽由原来的0.25m增加到0.52m。如图1所示，回流缝位于分离区的底部，分离区形成的泥沙通过回流缝进入1#反应室，泥沙由排泥管排出，浑水再次进行循环处理。由于加长了搅拌桨的长度和外缘直径后，搅拌范围和强度增大，药剂与水混合均匀度提高，分离区泥粒与水的分离和形成泥沙的速度加快，容易在分离区底部堆积，堵塞回流缝。回流缝加宽后，使积泥能够滑动到外环排泥管区域后被吸走。

2 将原电磁调速驱动装置改为变频调速控制系统

加速澄清池搅拌机原来由电磁调速电动机通过皮带传动（传动比i1=3.34:1）带动蜗杆、蜗轮（i2=63:1），进而带动与蜗轮同轴的搅拌机共同旋转。旋转速度依据进水浊度动态调整。当进水浊度较低时，调节搅拌机转速为3～5r/m，当进水浊度较高时，调节搅拌机转速为1.4～3r/m，保证在满足出水浊度的前提下，使积泥浓度保持在适合排泥装置要求的最佳范围内。

原调速系统采用JZT-71-4电磁调速异步电动机，输出转速1200～120r/m，输出转矩137Nm。电磁调速异步电动机由拖动原动机、转差离合器、测速发电机和控制装置组成，部件多，检修复杂，且涡流损失大、效率低。其中原动机型号为JO2-71-4、功率22kW、转速1470r/m、郊率η=89.5%、功率因数cosφ=0.88、采用ZKL-1控制器，手操调速。由于按照生产工艺要求，搅拌机要经常手动操作变速运行，调速比较频繁，在低速、高速运行时，经常还会出现停转及超速等转速不稳的情况，且能耗高、噪声较大。为此经过认真计算，结合多年的实际运行情况，将原电磁调速装置改为日本三菱FR-A540—15—CH变频器，配套电机改为Y180L-6-15异步机，功率15 kW。其选型计算过程如下：

（1）调速范围：实际运行时搅拌提升机的转速范围为 n=（1.4-5）r/m，中间总传动比 i=i1×i2=3.34×63=210.4，电机转速范围为N=（1.4-5）×210.4=(295-1052)r/m。

（2）电机功率：按原JZT-71-4电磁调速异步电动机输出转矩 14kgm逆算，P=（M/9550）×N=(137/9550)×（295-1052）=(4.2-15.1)kW。按原电动机 U=380V、I=29.5A、η=89.5%、cosφ=0.88的实际运行最大电气参数算，P=√3×U×I×η×cosφ=√3×380×29.5×89.5%×0.88=15.3kW。

综合这两种因素，选用FR-A540—15—CH变频器，配套Y180L-6-15异步电动机，额定功率15kW、转速970r/m，系统的电气控制原理如图4。各控制按钮、重要参数、状态显示均可按需要实现现场和值班室两地控制、测量与显示，提高了控制系统的安全可靠性和自动化水平。

图4

3 变频调速采用前馈自动控制系统

加速澄清池未改为变频调速前，是根据进水浊度等因素的变化，手动操作电磁调速电动机的ZKL-1控制器进行调速。因为进水浊度要经常变化，手动调速不仅操作频繁，而且经常出现搅拌机转速与进水浊度不相适影响出水浊度的情况。为了能根据水质情况，对搅拌机转速能随时调整，我们增设了与FR-A540—15变频器相配套的自动调速系统。自动控制系统按信号的结构特点一般分为反馈控制系统、前馈控制系统和前馈—反馈复合控制系统三类。我公司加速澄清池出水浊度受进水浊度、药剂、水温、搅拌、排泥等多种因素的影响，故按以上多种因素完成以出水浊度为被控量的反馈控制系统实现起来较为复杂。前馈控制系统一般直接根据扰动信号进行调节，扰动量是控制的依据。在多年的生产运行中，主要是依据进水浊度对搅拌机的转速进行调节，故我们采用了以进水浊度的变化为扰动信号，直接调节变频电机速度的前馈控制系统，其控制原理见图5。电量变送器将在线浊度仪测得的进水浊度变为对应的模拟信号，经比例调节器按表1浊度与转速关系转换成4～20mA的模拟信号输入变频器相应的端子，从而能够按进水浊度的变化自动调整搅拌机转速。基中进水浊度与电机转速关系可按实际情况在比例调节器上适时修整。

图5

表1 进水浊度与电机转速关系

4 改造后运行使用情况和综合节能效果

在实际生产运行过程中，结合不同季节的进水浊度，我们相应调整了加速澄清池的排泥工艺，增加了排泥次数，缩短了每次的排泥时间，使泥沙在未沉积结层之前就排出池外。经几年的生产实践运行，排泥效果理想，节能效益显著：（1）使加速澄清池处理高浊度黄河水的能力提高，出水浊度达5～7NTU，最大排泥浊度23000NTU，完全满足加速澄清池的净水工艺要求。（2）排泥原理先进，排泥次数依据进水浊度确定，总排泥时间缩短，效率提高，消耗水量减少。（3）排泥装置结构比较简单，在水中作业，不需润滑，安全可靠性提高，使用寿命延长，制造、安装费用低，检修、维护量少。（4）采用变频调速后的异步电动机运行平稳，操作灵活方便，噪声明显降低，大大改善了工作环境。（5）改手动操作调速为自动调速，改善了人为因素造成的搅拌机转速与进水浊度不相适，影响出水浊度的情况。（6）系统的启停、显示、报警回路增设了现场和值班室两地控制、测量回路，实现了遥测、遥控功能，直观的人机对话方式，使控制调节灵活方便、满足了净水工艺对调速系统可靠、灵活性的要求，整个系统的自动化程度提高。（7）省去了机械传动刮泥机的动力系统，提高了搅拌提升机的动力传输效率和运行安全可靠性，改造后，4座加速澄清池每年可节约电、水及检修费用约56万元。