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          氣提式污水泵布氣裝置

          發布時間:2020-12-28 15:04:36  中國污水處理工程網

            氣提式污水泵無水下轉動部件,具有結構簡單,維護成本低,安全可靠,性能穩定等優點,適用于多種污水提升場所。特別在某些小規模、低揚程、系統復雜的排水工程中采用氣提式污水泵,有其獨特的優勢。氣提泵的幾何形狀簡單,但其性能的理論研究卻較復雜,國內外學者對氣提泵進行了大量研究,發現氣提泵性能主要受其幾何形狀及操作參數影響。其中幾何形狀主要涉及到布氣裝置的尺寸和結構形式。因而近年來,國內外對氣提泵的研究較多集中在布氣裝置的結構形式上,研究主要包括了布氣孔數量、氣孔排列形式、進氣方式等因素對氣提性能的影響。由于布氣裝置的設計對氣提泵的揚水量和整體性能有著重要影響,因此本文綜合前人的研究成果,并結合工程實際所需,對布氣裝置的布氣孔徑和進氣方式進行研究,提出了氣提污水泵布氣裝置的優化設計方法,以期為工程中布氣裝置的設計和應用提供參考。

            一、試驗裝置及方法

            1.1 試驗裝置

            試驗模擬污水提升的工程條件,搭建了大管徑氣提式污水泵站試驗平臺,試驗裝置如圖1所示。

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            試驗包括供氣、提升、儲水和測試4個系統。其中供氣系統由HC-501S回轉式風機1、風包2、PVC進氣軟管6和布氣裝置8組成。提升系統主要有揚水管9、下降管10和潛水泵11;試驗揚水管采用亞克力透明圓管;儲水系統用于存儲和平衡水量,主要由儲水筒7、平衡水箱12和貯水罐17組成;測試系統采用了氣壓表4、渦街流量計5,電磁流量計15,用于測試氣壓、氣量和水量。

            2.2 試驗方法

            試驗方法:選定揚水管管徑、揚水管長度(簡稱管長)、淹沒比(m=淹沒深度/管長)等試驗參數的取值,取值范圍見表1。揚水管底部安裝不同的布氣裝置,連續通入不同體積流量的壓縮空氣(簡稱通氣量),試驗通過風量調節閥3控制通氣量大小,并按3~5m3/h的增量從小到大遞增,同時由渦街流量計5測試每組通氣量。通過電磁流量計15測試每組通氣量對應的氣提液體的體積流量(簡稱揚水量)。

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            試驗過程:將揚水管9下端插入具有一定深度的被提升液體(清水或污水)儲水筒7內,通過調節揚水管水下淹沒深度來改變淹沒比。回轉式風機1輸出的壓縮空氣進入風包2整流,風量調節閥3調節通氣量穩定,由氣壓表4測定氣壓值,由渦街流量計5測試通氣量,壓縮空氣由進氣管6進入布氣裝置8,穿過其布氣小孔注入揚水管內形成氣水混合液,在揚水管內外密度差的作用下,混合液上升至揚水管頂部流出,落入下降管10進行氣水分離,分離后的液體(清水或污水)進入平衡水箱12,經潛水泵11提升至貯水罐,以形成循環;調節潛水泵出口閘閥14達到平衡水箱內水位穩定,通過出水管13上電磁流量計15測定出水量,作為氣提揚水量。

            二、試驗結果及分析

            2.1 布氣孔徑的影響

            為研究布氣孔徑對氣提性能的影響,設計制作了3種不同布氣孔徑的布氣頭部。根據前人研究發現,氣提泵在試驗條件下適宜的氣泡直徑為1~4mm,故設計布氣孔為圓形小孔,直徑分別為1.5,3.0,4.0mm3種規格。布氣頭選用DN50的不銹鋼管制作,其頂端用不銹鋼板焊接封堵,其頂端面和側面均勻開設等徑布氣小圓孔,其下端連接通氣管道。布氣孔總數保證最小布氣速度不大于10m/s;實測通氣量和布氣速度范圍見表2,布氣頭實物如圖2所示。

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            在揚水管底部喇叭口內分別安裝3種孔徑的布氣頭,測試其提升清水的揚水量。揚水管管徑DN100,管長5.5m,淹沒比m=0.6時,測試通氣量與揚水量數據,根據不同布氣頭的實測數據組繪制通氣量-揚水量變化曲線如圖3所示。

