新型雙電機雙變頻離心機的應用與分析

新型雙電機雙變頻離心機的應用與分析

 徐慶華

(黃石理工學院機電學院,湖北黃石　435000)

    摘　要：介紹了離心機的工作原理,闡述了離心機選型的基本原則。結(jié)合黃石市磁湖污水處理廠二期工程實踐,具體分析了D5LX型離心機的結(jié)構(gòu)特點。運行實踐表明,新型雙電機雙變頻離心機應用于市政污泥處理工藝,達到了節(jié)能減排的優(yōu)良功效。

    關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)鼓　卸料螺旋　變頻　分離因素　節(jié)能減排

    中圖分類號：X505　　文獻標志碼：B　　文章編號：1674-0254(2010)01-0034-04

    0　引言

    在污水處理行業(yè),污泥經(jīng)濃縮及消化處理后,含水率為95%~96%,體積仍然很大。為了進一步綜合利用和處置污泥,必須對其進行脫水處理,提高泥餅的含固率。一般大中型污水處理廠常用的污泥脫水設備有真空過濾機、壓濾機和離心脫水機[1],其中離心脫水機因具有連續(xù)生產(chǎn)、操作方便、自動化程度高、衛(wèi)生條件好、占地面積小等優(yōu)點,應用前景日益看好。黃石市磁湖污水處理廠二期工程設計規(guī)模為1·25×105t/d,采用A2/O處理工藝,處理后的尾水達到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》的一級B標準,剩余污泥經(jīng)機械濃縮、脫水處理后外運處置。污泥脫水設備選用2臺D5LX型離心機,該機型具有雙電機雙變頻的獨特結(jié)構(gòu),達到節(jié)能減排的優(yōu)良功效。

    1　工作原理

    離心脫水機主要由轉(zhuǎn)鼓和帶空心轉(zhuǎn)軸的卸料螺旋輸送器組成。運行時通過回轉(zhuǎn)體-轉(zhuǎn)鼓和卸料螺旋的高速旋轉(zhuǎn),使離心機內(nèi)的固液混合物隨之高速旋轉(zhuǎn),并產(chǎn)生較高的離心力而形成液環(huán)[2](圖1)。在此高的離心力作用下,加速固液混合物的沉降與分離。其中,比重較大的固體顆粒沉降在液環(huán)層的外圈,即沿轉(zhuǎn)鼓的內(nèi)壁形成泥環(huán)層。轉(zhuǎn)鼓與卸料螺旋旋轉(zhuǎn)方向相同,但兩者存在一定的轉(zhuǎn)速差,由此卸料螺旋將分離出的干泥推出回轉(zhuǎn)體,濾液則通過堰池口導出回轉(zhuǎn)體而排出機外。離心機進料、分離、排出濾液和干泥的工作過程是連續(xù)不間斷的,且在全封閉環(huán)境下進行,污泥、濾液及臭氣均不會從機內(nèi)溢出。

    2　選型原則

    離心機選型的主要依據(jù)包含兩方面:水力負荷,指單位時間內(nèi)離心機處理的進料量;固體負荷,指單位時間內(nèi)離心機處理的絕干物料量。當進料質(zhì)量分數(shù)較高(大于1. 5% )時主要考慮的因素為固體負荷;當進料質(zhì)量分數(shù)較低(小于1.5% )時主要考慮的因素為水力負荷。

    此外,對于離心機本身的處理能力,其主要影響因素有三方面:直徑、長徑比和轉(zhuǎn)速。其中前兩個因素決定了離心機的外形大小,也即決定了離心機的分離面積和容積[3]。轉(zhuǎn)鼓直徑愈大,脫水處理能力愈強,但制造及運行成本都相當高。轉(zhuǎn)鼓長度愈長,污泥的含固率就愈高,但轉(zhuǎn)鼓過長會使性能價格比下降。轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速是一個重要的控制參數(shù),對于相同直徑不同的轉(zhuǎn)速,它決定了離心機分離因素α的大小。適當控制轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速,既能獲得較高的含固率,又可降低能耗。

