林萬洲，侯開紅，馮慶

（1. 中國石油西南油氣田川東北作業(yè)分公司，四川達(dá)州 635000；2. 中國石油西南油氣田天然氣凈化總廠，重慶 400000）

某處理量2×106m3/d 天然氣凈化廠污水處理裝置中，好氧池PT-2308、高濃度配水池PT-2305、低濃度配水池PT-2306 的鼓風(fēng)設(shè)備為羅茨鼓風(fēng)機(jī)K-2301AB，設(shè)計1 用1 備，該設(shè)備用于向池內(nèi)污水鼓入空氣，并起到一定的攪拌作用。2016 年以來，該設(shè)備故障率上升，可靠性變差，主要表現(xiàn)為皮帶磨損或燒毀，油封泄漏，葉輪碰磨，齒輪損壞等。最嚴(yán)重時，甚至兩臺風(fēng)機(jī)同時出現(xiàn)故障，無法正常運(yùn)行，導(dǎo)致好氧池出現(xiàn)部分菌種死亡的工藝事故。之后，該廠采取優(yōu)化檢修措施和方法，設(shè)備故障率一定程度上有所緩解，但可靠性差的問題一直存在。最終，通過對設(shè)備升級選型為旋渦氣泵，其運(yùn)行參數(shù)、可靠性、噪聲等各方面滿足現(xiàn)場工況要求，徹底解決了該問題。

1 羅茨鼓風(fēng)機(jī)

1.1 工作原理

羅茨鼓風(fēng)機(jī)屬于旋轉(zhuǎn)活塞容積式氣體壓縮機(jī)械，它由一個近似橢圓的外機(jī)殼與齒輪端平墻板和軸伸端平墻板包容形成一個氣缸體，在機(jī)殼上端有進(jìn)氣口，下端有出氣口。兩個葉輪彼此以一定間隙相互嚙合，而使得進(jìn)氣口與出氣口相互隔開，葉輪通過一對同步齒輪傳動而作等速反向旋轉(zhuǎn)（葉輪之間有一定間隙，并不相互接觸），在旋轉(zhuǎn)過程中無內(nèi)壓地將氣缸容積內(nèi)的氣體從進(jìn)氣口推移到出氣口，以達(dá)到強(qiáng)制排氣的目的[1]。這種設(shè)備由英國人喬治于1849 年發(fā)明，并由美國工程師羅茨改進(jìn)，此后人們便稱這種氣體輸送機(jī)械為羅茨鼓風(fēng)機(jī)延續(xù)至今[2]。該廠羅茨鼓風(fēng)機(jī)型號JTB-100，風(fēng)機(jī)與電機(jī)間采用3 組三角帶傳動，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子為三葉轉(zhuǎn)子，詳細(xì)參數(shù)見表1。

表1 羅茨鼓風(fēng)機(jī)參數(shù)表Table 1 Parameters specification of the Roots blower

1.2 故障分析及措施

1.2.1 皮帶燒毀

風(fēng)機(jī)運(yùn)行時，皮帶內(nèi)側(cè)出現(xiàn)大量黑色橡膠粉末脫落，并伴著濃烈的燒焦氣味，紅外測溫儀測得皮帶內(nèi)側(cè)溫度近100 ℃。停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)，皮帶燒焦、減薄，大面積開裂或斷裂，見圖1，新?lián)Q皮帶帶最短燒毀時間僅8 min。

圖1 燒毀的羅茨鼓風(fēng)機(jī)皮帶Fig.1 Burnt belt in the Roots blower

經(jīng)討論分析，當(dāng)皮帶出現(xiàn)嚴(yán)重磨損或燒毀時，應(yīng)采取以下措施：

（1）檢查皮帶輪對中情況。對中不佳將直接造成皮帶扭曲，高速運(yùn)轉(zhuǎn)后，皮帶持續(xù)受扭力，且始終無法按正確軌跡進(jìn)入皮帶輪凹槽，皮帶與槽間摩擦發(fā)熱，皮帶輪對中偏差控制在1 mm 以內(nèi)；