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            分析圖3變化曲線和測試數據發現:氣提泵采用3種孔徑布氣頭時,由于其工作原理相同,3種布氣頭的揚水量曲線變化規律一致,即隨著通氣量的增加,揚水量先快速上升達到峰值,后趨于平穩。但采用3種孔徑布氣頭的提升效果卻有所不同:在相同條件下,隨著布氣孔徑的增大,最大揚水量逐漸增加,通氣量-揚水量曲線依次上移。分析原因:一方面,布氣孔徑越小,形成氣泡體積越小,小氣泡在低氣壓下上升時有合并成大氣塞的趨勢,大氣塞占據了揚水管截面面積,阻礙了水的流動。相反,布氣孔徑增大,形成的氣泡體積增大,氣泡浮力作用明顯,升水量增大。另一方面,通氣量一定,氣孔總面積較小時,布氣速度大,氣泡運動速度較快,氣液滑移速度增大,氣泡的運輸能力較低;反之,進氣速度降低,氣液滑移速度降低,氣泡的攜帶能力增大,提升水量增加。因而在圖3中,通氣量相同時,布氣頭孔徑增大揚水量有所上升。表明適當增大布氣頭孔徑和降低布氣速度,有利于提高氣提泵的揚水能力;由試驗結果對比可知布氣孔徑4mm的提升效果較優。

            2.2 布氣方式的影響

            目前,布氣裝置的安裝方式主要有以下2種:(1)直接將布氣頭部放置于揚水管內,這種方式適合揚水管管徑較大的情況,揚水管管徑較小時,布氣頭很難放入;(2)在揚水管底部安裝喇叭口擴容整流,喇叭口內設置布氣頭部,這種方式適合于各種規格的揚水管。但這兩種安裝方式的布氣方式相同:壓縮空氣經布氣頭底部進入,由其側面和頂面的布氣小孔切割成微小氣泡進入揚水管或喇叭口,并形成氣水混合液而被提升。根據工程實踐和試驗觀察發現,采用上述布氣方式的布氣裝置均存在一些明顯的缺點:若布氣頭直接放入揚水管,占用了揚水管進水斷面積,不僅阻礙揚水管進水,而且影響氣體與水的混合均勻性,導致氣力提升泵的工作效率下降;若布氣頭置于喇叭口內,則存在喇叭口與上部揚水管連接處能量損失較大,喇叭口上部的收束擠壓常常造成氣體反溢和泄漏等問題,降低了氣提效率。

            針對上述布氣方式的缺點和不足,課題組對常規布氣方式進行了調整,對常用布氣裝置的結構進行了改造。將喇叭口內設布氣頭由內向外布氣方式,改造為沿揚水管側壁開孔,由外向內布氣。將喇叭口內布氣的裝置設為布氣裝置Ⅰ,其結構如圖4(a),改造后的裝置設為布氣裝置Ⅱ,其結構如圖4(b)。

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            布氣裝置Ⅱ的上下連接管與揚水管同徑,可采用螺紋或法蘭與上下揚水管同徑連接,因而可安裝在揚水管任意部位。工作時,壓縮空氣進入外部圓環形整流罩,整流后的壓縮空氣穿過內部圓管壁的布氣小孔,經上連接管進入揚水管,內圓管和上下連接管均與揚水管同徑,因而內圓管為揚水管的延伸,布氣方式可視為沿揚水管側壁布氣。

            根據清水試驗得出的4.0mm布氣孔徑提升效果較佳結論,同時考慮到污水中雜質及沉淀物較多,布氣孔徑過大,易落入粗大雜質而堵塞布氣孔,2種布氣裝置的布氣孔徑均采用4.0mm,布氣孔總數均為258個。2種布氣裝置的設計參數見表3。

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            2.2.1 布氣裝置揚水量對比

            為了對比分析2種布氣裝置的優劣性,在揚水管DN100,管長4.0m的揚水管下部分別安裝兩種布氣裝置,淹沒比(m=0.80~0.70)一定時,通入不同通氣量,氣量范圍大致為20.5~106.5m3/h,測試其提升污水的揚水量,并繪制通氣量-揚水量曲線如圖5所示。

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            對比2種布氣裝置的揚水量發現:在揚水管管徑、管長、淹沒比不變的條件下,二者達到最大揚水量的通氣量相近,均為60~80m3/h達到揚水量峰值,但二者峰值揚水量差異顯著。采用布氣裝置Ⅱ的最大揚水量明顯高于布氣裝置Ⅰ,各管徑和淹沒比下的最大揚水量均有所增長,其最大揚水量及增長率見表4。由表4可知,布氣裝置Ⅱ較布氣裝置Ⅰ的最大揚水量增長率達到25.9%~30.3%。其中淹沒比為0.8時最大揚水量增長最大。

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            2.2.2 布氣裝置揚水量對比布氣裝置效率對比

            為比較2種布氣裝置的效率大小,采用經典的Niklin效率計算公式,對2種布氣裝置的效率進行計算,揚水管DN100,管長4.0m的通氣量-效率曲線如圖6所示。

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            對比2種布氣裝置的通氣量-效率曲線的變化規律一致:最大提升效率均較靠前,通氣量較小時,提升效率達到最大,此時對應揚水量較低,當達到最大揚水量時效率已有明顯下滑。但是,布氣裝置Ⅱ的提升效率明顯高于裝置Ⅰ,在同一通氣量下,各淹沒比的效率值均有所增長。

