气提式污水泵布气装置的设计及优化

宁海燕 ，罗本福 ，张明杰 ，陈 强 ，王辉艳

（1.西华大学 土木建筑与环境学院，成都 610039；2.四川大学 建筑与环境学院，成都 610100；3.四川中恒工程设计院有限公司，成都 610100）

0 前言

气提式污水泵无水下转动部件，具有结构简单，维护成本低，安全可靠，性能稳定等优点，适用于多种污水提升场所。特别在某些小规模、低扬程、系统复杂的排水工程中采用气提式污水泵，有其独特的优势。气提泵的几何形状简单，但其性能的理论研究却较复杂，国内外学者对气提泵进行了大量研究，发现气提泵性能主要受其几何形状及操作参数影响［1］。其中几何形状主要涉及到布气装置的尺寸和结构形式。因而近年来，国内外对气提泵的研究较多集中在布气装置的结构形式上，研究主要包括了布气孔数量、气孔排列形式、进气方式等因素对气提性能的影响［1-5］。由于布气装置的设计对气提泵的扬水量和整体性能有着重要影响［2］，因此本文综合前人的研究成果，并结合工程实际所需，对布气装置的布气孔径和进气方式进行研究，提出了气提污水泵布气装置的优化设计方法，以期为工程中布气装置的设计和应用提供参考。

1 试验装置及方法

1.1 试验装置

试验模拟污水提升的工程条件，搭建了大管径气提式污水泵站试验平台，试验装置如图1所示。

图1 大管径气提泵试验装置示意

试验包括供气、提升、储水和测试4个系统。其中供气系统由HC-501S回转式风机1、风包2、PVC进气软管6和布气装置8组成。提升系统主要有扬水管9、下降管10和潜水泵11；试验扬水管采用亚克力透明圆管；储水系统用于存储和平衡水量，主要由储水筒7、平衡水箱12和贮水罐17组成；测试系统采用了气压表4、涡街流量计5，电磁流量计15，用于测试气压、气量和水量。

2.2 试验方法

试验方法：选定扬水管管径、扬水管长度（简称管长）、淹没比（m=淹没深度/管长）等试验参数的取值，取值范围见表1。扬水管底部安装不同的布气装置，连续通入不同体积流量的压缩空气（简称通气量），试验通过风量调节阀3控制通气量大小，并按3～5 m3/h的增量从小到大递增，同时由涡街流量计5测试每组通气量。通过电磁流量计15测试每组通气量对应的气提液体的体积流量（简称扬水量）。

表1 试验参数取值

试验过程：将扬水管9下端插入具有一定深度的被提升液体（清水或污水）储水筒7内，通过调节扬水管水下淹没深度来改变淹没比。回转式风机1输出的压缩空气进入风包2整流，风量调节阀3调节通气量稳定，由气压表4测定气压值，由涡街流量计5测试通气量，压缩空气由进气管6进入布气装置8，穿过其布气小孔注入扬水管内形成气水混合液，在扬水管内外密度差的作用下，混合液上升至扬水管顶部流出，落入下降管10进行气水分离，分离后的液体（清水或污水）进入平衡水箱12，经潜水泵11提升至贮水罐，以形成循环；调节潜水泵出口闸阀14达到平衡水箱内水位稳定，通过出水管13上电磁流量计15测定出水量，作为气提扬水量。

2 试验结果及分析

2.1 布气孔径的影响

为研究布气孔径对气提性能的影响，设计制作了3种不同布气孔径的布气头部。根据前人研究发现，气提泵在试验条件下适宜的气泡直径为1～4 mm［5］，故设计布气孔为圆形小孔，直径分别为1.5，3.0，4.0 mm 3种规格。布气头选用DN50的不锈钢管制作，其顶端用不锈钢板焊接封堵，其顶端面和侧面均匀开设等径布气小圆孔，其下端连接通气管道。布气孔总数保证最小布气速度不大于10 m/s；实测通气量和布气速度范围见表2，布气头实物如图2所示。

表2 3种孔径布气头设计及试验参数

图2 3种孔径布气头实物

在扬水管底部喇叭口内分别安装3种孔径的布气头，测试其提升清水的扬水量。扬水管管径DN100，管长5.5 m，淹没比m=0.6时，测试通气量与扬水量数据，根据不同布气头的实测数据组绘制通气量-扬水量变化曲线如图3所示。