（2）皮帶張緊度調(diào)整。按圖2 調(diào)整皮帶張緊度，確保在皮帶上側(cè)施加載荷W= 2 ～ 3 kgf 時（1 kgf ≈9.8 N），皮帶下沉高度δ= 5.5 mm。新?lián)Q皮帶后，應(yīng)在風(fēng)機(jī)運(yùn)行24 h 后，對皮帶再做以上檢查，若有松弛，需再次對標(biāo)調(diào)整張緊度。

圖2 皮帶松緊度調(diào)整示意圖Fig.2 Illustration of belt tension adjustment

（3）檢查皮帶制造質(zhì)量。風(fēng)機(jī)原皮帶為進(jìn)口某品牌A-43 三角帶，后期供貨的皮帶為國產(chǎn)品牌，型號A-1092，從尺寸上來看，雖然兩者長度、截面很難發(fā)現(xiàn)差別，但外觀上能明顯區(qū)別出國產(chǎn)皮帶質(zhì)量較 差。

（4）檢查皮帶輪制造質(zhì)量和外形尺寸。皮帶輪尺寸的變化將直接影響皮帶的受力。原風(fēng)機(jī)兩皮帶輪（含電機(jī)端）直徑均為170 mm，而某批次供貨的一對皮帶輪直徑為120 mm，皮帶輪槽型均為A 型V帶輪，未做變化。皮帶在正常情況下打滑是由皮帶與皮帶輪間靜摩擦力不足所致，而靜摩擦力受摩擦系數(shù)、皮帶預(yù)緊力和皮帶輪包角的影響，這三者與靜摩擦力之間呈正比關(guān)系。新舊皮帶輪做對比：前后皮帶型號未做變化，皮帶輪材質(zhì)均為灰鑄鐵，帶輪槽粗糙度相同，因此摩擦系數(shù)相同；前后維修人員在風(fēng)機(jī)安裝中預(yù)緊力基本調(diào)節(jié)一致，因此預(yù)緊力相同；而電機(jī)皮帶輪和風(fēng)機(jī)皮帶輪由于直徑相同，因此包角均為π。前后電機(jī)功率不變，轉(zhuǎn)速不變，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩T和額定功率P、轉(zhuǎn)速n之間存在以下關(guān)系：

也就是說風(fēng)機(jī)更換前后，傳遞力矩不變，皮帶輪直徑變小。

而傳遞力矩T與力F、距離L成如下關(guān)系：

式中F—— 皮帶與皮帶輪間靜摩擦力（由前文可知，設(shè)備更換前后此力不變）；

L——皮帶輪半徑（85 mm 變?yōu)?0 mm）。

經(jīng)計算，在所需力矩不變的情況下，單根皮帶與皮帶輪間摩擦力必須由192.4 N 增大至272.5 N，才能驅(qū)動風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。而在檢修更換3 組新皮帶，皮帶張緊度調(diào)節(jié)至合適狀態(tài)時，試車發(fā)現(xiàn)，皮帶出現(xiàn)打滑并發(fā)出尖銳異響，說明單根皮帶的最大靜摩擦力無法達(dá)到272.5 N。

1.2.2 葉輪碰磨

當(dāng)羅茨鼓風(fēng)機(jī)出現(xiàn)葉輪碰磨時，風(fēng)機(jī)表現(xiàn)出急劇的振動，噪聲增大，出口風(fēng)壓有波動。此時應(yīng)對以下3 個方面進(jìn)行檢查：

（1）解體檢查風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)子，清除兩個轉(zhuǎn)子間表面大量油泥、污垢，若葉輪碰磨嚴(yán)重，則還需對其做轉(zhuǎn)子動平衡修復(fù)、傳動軸彈位修復(fù)、精度修復(fù)等，甚至更換新轉(zhuǎn)子。