            綜合2種布氣裝置的揚水量及效率分析可知,氣提泵采用布氣裝置Ⅱ提升能力更佳,即揚水管側壁布氣方式更為合理。主要原因在于:(1)壓縮空氣從布氣裝置Ⅱ的內圓管側壁布氣小孔進入,布氣方向由管壁指向管中心,有壓氣泡將液體推向管中心,降低了液體與管壁間的摩擦損失;(2)布氣裝置內圓管與揚水管同徑,揚水管橫斷面沒有被布氣頭部占用而得到充分利用,氣泡能夠順暢擴散至揚水管內與污水充分混合,減少了氣泡反溢和泄漏量,增大了氣體利用率;(3)由于內圓管與揚水管等徑,氣水混合液能從布氣裝置段向揚水管段平滑過渡,能量損失小,提升效率較高。對于布氣裝置Ⅰ,布氣頭位于喇叭口內部,壓縮空氣由布氣頭內向外布氣,氣泡迅速向四周擴散,將液體擠向四周,增大了氣水混合液與管壁之間摩擦阻力,并且喇叭口上部口徑收束變小,氣體受擠壓易造成反向溢出喇叭口,喇叭口與揚水管變徑連接,造成一定的局部水頭損失,增大了能量消耗,降低了能量利用率。

            2.3 布氣速度的影響

            由于布氣裝置的布氣孔數量不同,相同通氣量時,布氣速度有所不同。為分析布氣速度對揚水量的影響,選取效率較優的側壁通氣方式下,改變布氣孔數量的2種布氣裝置進行對比分析。兩種布氣裝置的材質、結構及尺寸完全相同(布氣孔徑均為4.0mm),僅布氣孔數增大一倍,二者的設計參數見表5。

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            在管徑DN100,管長4.0m的揚水管下部分別安裝2種布氣裝置,選定淹沒比(m=0.80~0.70),通入不同氣量(20.5~106.5m3/h),測試二者提升污水的揚水量,并繪制通氣量-揚水量曲線,如圖7所示。

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            由圖7分析可知,揚水管管徑、管長、淹沒比一定,在較低通氣量時,布氣裝置Ⅲ較布氣裝置Ⅱ的揚水量略有上漲,且布氣裝置Ⅲ較布氣裝置Ⅱ先達到揚水量峰值,布氣裝置Ⅲ的效率較優。在較大通氣量時,揚水量逐漸達到最大,并趨于穩定。之后,二者揚水量相差不大,優勢不明顯。分析原因在于布氣裝置Ⅲ的布氣孔數量增多,進氣面積增大,相同通氣量的條件下,氣泡數量增多,布氣速度降低。氣泡低速條件下,氣液滑移速度降低,氣泡能夠充分與污水混合,增大了氣泡利用率和運輸能力,有利于形成團狀流或團狀-環狀流過渡流態,在此流態下氣提泵的效率較高。當通氣量增大到一定程度,布氣速度超過一定范圍時,氣液滑移速度增大,揚水管內出現環狀流和纖維流,揚水量增長不明顯;隨著空氣流量的增加,從最大效率到最低效率的下降幅度很大。這可以歸因于空氣流量的增加導致了過量的加速損失,同時在立管頂部的空氣空隙率值較大。這導致了立管中更多的摩擦損失,因此泵效率會降低。

            從圖7可知,在各個淹沒比下,通氣量超過50~70m3/h時,布氣裝置Ⅲ和裝置Ⅱ的揚水量逐漸拉近,裝置Ⅲ的優勢下降,二者的揚水效率迅速降低。此時,布氣裝置Ⅲ的布氣速度為2.1~3.0m/s,故建議布氣裝置的設計布氣速度不宜過大,以不超過3m/s為宜。

            總體而言,在布氣方式相同的前提下,采用增加布氣孔數量即增大布氣面積,降低布氣速度的方法并不能帶來揚水量和效率的大幅提升,僅在較小通氣量范圍,揚水量和效率會有少量提升。

            三、結論

            (1)適當增大布氣裝置的布氣孔徑,降低進氣速度有利于提高揚水量。

            (2)布氣方式對于提高氣提泵整體性能有著重要影響。研究發現,布氣裝置采用揚水管側壁布氣方式優于揚水管中心布氣方式。揚水管側壁布氣方式能有效提高揚水量和提升效率,最大揚水量增長率可達到25.9%~30.2%。

            (3)合理的布氣速度能夠改善氣提性能,但不能實現揚水量和效率的大幅度提高。布氣裝置的設計布氣速度不宜過大,以不超過3m/s為宜。(來源:西華大學 土木建筑與環境學院;四川大學 建筑與環境學院;四川中恒工程設計院有限公司)

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