移动式抓斗格栅除污机技术改造.doc

移动式抓斗格栅除污机技术改造摘要：上洋污水处理厂在汛期通常存在流量大、流速急、栅渣多的特点。经常出现栅渣量突然增大，大量栅渣会在短时间内把格栅条堵住，影响栅后的过流速，进水渠液位快速上涨，导致移动式抓斗格栅除污机无法正常使用，只能停产通过人工清理栅渣，严重影响生产和污染物排放。通过对粗格栅除污机抓斗加装配重、加装液位差开关控制流量、提高小车行走及抓斗升降速度和改变操作模式，使粗格栅除污机在汛期也能保持正常生产。关键词：流量、栅渣、抓斗、配重、液位差开关、速度、操作模式前言：上洋污水处理厂位于坪山新区田心村，服务范围包括坪山新区的坪山街道、坑梓街道以及大工业区，服务人口近40万人。截污干管总长度197公里，主要包括三洲田水、碧岭水、赤坳水、墩子河及石井排洪渠等截污干管。工艺采用水下曝气氧化沟+砂滤池处理工艺，日处理总规模为20万吨，其总出水排入坪山河，出水水质达到城镇污水处理污染物标准（GB18918-2002）的一级A标准。上洋污水处理厂2009年7月开始动工，2011年5月正式通水调试，6月通过市人居委批准试运行，11月通过环保局验收竣工。一、问题的提出1.移动式抓斗格栅除污机的结构原理上洋污水处理厂预处理段的粗格栅除污机采用的是移动式抓斗格栅除污机，是目前环保及排水机械设备中较为先进的一种中粗格栅设备（如图一）。主要结构是由4条进水渠固定格栅条、高架单轨系统、抓斗小车、驱动系统、抓斗升降系统、液压控制系统、电气控制系统等6部分组成。主要工作原理是通过PLC设定程序，抓斗小车从卸渣口位置张耙到位后开始启动，抓斗小车沿着高架单轨行走到达第一条进水渠设定位置，小车内的钢丝绳卷筒下降，抓斗沿着进水渠的固定格栅条下滑抓取格栅条阻挡的垃圾及漂浮物，下到格栅条设定的底部位置时，沿着钢丝绳同步升降的液压软管传递液压系统指令来控制抓斗闭合，抓斗抓污合耙后上升到顶部，抓斗小车沿高架导轨移动到卸渣位置张耙卸渣，然后小车返回到下一条进水渠进行抓污，按顺序从第一条进水渠到第四条进水渠进行循环工作。高架导轨移动小车、驱动系统抓斗活动耙抓斗固定耙图一 移动式格栅除污机实物图2.移动式格栅除污机的优点 抓斗式格栅除污机的优点是一台抓斗小车可以对多条进水渠进行除污，改变了以前一台设备只能控制一条渠道局面，节省了设备资源，降低建设成本。工作时主要靠抓斗的重力沿格栅条下滑抓取格栅条阻挡的垃圾及漂浮物，在水量不大、水流稳定、渣量不大的情况下能很彻底完成捞渣工作，捞渣效果明显，出现故障比较少。3.移动式格栅除污机存在问题 移动式格栅除污机出现故障问题主要是在汛期，因为上洋污水处理厂在汛期水量大、流速急、渣量多，截污干管会涌进大量的栅，大量的垃圾会在很短的时间内把格栅条堵住，造成栅后过流量减少，进水渠液位迅速上涨，此时会出现以下两种情况： （1）如果运行人员发现及时，能迅速关闭进水闸门，有效地控制了进水渠的液位在3.95m以下，抓斗能顺利进入格栅条，但栅渣量过大，当粘附在格栅条的栅渣阻力大于抓斗小车的重量时，抓斗无法继续下耙，停留在格栅条的半空中。但是设定程序是抓斗在下滑时到格栅条最低部时，才能传达下一个闭耙指令，因此下降继续动作，造成钢丝绳没有受到抓斗的重力牵引，处于自然状态，钢丝绳容易出现错位；同时由于抓斗处于格栅条的半空，没有受到钢丝绳的牵引，抓斗受重心作用往活动耙方向侧倒，活动耙齿与进水渠底部紧压导致无法进行合耙动作，液压油管由于侧倒的角度过大容易造成液压管接头折断开裂漏油。 （2）如果运行人员发现不及时，进水量、渣量瞬间增大几倍，造成格栅条很快被栅渣堵塞，不能有效控制进水渠液位在3.95m以下，此时栅渣完全把格栅条封住，导致抓斗的固定耙无法插入固定格栅条，不能把阻挡在格栅条的栅渣刮到抓斗的中间位置，抓斗固定耙从格栅条的表面上往下滑，此状态是无法捞取栅渣，只能做无用功。这种情况抓斗的升降动作是正常的，不会造成抓斗侧翻、钢丝绳错位、油管破裂等故障。但这种状态影响更严重，如果固定格栅条完全被堵死，水位会漫过固定格栅条，直接从进水渠的面上通过，直接进入下一工艺单元进行处理，就等于没有粗格栅隔渣，栅渣里大量的生活垃圾、建筑垃圾、漂浮物等会对下一单元的设备造成损坏，对工艺造成很大的影响。 出现以上两种情况，移动式格栅除污机是无法正常除渣的，只能关闭进水闸门全厂停产，通过人工去除粘附在固定格栅条的栅渣，再通过人工手动控制格栅除污机把进水渠的栅渣逐步清除，直到清空栅渣才能进水恢复生产。根据渣量大小、栅渣堵塞程度，停产时间在1小时-5小时不等，每年6月、7月汛期水量与格栅除污机堵塞停机时间。格栅除污机堵塞造成的停产不但影响公司的正常生产、加大了维修人员的工作量，而且停产时污水直接从集水井溢流出去到河道，严重影响河道下游居民生活，造成很大的环境污染。为了确保格栅除污机在汛期能正常运行，保证生产，需要对格栅除污机进行系统的改造。二、分析过程1.现场情况分析设备结构及安装尺寸：移动式抓斗格栅除污机的结构及现场安装尺寸如图三所示：图三 格栅除污机结构与安装尺寸2.主要部件抓斗与格栅条接合移动式抓斗格栅除污机的抓斗与进水渠固定格栅条接合情况（如图四）所示：从设计图纸计算，当抓斗的活动耙下降除污时，固定耙的齿条是处在垂直状态，根据固定格栅条的安装角度75，可以计算出抓斗固定耙与格栅条的夹角为15，抓斗固定耙齿尖插入固定格栅条的长度是150mm，与格栅条表面的距离是30mm。 图四 抓斗与栅条接合但是通过现场观察发现抓斗的固定耙比活动耙重量大，导致固定耙与活动耙不平衡，固定耙顺时针倾斜。经测量固定耙与水平线的角度为-10，所以计算出抓斗固定耙与格栅条的夹角为5，抓斗固定耙齿尖插入固定格栅条的长度是50mm，与格栅条表面的距离是10mm。通过在格栅除污机现场观察发现，暴雨后水量增大，栅渣在水力的推动下能塞进格栅条10-15mm ；一般在水流稳定，流量不大时，栅渣在水力推动下能塞进格栅条5-10mm ，因此在一般情况下，抓斗的固定耙能刚好进入格栅条进行除污的。当遇上暴雨天气时或水量增大的时候，抓斗固定耙并不能很好地进入格栅条，或者抓斗固定耙进入了格栅条，在下降除污时垃圾增多，阻力过大会把抓斗的固定耙从格栅条里挤出 ；如果下降时栅渣太多，栅渣层太厚，固定耙是无法进入格栅条的，除污机是无法正常工作。3.水力条件分析（1）水量与故障的关系上洋污水厂的汛期主要集中在每年的6月和7月，格栅除污机出现故障基本集中在水量大，达到满负荷运行的时候，根据2013年最高水量是6月16、17、18号3天，水量都在20万吨以上，其它12天出现故障，水量也在18万吨以上，由于故障都出现了停产时间，如果计算24小时正常生产，当天进厂的水量都能达到20万吨。因此水量增大，同时栅渣量增大，达到满负荷运行时导致格栅除污机容易出现堵塞。 （2）水量与渣量的关系渣量的大小是影响格栅除污机是否能正常工作的主要因素，计算每日栅渣量1才能衡量格栅除污机的设备能力是否合适,每日栅渣量W= (m3/d),由于去年单日最高进水量达到235000吨，停机时间1.5小时，所以计算当天最大进水量=Qmax=，W1取最大值0.1，Kz取中间值1.5，W=4.18(m3/d)。