（2）當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子因有雜質(zhì)污染造成間隙過小而碰磨時，還應(yīng)移除入口消音器上蓋，將過濾元件從固定架取出，檢查有無短路，并用壓縮空氣吹掃、清潔，臟堵嚴(yán)重時應(yīng)更換。

（3）軸承磨損致使軸承間隙增大，或者齒輪磨損造成側(cè)隙增大，也會引起葉輪碰磨，此時需更換軸承，或調(diào)整齒輪間隙，若齒輪間隙大于平均值30%～50%，應(yīng)更換齒輪[2]。

1.2.3 潤滑油泄漏

羅茨鼓風(fēng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行后，潤滑油溫度上升，易出現(xiàn)潤滑油泄漏。一般漏點(diǎn)在油箱殼體密封墊和油封位置，以油封泄漏居多。油封泄漏嚴(yán)重時，泄漏的潤滑油會進(jìn)入風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子腔體，與由空氣帶入腔內(nèi)的雜質(zhì)混合，形成油泥，當(dāng)累積較多時，甚至影響葉輪間隙，造成碰磨。此時，應(yīng)檢查：

（1）油封或密封墊老化、磨損，造成油封泄漏，需更換油封或密封墊，并檢查軸上與油封配合位置有無因磨損而導(dǎo)致軸徑縮小，必要時需對軸進(jìn)行修復(fù)或更換。

（2）潤滑油加注過多，也會導(dǎo)致泄漏，正常油位應(yīng)控制在油窗1/2 至2/3。

（3）齒輪或軸承的非正常摩擦或注油口呼吸閥臟堵會造成油溫過高，從而導(dǎo)致潤滑油泄漏，此時應(yīng)檢查軸承和齒輪狀況，清理呼吸閥通氣孔。

1.2.4 噪聲超標(biāo)

污水處理裝置使用羅茨鼓風(fēng)機(jī)時，經(jīng)專業(yè)公司對風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時該處的噪聲檢測，檢測結(jié)果顯示檢測平均值95.6 dB （A），超出了國家規(guī)定的GBZ 2.2—2007《工作場所噪聲職業(yè)接觸限值》85 dB （A）的標(biāo)準(zhǔn)要求[4]。當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行不佳或存在異常時，噪聲檢測值將更高，達(dá)100 dB （A）以上。此時應(yīng)檢查消音器和風(fēng)機(jī)各機(jī)械部件狀況：

（1）檢查進(jìn)、排氣口消音器狀況，視情況更換。

（2）檢查皮帶有無打滑，各零部件、地腳螺栓及其他緊固件有無松動，并調(diào)整至合適值或緊固。

（3）檢查風(fēng)機(jī)葉輪間隙，葉輪與墻板間隙，葉輪與機(jī)殼間隙等，如果間隙過小，風(fēng)機(jī)會產(chǎn)生振動、發(fā)熱和噪聲。

2 旋渦氣泵

2.1 工作原理

為降低污水處理裝置風(fēng)機(jī)故障率，提高其可靠性，并控制運(yùn)行噪聲在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，改善人員工作環(huán)境。對風(fēng)機(jī)做優(yōu)化選型，采用結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)簡便、噪聲小的旋渦氣泵替換原羅茨鼓風(fēng)機(jī)，旋渦氣泵型號2XB 820-H37，其詳細(xì)參數(shù)見表2。

