潜水推流器广泛应用于污水处理工艺的厌氧池、缺氧池、曝气池等,工作位置在水下5～7m,具有推动水体介质流动、增加池底流速、防止污泥沉降、提高污水处理效率的功能,是污水处理厂的基本配置。几年前本单位配套引进的进口潜水推流器在上窑污水处理厂使用过程中,经常会出现电机、后级传动齿轮及其他附件损坏问题。由于厂家售后维修费用高,进口配件的供货周期长等难题,导致潜水推流器无法正常工作,影响了污水处理厂正常运行。为了解决现有潜水推流器上述使用难题,开发了一种全新形式的液压传动潜水推流器,采用液压传动系统代替水下电机作为潜水推流器的动力。

2017年,将七里店污水净化厂原有的1台潜水推流器的动力装置,改用液压马达装置及液压系统(见图1),解决了传统潜水推流器的缺陷和不足:(1)通常水下使用高速运转设备其本身就有密封上的要求高、故障失效几率大的不足,易造成绝缘故障,如电机绕组、电缆短路或断路、电机漏电、漏水保护等;(2)一般潜水推流器用电机驱动,转速较高,导致后级传动比较大,在紧凑结构设计中造成行星减速机齿模数选择偏小,因此齿轮强度也会受到影响,在实际使用中,出现过齿轮崩裂咬合卡死、高速端轴承容易损坏等故障。

七里店污水净化厂单组生化池原布置7台5.5kW这种型号潜水推流器(叶片直径为2 300mm)满足工艺处理的要求,污泥浓度为3 900mg/L、水体平均流速为0.3m/s,单组生化池水体容量为2.53万m³,在正常工艺运行下测量单台潜水推流器的相电压、线电流参数为:U=378.5V、I=8.9A,计算见式(1):

式中cosφ=0.87,P_电=1.732×378.5×8.9×0.87=5 076.01(W),P_实=ηP_电,η=0.87,P_实=0.87×5 076.01=4.41(kW)。

电机功率为P_实=4.41kW,输出扭矩为:T=9 550 P/n=9 550×4.41/32=1 316.1(Nm)。根据实际核算液压马达所需要扭矩为1 316.1Nm。

初选系统工作压力、确定液压马达的型号及主要尺寸。根据某型号液压马达装置,压力和扭矩对应参照见表1。初选系统工作压力为8 MPa,确定液压马达装置型号为WK3-1100BD40。

计算液压马达实际所需流量应满足:(1)液压马达装置转速n在0～32r/min可调;(2)液压马达排量V为1 105.5 mL/r。马达实际所需流量Q=n

本系统方案和拟定液压系统见图2。

液压泵工作压力的确定见式(2):

式中p_1max———执行机构的最大工作压力,MPa,本系统p_1max=8MPa;

ΣΔp₁———系统总压力损失。从泵到缸之间串接有1个液控单向阀,1个单向节流阀和1个换向阀,MPa;取ΣΔp₁=0.2MPa。

液压泵流量的确定见式(3):

式中K———系统泄漏系数,取1.2;

ΣQ_max———系统最大流量,马达最高速度旋转时所需流量为系统流量最大。

计算所得工作压力p₁=8.2 MPa、流量Q_vp≥43L/min,从产品样品中选择符合系统总拟定的液压泵形式的液压泵。某品牌定量叶片泵,型号为PV2R1-31FR、排量为31mL/r;额定工作压力为21MPa、额定转速为1 500r/min。

根据液压泵的额定转速选用4级电机,转速为1 450r/min;确定电机功率:5.5kW。电动机型号Y2-132M-4B5(5.5kW)。

式中p₁———液压泵的最大工作压力,MPa;

Q_vp———液压泵的流量,L/min。

液压阀的选择:溢流阀为BSG-03-H+DFA-02-2B2-D2;节流阀为PT-06。选择吸油过滤器为MF-08(过滤精度100μm)。空气滤清器为HS-1163。压力表为某品牌AT-63(0～250bar,1bar=0.1MPa);液位温度计为LS-5″。散热器的选择:液压系统能量损耗最终转换成热量,直接表现在液压油温升高,高油温带来设备动作变慢无力,降低做工效率。所以,必须选用合适散热器,散热功率≥发热功率,将油温控制在合适范围。

现有液压系统的电机功率5.5kW,系统流量40L/min,系统连续工作。预设环境温度最高40℃(夏季室内最高工作温度);预设最高出口油温58℃(液压油最佳油温55～60℃)。依据经验,整个系统产生的发热功率≈系统功率/3。发热功率≈5.5kW/3=1.83kW。由于散热器是利用环境温度与介质温度差进行热交换实现散热功能,所以散热器没有额定散热功率。散热器采用“比散热量”该系数是通过实验室实测量后得出,散热器的“比散热量”系数由散热器生产商提供。

图3是某品牌的AH1012散热曲线,该曲线与流量呈现正相关。计算散热器散热功率的公式,见式(5):

由图3可知,AH1012在流量43L/min对应的“比散热量”是0.13。AH1012的散热功率=0.13×(58-40)=2.16kW,2.16kW>1.83kW,考虑到保留一定余量,AH1012是合适的选择。

由于是户外使用,为了降低阳光直射油箱对油温的影响,增加隔热方式,制作隔热反辐射的罩子。

液压系统需要在常温下正常工作,液压介质选用:46#抗磨液压油。液压站结构见图4,参数见表2。

(1)为了及时发现系统漏油,采用连杆浮球液位控制器YKJD-350作为保护报警装置,即当油位低于设定值时会发出一个信号,通过PLC电控系统控制电机停机、报警。

(2)配有油温油压专用电接点温度计WSS-411,当油温高于设定值时会发出一个信号,通过PLC电控系统控制电机停机、报警。

(3)系统的振动预警会在后续工作中进一步完善。

经过计算和测试,配套液压站额定压力为8.2MPa能满足要求。单根液压管长为8.5 m、电机为5.5kW。

根据原装潜水推流器的底座制作配合的流线型外罩和固定装置,能有效的防渣和缠绕。结构见图5。

现状推流器与液压推流器参数对比见表3,故障分析对比见表4,两种推流器日平均电流对比见图6。

在达到同样转速(工艺要求转速为32r/min)的条件下,液压推流器的传动比更小,传动级数也更少。

经过实测数据对比,七里店污水净化厂7台5.5kW的潜水推流器正常工作时,计算出现状推流器30d内日平均电流为9.46A,液压推流器30d内日平均电流为9.44A。说明采用液压的推流器功耗并不增加,虽然电流差别不大,但图表显示采用液压的推流器运行时的电流更平稳,在同样满足生产工艺要求的32r/min的前提条件下,采用液压时的能耗并不增加。

液压传动系统潜水推流器的设计与实际运行,解决污水处理厂运行过程中传统潜水推流器水下故障率高、不易维修的困难,更好的保证正常生产运行,可适用于新建与改建污水处理厂推广与应用。