    3　技術(shù)參數(shù)

    3. 1　污泥處理工藝參數(shù)

    污泥處理量: 58 m3/h ;進泥固體含量:0. 6%~2%;脫水后污泥含固率:>20%;污泥回收率:≥95%;流量調(diào)節(jié)范圍: 55~60 m3/h;絮凝劑用量(每噸干污泥): 3~5 kg。

    3. 2　離心機性能參數(shù)

    主機(即裝機)功率: 75 kW;額定扭矩:7 960 Nm;發(fā)電機功率: 15 kW;轉(zhuǎn)鼓內(nèi)徑:520 mm;轉(zhuǎn)鼓長度: 2 340 mm;長徑比: 4. 5;轉(zhuǎn)鼓錐角: 11°;額定轉(zhuǎn)速: 2 800 r/min;差速調(diào)節(jié)范圍:0~15 r/min;最大轉(zhuǎn)速: 3 200 r/min。

    4　結(jié)構(gòu)特點

    4. 1　雙電機雙變頻驅(qū)動

    新型離心機采用獨特的雙電機雙變頻控制技術(shù)。轉(zhuǎn)鼓通過差速器帶動發(fā)電機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),當發(fā)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過發(fā)電機的同步轉(zhuǎn)速時,發(fā)電機開始工作,即發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生磁場,產(chǎn)生逆變作用,在定子上形成電動勢,通過變頻器接回到系統(tǒng)中,給主電機供電,以達到節(jié)約電能的目的。因此,離心機的實際正常工作能耗為兩電機之差,一般情況下可節(jié)約10%~20%的電能。

    同時,采用可靠的雙變頻控制機械差速裝置,通過離心機內(nèi)泥層的厚度自動調(diào)節(jié)控制轉(zhuǎn)鼓與螺旋輸送器之間的差速,達到自動調(diào)節(jié)扭矩的功能。差速調(diào)節(jié)精度值為0. 1 r/min。差速器可通過變頻器調(diào)節(jié)離心機的脫水效果,以適應不同的進泥特性。當進料固相含量低時,選擇低差轉(zhuǎn)速以增大扭矩;當進料固相含量高時,選擇高差轉(zhuǎn)速以減小扭矩,使脫水污泥的含固率、固相回收率滿足設計要求(圖2)。

    4. 2　高性能卸料螺旋

    卸料螺旋葉片采用中空式設計。中空式設計使得固液分離的方向正好相反,大大減少了對固體層的擾動。實際運行測試表明:在保證污泥回收率的前提下,相對提高出泥的干度1%左右,在保證出泥干度的情況下提高了污泥的回收率。老式卸料螺旋上濾液的排出需經(jīng)卸料螺旋與轉(zhuǎn)鼓形成的密閉腔沿螺旋方向排出,而高性能卸料螺旋濾液的排出則只需沿軸向直接排出,降低了離心分離后的濾液排出離心機時的阻力及行程。

    4. 3　濃縮脫水一體化

    臥式螺旋沉降離心機有且只有兩種操作方式:一種是中部進料的操作方式,即逆向式操作(理想狀態(tài)下固液混和物進入離心機后立即分離,沿相反的方向排出);另外一種為端部進料的同向式操作[4](固液混和物進入離心機后不是立即分離而是沿著同一軸向方向位移一段距離后,濾液由導流管排出)。一般情況下逆向式操作多用于脫水,同向式操作用于濃縮。新型離心機采用混流技術(shù),可以在同一個卸料螺旋下實現(xiàn)兩種不同操作方式,可調(diào)節(jié)選擇的范圍更廣。