图3 3种孔径布气头的扬水量对比

分析图3变化曲线和测试数据发现：气提泵采用3种孔径布气头时，由于其工作原理相同，3种布气头的扬水量曲线变化规律一致，即随着通气量的增加，扬水量先快速上升达到峰值，后趋于平稳。但采用3种孔径布气头的提升效果却有所不同：在相同条件下，随着布气孔径的增大，最大扬水量逐渐增加，通气量-扬水量曲线依次上移。分析原因：一方面，布气孔径越小，形成气泡体积越小，小气泡在低气压下上升时有合并成大气塞的趋势，大气塞占据了扬水管截面面积，阻碍了水的流动［2］。相反，布气孔径增大，形成的气泡体积增大，气泡浮力作用明显，升水量增大。另一方面，通气量一定，气孔总面积较小时，布气速度大，气泡运动速度较快，气液滑移速度增大，气泡的运输能力较低；反之，进气速度降低，气液滑移速度降低，气泡的携带能力增大，提升水量增加。因而在图3中，通气量相同时，布气头孔径增大扬水量有所上升。表明适当增大布气头孔径和降低布气速度，有利于提高气提泵的扬水能力；由试验结果对比可知布气孔径4 mm的提升效果较优。

2.2 布气方式的影响

目前，布气装置的安装方式主要有以下2种：（1）直接将布气头部放置于扬水管内，这种方式适合扬水管管径较大的情况，扬水管管径较小时，布气头很难放入；（2）在扬水管底部安装喇叭口扩容整流，喇叭口内设置布气头部，这种方式适合于各种规格的扬水管。但这两种安装方式的布气方式相同：压缩空气经布气头底部进入，由其侧面和顶面的布气小孔切割成微小气泡进入扬水管或喇叭口，并形成气水混合液而被提升。根据工程实践和试验观察发现，采用上述布气方式的布气装置均存在一些明显的缺点：若布气头直接放入扬水管，占用了扬水管进水断面积，不仅阻碍扬水管进水，而且影响气体与水的混合均匀性，导致气力提升泵的工作效率下降；若布气头置于喇叭口内，则存在喇叭口与上部扬水管连接处能量损失较大，喇叭口上部的收束挤压常常造成气体反溢和泄漏等问题，降低了气提效率。

针对上述布气方式的缺点和不足，课题组对常规布气方式进行了调整，对常用布气装置的结构进行了改造。将喇叭口内设布气头由内向外布气方式，改造为沿扬水管侧壁开孔，由外向内布气。将喇叭口内布气的装置设为布气装置Ⅰ，其结构如图4（a），改造后的装置设为布气装置Ⅱ，其结构如图4（b）。

图4 2种布气装置的结构示意

布气装置Ⅱ的上下连接管与扬水管同径，可采用螺纹或法兰与上下扬水管同径连接，因而可安装在扬水管任意部位。工作时，压缩空气进入外部圆环形整流罩，整流后的压缩空气穿过内部圆管壁的布气小孔，经上连接管进入扬水管，内圆管和上下连接管均与扬水管同径，因而内圆管为扬水管的延伸，布气方式可视为沿扬水管侧壁布气。

根据清水试验得出的4.0 mm布气孔径提升效果较佳结论，同时考虑到污水中杂质及沉淀物较多，布气孔径过大，易落入粗大杂质而堵塞布气孔，2种布气装置的布气孔径均采用4.0 mm，布气孔总数均为258个。2种布气装置的设计参数见表3。

表3 2种布气装置设计及试验参数

2.2.1 布气装置扬水量对比

为了对比分析2种布气装置的优劣性，在扬水管DN100，管长4.0 m的扬水管下部分别安装两种布气装置，淹没比（m=0.80～0.70）一定时，通入不同通气量，气量范围大致为20.5～106.5 m3/h，测试其提升污水的扬水量，并绘制通气量-扬水量曲线如图5所示。

图5 2种布气装置扬水量变化曲线对比

对比2种布气装置的扬水量发现：在扬水管管径、管长、淹没比不变的条件下，二者达到最大扬水量的通气量相近，均为60～80 m3/h达到扬水量峰值，但二者峰值扬水量差异显著。采用布气装置Ⅱ的最大扬水量明显高于布气装置Ⅰ，各管径和淹没比下的最大扬水量均有所增长，其最大扬水量及增长率见表4。由表4可知，布气装置Ⅱ较布气装置Ⅰ的最大扬水量增长率达到25.9%～30.3%。其中淹没比为0.8时最大扬水量增长最大。

表4 2种布气装置的最大扬水量对比

2.2.2 布气装置扬水量对比布气装置效率对比

为比较2种布气装置的效率大小，采用经典的Niklin［6］效率计算公式，对2种布气装置的效率进行计算，扬水管DN100，管长4.0 m的通气量-效率曲线如图6所示。