表2 旋渦氣泵參數(shù)表Table 2 Parameters specification of the vortex air pump

旋渦氣泵結(jié)構(gòu)如圖3 所示。旋渦氣泵葉輪轉(zhuǎn)動時，由于離心力的作用，促使氣體向前向外運(yùn)動，從而形成一系列螺旋狀的運(yùn)動。葉輪刀片之間的空氣呈螺旋狀加速旋轉(zhuǎn)并將泵體之外的氣體擠入（由吸氣口吸入）側(cè)槽,當(dāng)進(jìn)入側(cè)通道以后，氣體被壓縮，然后又回到葉輪刀片間再次加速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)空氣沿著一條螺旋形軌道穿過葉輪和側(cè)槽時，每個葉輪片增加了壓縮和加速的程度，隨著旋轉(zhuǎn)的進(jìn)行，氣體的動能增加，使得沿側(cè)通道通過的氣體壓力進(jìn)一步增加。當(dāng)空氣到達(dá)側(cè)槽與排放法蘭的連接點(diǎn)（側(cè)通道在出口處變窄），氣體即被擠出葉片并通過出口消聲器排出泵體。

圖3 旋渦氣泵結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Structure sketch of the vortex air pump

2.2 運(yùn)行效果

旋渦氣泵啟機(jī)后，受好水處理池液位高度（背壓）影響，出口壓力在45～60 kPa；經(jīng)檢測，電機(jī)軸承垂直、水平振動值在1.0～2.5 mm/s，氣泵為懸臂式結(jié)構(gòu)，葉輪與電機(jī)軸直連，氣泵自身無軸承；因工藝流程上無流量計，無法監(jiān)測氣泵運(yùn)行實際風(fēng)量，但從好氧池、配水池的曝氣效果來看，其風(fēng)量大于羅茨鼓風(fēng)機(jī)。

據(jù)重慶惠能標(biāo)普科技有限公司對旋渦氣泵運(yùn)行時現(xiàn)場噪聲的檢測報告顯示，2016～2020 年檢測平均值為75.1 dB（A），低于GBZ 2.2—2007 要求的85 dB（A），符合標(biāo)準(zhǔn)。與羅茨鼓風(fēng)機(jī)相比，噪聲值降低20.5 dB（A），降幅為21.4%。據(jù)現(xiàn)場操作人員反饋，旋渦氣泵投用后，員工之間可在現(xiàn)場良好地溝通、交流；而羅茨鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行時，受噪聲影響，需大聲說話才能勉強(qiáng)聽清。

自旋渦氣泵投用以來，設(shè)備運(yùn)行良好，日常除對電機(jī)軸承進(jìn)行常規(guī)的潤滑脂加注、氣泵入口過濾網(wǎng)清潔以外，尚未出現(xiàn)任何故障。據(jù)統(tǒng)計，單臺羅茨鼓風(fēng)機(jī)平均每年約檢修3 次，每次更換配件費(fèi)用約4 000 元，維修人工費(fèi)用4 500 元，每年2 臺風(fēng)機(jī)需用零配件和人工費(fèi)用5.1 萬元，運(yùn)維費(fèi)用遠(yuǎn)高于設(shè)備采購價格。相比之下，旋渦氣泵運(yùn)維成本更低。

2.3 設(shè)備對比

綜合對比羅茨鼓風(fēng)機(jī)和旋渦氣泵兩種類型設(shè)備，其優(yōu)缺點(diǎn)如表3 所示。

表3 羅茨鼓風(fēng)機(jī)與旋渦氣泵對比表Table 3 Comparison between roots blower and vortex air pump

3 結(jié)束語

隨著石油天然氣化工、輕工、造紙等行業(yè)的逐漸發(fā)展，企業(yè)對設(shè)備可靠性、環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，旋渦氣泵因其結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，占地面積小，流量和壓力穩(wěn)定，運(yùn)行平穩(wěn)可靠，噪聲低，維保簡便等一系列優(yōu)點(diǎn)[5]，應(yīng)用范圍逐漸增廣，尤其適用于中低壓力，風(fēng)量50～2 000 m3/h 的使用工況。旋渦氣泵基本能較好地解決天然氣凈化廠污水處理裝置原羅茨鼓風(fēng)機(jī)存在的故障率高，維護(hù)量大、費(fèi)用貴，噪聲超標(biāo)等問題，運(yùn)行參數(shù)滿足工藝需求，是該工況下的理想替代設(shè)備。