雨水季节，每日的栅渣量是挺大的。（3）栅前水深设定设定最大进水量为日250000T，固定格栅条总宽1.2m，过流速 0.9m/s,设定栅前水深h=。从（图三）可以看进水渠的底部到进水渠台阶位置高度为2.65m，在控制进水渠液位最好能控制在台阶以下是最安全的，格栅除污机的设备能力能满足正常除污需要。格栅的最大允许水头损失0.080.15m，当格栅水头损失超过允许值时，应对格栅进行清渣除污。4.设备能力分析（1）抓斗负荷抓斗的升降主要靠减速机传动，减速机型号SA97DV132S4/BWG/HR,电机功率5.5KW,电机转速1430r/min，输出转速11r/min,速比120，钢丝绳转盘R=0.23m。抓斗设定每次满负荷抓污量可达3000N，抓斗的重量为9000N,抓斗允许负荷的总量为11500N。（2）运行速度计算1）抓斗小车行走速度行走减速机型号：SA57DT80K4/BMG/HF,电机功率0.55KW，电机转速1430r/min，输出转速14r/min，行走轮R=0.075m，根据公式可计算行走速度V=。2）抓斗升降速度减速机型号SA97DV132S4/BWG/HR,电机功率5.5KW,电机转速1430r/min，输出转速11r/min, 钢丝绳转盘R=0.23m，根据公式可计算行走速度V=（3）除污耗时计算根据图一的安装尺寸、抓斗小车的行走速度、小车的升降速度、合张耙时间及到位停顿时间(如下表一)，可以计算从第一条到第四条进水渠除污一次所消耗时间。第一进水渠耗时228s,第二条进水渠耗时283s，第三条进水渠耗时338s，第四条进水渠耗时392s, 抓斗小车循环一次除污耗时是1240s（约21分钟）。表一 除污单个动作耗时内容时间行走速度升降速度张耙时间合耙时间停顿时间单位011m/s0.26m/s30s25s3s如果把设备的运行模式调成自动连续循环工作模式，每条进水渠除污一次所需要等待的时间是21分钟。通过汛期设备堵塞情况观察，在雨后增大的前段污水栅渣量最多，格栅条造成堵塞所需的时间很短（往往十几分钟），即使将设备调成自动连续循环工作模式，在21分钟循环工作没完成，其它进水渠又出现堵塞，造成设备无法正常除污的情况。结论：纵上所述，导致设备无法正常使用的主要原因是：1、汛期水量增大，栅渣量增大，栅渣的阻力大于抓斗自重量。2、汛期间运行人员无法有效控制进水量造成液位上涨过快过高。3、格栅机除污一个周期时间过长，除污效率低。三、改造措施通过上述过程分析，设备在汛期也能保证正常运行需要同时满足以下4点要求：1）抓斗的固定耙每次下滑到固定格栅条时，能有效插入格栅条。2）保证抓斗有足够的重力冲破栅渣阻力顺利下到格栅条底部。3）进水渠的液位不超过设定液位2.68m,即进水渠台阶以下。4）连续循环工作的间隔时间能保证汛期时段最大的栅渣量能得到有效去除。设备的现阶段能力及条件对上述的4点要求都不能实现，为了达到4点要求，我们对设备进行系统的技术改造。1.抓斗改造（1）经测算，抓斗固定耙的重心与钢丝吊绳的距离是0.285m，重力6000N；活动耙的重心与钢丝吊绳的距离是0.41m，重力3000N（如图五所示）。根据力矩平衡公式，需要增加的配重重量=。在活动耙离中心距0.41m的地方加上1170N配重使固定耙和活动耙达到平衡状态，固定耙齿处于垂直状态。（2）根据升降减速机的铭牌参数，可计算减速机扭矩2大小。