图6 2种布气装置效率变化曲线对比

对比2种布气装置的通气量-效率曲线的变化规律一致：最大提升效率均较靠前，通气量较小时，提升效率达到最大，此时对应扬水量较低，当达到最大扬水量时效率已有明显下滑。但是，布气装置Ⅱ的提升效率明显高于装置Ⅰ，在同一通气量下，各淹没比的效率值均有所增长。

综合2种布气装置的扬水量及效率分析可知，气提泵采用布气装置Ⅱ提升能力更佳，即扬水管侧壁布气方式更为合理。主要原因在于：（1）压缩空气从布气装置Ⅱ的内圆管侧壁布气小孔进入，布气方向由管壁指向管中心，有压气泡将液体推向管中心，降低了液体与管壁间的摩擦损失；（2）布气装置内圆管与扬水管同径，扬水管横断面没有被布气头部占用而得到充分利用，气泡能够顺畅扩散至扬水管内与污水充分混合，减少了气泡反溢和泄漏量，增大了气体利用率；（3）由于内圆管与扬水管等径，气水混合液能从布气装置段向扬水管段平滑过渡，能量损失小，提升效率较高。对于布气装置Ⅰ，布气头位于喇叭口内部，压缩空气由布气头内向外布气，气泡迅速向四周扩散，将液体挤向四周，增大了气水混合液与管壁之间摩擦阻力，并且喇叭口上部口径收束变小，气体受挤压易造成反向溢出喇叭口，喇叭口与扬水管变径连接，造成一定的局部水头损失，增大了能量消耗，降低了能量利用率。

2.3 布气速度的影响

由于布气装置的布气孔数量不同，相同通气量时，布气速度有所不同。为分析布气速度对扬水量的影响，选取效率较优的侧壁通气方式下，改变布气孔数量的2种布气装置进行对比分析。两种布气装置的材质、结构及尺寸完全相同（布气孔径均为4.0 mm），仅布气孔数增大一倍，二者的设计参数见表5。

表5 2种布气装置设计及试验参数

在管径DN100，管长4.0 m的扬水管下部分别安装2种布气装置，选定淹没比（m=0.80～0.70），通入不同气量（20.5～106.5 m3/h），测试二者提升污水的扬水量，并绘制通气量-扬水量曲线，如图7所示。

图7 2种布气装置扬水量和效率变化曲线对比

由图7分析可知，扬水管管径、管长、淹没比一定，在较低通气量时，布气装置Ⅲ较布气装置Ⅱ的扬水量略有上涨，且布气装置Ⅲ较布气装置Ⅱ先达到扬水量峰值，布气装置Ⅲ的效率较优。在较大通气量时，扬水量逐渐达到最大，并趋于稳定。之后，二者扬水量相差不大，优势不明显。分析原因在于布气装置Ⅲ的布气孔数量增多，进气面积增大，相同通气量的条件下，气泡数量增多，布气速度降低。气泡低速条件下，气液滑移速度降低，气泡能够充分与污水混合，增大了气泡利用率和运输能力，有利于形成团状流或团状-环状流过渡流态，在此流态下气提泵的效率较高［7］。当通气量增大到一定程度，布气速度超过一定范围时，气液滑移速度增大，扬水管内出现环状流和纤维流，扬水量增长不明显；随着空气流量的增加，从最大效率到最低效率的下降幅度很大。这可以归因于空气流量的增加导致了过量的加速损失，同时在立管顶部的空气空隙率值较大。这导致了立管中更多的摩擦损失，因此泵效率会降低［2］。

从图7可知，在各个淹没比下，通气量超过50～70 m3/h时，布气装置Ⅲ和装置Ⅱ的扬水量逐渐拉近，装置Ⅲ的优势下降，二者的扬水效率迅速降低。此时，布气装置Ⅲ的布气速度为2.1～3.0 m/s，故建议布气装置的设计布气速度不宜过大，以不超过3 m/s为宜。

总体而言，在布气方式相同的前提下，采用增加布气孔数量即增大布气面积，降低布气速度的方法并不能带来扬水量和效率的大幅提升，仅在较小通气量范围，扬水量和效率会有少量提升。

3 结论

（1）适当增大布气装置的布气孔径，降低进气速度有利于提高扬水量。

（2）布气方式对于提高气提泵整体性能有着重要影响。研究发现，布气装置采用扬水管侧壁布气方式优于扬水管中心布气方式。扬水管侧壁布气方式能有效提高扬水量和提升效率，最大扬水量增长率可达到25.9%～30.2%。

（3）合理的布气速度能够改善气提性能，但不能实现扬水量和效率的大幅度提高。布气装置的设计布气速度不宜过大，以不超过3 m/s为宜。