    4. 4　新耐磨設計

    4. 4. 1　碳化鎢耐磨片

    轉(zhuǎn)鼓或螺旋的外緣極易磨損,對其材質(zhì)應有特殊要求。在耐磨損防護設計上,離心機顯著的特點是在卸料螺旋全長方向與污泥接觸磨損相對較為嚴重的部位,全部采用可更換的耐磨片新式結(jié)構(gòu)。此耐磨片表面噴涂碳化鎢材料,且噴涂碳化鎢層硬度達肖氏硬度2 000~4 000,耐磨性完全達到燒結(jié)碳化鎢的程度。加上先進的焊接工藝確保其不會脫焊,并且每片耐磨片焊接完成后均進行二次焊接強度試驗,確保其焊接強度,因此具有無可比擬的優(yōu)點。同時卸料螺旋磨損后只需更換耐磨片即可,極大地降低了維修費用。

    4. 4. 2　磨噴嘴

    對進料的噴嘴和污泥排出口采用了可更換式的陶瓷碳化鎢噴嘴。卸料螺旋上的進料口及轉(zhuǎn)鼓上的出料口均采用可更換式的耐磨襯套,耐磨材料為陶瓷,亦可采用碳化鎢材料。同時對出料口的刮泥板亦采用碳化鎢結(jié)構(gòu)的耐磨防護措施。

    4. 5　PLC自動控制

    離心機對污泥處理全過程采用PLC(可編程邏輯控制器)自動控制,操作、調(diào)節(jié)靈活,同時為污泥供料泵、絮凝劑制備、加藥泵、污泥無軸螺旋輸送機、流量計等輔助設備的運行提供顯示、控制和故障報警,并將模擬信號和數(shù)字信號通過現(xiàn)場總線傳至中央控制室,以確保污泥脫水系統(tǒng)的安全運行。主要控制功能有:

    (1)離心脫水機、切割機、供料泵、螺旋輸送器、絮凝劑投加泵等的聯(lián)動控制和保護;

    (2)離心機自動差速及扭矩控制系統(tǒng)的調(diào)控;

    (3)離心機卸料螺旋扭矩過大及差速過低報警;

    (4)離心機緊急停機保護,現(xiàn)場緊急停機按扭;

    (5)加藥系統(tǒng)在低藥劑量、斷水、水壓不足等情況下報警。

    4. 6　防腐蝕設計

    選用全不銹鋼結(jié)構(gòu)。離心機的轉(zhuǎn)鼓和卸料螺旋均采用AISI316不銹鋼離心澆鑄而成,材料密度均勻、剛性強,動平衡性能好。離心機轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁加工有縱向的溝槽或配有縱向不銹鋼條,可以防止固相粒子在轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁滑動而引起轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁磨損,同時避免泥環(huán)隨卸料螺旋旋轉(zhuǎn)而不排出。

    5　應用分析

    通過2009年7月的試運行表明,D5LX型離心脫水機運行狀況良好,處理能力和效果達到了設計要求,可適用于不同的污泥特性介質(zhì),脫水后污泥含水率降到80%左右。相關(guān)運行數(shù)據(jù)見表1。

    6　結(jié)語

    綜上分析, D5LX型離心機結(jié)構(gòu)特征與其使用工況是一致的。由于采用了雙電機雙變頻獨特設計,處理每噸污水污泥耗電量降低了0. 004 5 kW·h。按設計處理負荷1. 25×105t/d計算,每年可節(jié)省運行電能2. 025×105kW·h,達到節(jié)電、降低污染、降低污泥含水率從而提高污泥含固率的目標,真正實現(xiàn)了節(jié)能減排綜合效益。

    參　考　文　獻

    [1]林榮枕,喬壽鎖,王家廉.污廢水處理設施運行管理[M].北京:北京出版社, 2006: 309-311.

    [2]姚斌.離心機在污水處理污泥脫水系統(tǒng)中的應用[J].石油化工應用, 2007(6): 28-29.

    [3]姚斌,師洪波,袁泉.臥螺離心機設計選型中應注意的幾個問題[J].過濾與分離, 2007(3): 31-32.

    [4]陳崔龍,張德友,卓培忠,等.新一代過濾式離心機的研制[J].流體機械, 2003(1): 17-18.