扭矩= 抓斗最大负荷=9000=2662N,抓斗升降减速机负荷不够，还可以增加2662N。 图五 力矩分析图（2）经过现场测量，在抓斗活动耙的上方（如图六示）加上重量为1170N的铁圆柱配重块时能使活动耙和固定耙平衡。同时在抓斗活动耙和固定耙平衡的中心位置加上重量为1200N的铁圆柱加重块加大了整个抓斗的自重量。通过这样改进，固定耙每次下滑时能保证垂直插入格栅条，保证了抓斗固定耙插入格栅条有足够的深度和距离。同时加上配重块和自重块共2370N，使抓斗的自重量达到了11370N，基本达到了允许的最大自重量，有足够的重力冲破栅渣阻力顺利下到格栅条底部。 图六 配重图2.加装液位差计从上述分析过程可得知,设备出现故障的主要原因运行不能直接快速收到外部进水情况,导致不能及时控制进水量,导致进水渠液位超过水深设定2.68m,粘附在格栅条的栅渣量过大,从而影响抓斗固定耙顺利插入格栅条或无法到达格栅条底部除污。对于人工控制进水闸门的种种不利，可以通过加装液位差计传达指令来控制进水闸门。液位差开关控制的优点是:能快速感应液位及栅渣堵塞情况，通过栅前和栅后的液位差信号给格栅除污机和进水闸门传达开关指令，能及时快速开关进水闸门控制进水量，保证进水渠液位在设备除污功能的规定液位，同时启动除污机除污，及时清除栅渣，有效防止栅渣量过大影响设备正常除污。液位差计的控制器型号：MultiRanger200,传感器型号：Echomax XRS-5，控制器1个，传感器2个。传感器安装的位置是格栅前7米安装和格栅后3米各安装1个。控制器设定的程序是:1) 通过传感器测量栅前和栅后的液位，根据液位差距离不同，发出不同的指令给格栅机。如果液位差为100mm，指令是格栅机启动一个捞渣周期,如果一个捞渣周期结束，液位差还是大于100mm则启动下一个捞渣周期，直到捞渣周期结束时液位差小于100mm才停止粗格栅。2) 格栅前传感器感应基础水位为2.68m,如果实际液位比基础液位低200mm则开阀，直到实际液位升到比基础液位低50mm则停止，如果实际液位比基础液位高200mm则关阀，直到实际液位降到比基础液位高100mm则停止。公式如下：基础液位-实际液位 200mm 开阀100mm基础液位-实际液位100mm 停止基础液位-实际液位-200mm 关阀改造思路：在现有时间控制的基础上用液位差信号代替时间继电器信号给PLC发出动作信号，液位差由液位差计设定，设定方法参考操作手册。如图七： 图七 现场自动液位控制接线图增加转换开关SA，通过转换开关SA选择控制方式，液位达到设定值时KA1闭合，粗格栅动作，在一个捞渣周期内，如果液位低于设定值，KA1断开，粗格栅完成本捞渣周期后停止，等待下一次动作。如果液位还是高于设定值则开始下一周期，知道液位差降到设定值以下。在粗格栅“远程自动液位控制模式”下由中控室设定液位差值。3.改造物资如下：超声波液位差计：选用西门液位差计MultiRanger200 *1 Echomax XRS-5 *2功能：1）在超出设定液位差时给出一个开关量（KA1） 2）能输出前后两个液位值（420mA）4.转换开关SA液位控制：PLC通过液位计采集粗格栅前的液位和设定值比较得出控制量，控制进水阀开或关来达到控制粗格栅前液位的目的，原理（如图八）图八 控制原理图 用step7 V5.5编程，控制子程序如下： 阀门有“开”“关”“停”三个按钮，分别将“开”“关”两个按钮常开触电和PLC“开”“关”输出继电器的常开触电并联，将“关”按钮和PLC“停”输出继电器常闭触点串联，阀门“开”“关”按钮和正反转接触器都有互锁防止短路。中控室用iFix5.0做画面，可设定控制液位,控制误差200mm。四、行走和升降机构的改进从除污耗时计算可知，抓斗小车循环一次除污耗时是1240s（约21分钟），在汛期前段污水都存在大量的栅渣，经常在20分钟内能造成格栅条严重堵塞，因此现在循环一次耗时过长，是不能满足汛期除污的需要。从图一安装尺寸分析，行走距离和升降距离已经到了最短位置，基本没有缩短距离的空间。从表一分析，停顿时间是通过时间继电器控制，而且3s相对过长，可以调节时间继电器；张耙合耙时间是由液压系统控制(如图九)，液压系统图里调速阀和溢流阀，通过调节溢流阀压力大小和调节调速阀回流量，加快合耙和张耙的速度；行走速度和升降速度是通过减速机输出扭矩传动行走轮和钢丝卷筒工作，由于小车的空间受大小和固定位限制，通过更换大功率减速机提高转速和速度是不行，只有改变行走轮的钢丝卷筒来提高行走和升降速度。图九 液压原理图缩短格栅除污机除污时间可以能过以下三步进行：（1） 停顿时间的缩短，通过调节时间继电器，将停顿时间由原来的3s调节成1s，每次停顿时间可以缩短2s。（2） 在控制张耙合耙的液压系统中调节调速阀,提高液压传动速度，将张合耙时间在原来的基础上缩短5s，改进后张耙时间变成25s，合耙时间变成20s。（3） 根据传动减速机扭矩和空间，行走轮的直径由150mm改成180mm。钢丝绳卷筒由460mm改成550mm。计算改变后的速度，行走速度根据公式可计算行走速度V=。升降速度V=行走和升降速度分别比原来提高了0.02m/s和0.06 m/s。改变后各动作耙时表如表二： 内容时间行走速度升降速度张耙时间合耙时间停顿时间单位013m/s0.32m/s25s20s1s表二 除污单个动作耗时第一进水渠耗时115s,第二条进水渠耗时168s，第三条进水渠耗时192s，第四条进水渠耗时215s，一个除污循环所耗时690s(11.5分钟)，时间上比原来差不多缩短了一半。五、改造效果分析技术改造后的移动式抓斗格栅除污机收到的效果是很显著的，主要体现在以下4个方面。1.优化设备性能通过技术改造加装配重块，使设备运行更稳定，除污能力得到了很大的提高；增加液位差开关，能快速感应到液位高度、液位差大小，与格栅除污机和闸门互锁联动，及时启停格栅除污机和开关闸门控制液位。通过除污机和闸门发出指令，及时进行除污和开关闸门控制液位，使设备在汛期等恶劣环境下也能正常工作，有效地降低了设备故障率，减少了设备停机时间，保证生产的正常运行。2.降低劳动强度改造前由于设备没有液位差开关，遇到汛期需要加大巡查的频率，运行人员要根据进水渠液位情况人工操作进水闸门；如果发现不及时造成液位迅速上涨，超过了规定液位导致格栅条严重堵塞，此时需全厂停产，维修人员下到进水渠手动除渣。技术改造后，以上现象基本得了解决，运行人员和维修人员的劳动强度大大降低和劳动环境得到了很大的改善。3.改善周边环境改造前造成的设备故障导致全厂停产，管道的污水只能通过溢流直接排到坪山河，导致河道下游居民深受其害。改造后由于设备稳定，故障率和停机时间大大减少，管道污水得到了有效的处理，河道周边及下游居民生活环境得到了有效的保障。4.提高工作效率改造前格栅除污机一个循环除污所消耗的时间是1240s,通过增大抓斗升降钢丝卷盘和高架导轨行走轮的直径，改变每次到位的停顿时间，使一个循环除污时间由1240