碟式離心分離機(jī)分離技術(shù)探析
行業(yè)動(dòng)態(tài)
隨著國內(nèi)船舶行業(yè)的發(fā)展，分油機(jī)被越來越廣泛地應(yīng)用于船舶燃油（包括輕柴油、重柴油和燃料油）和潤滑油的分離凈化處理，用來去除燃滑油中含有的水分和固體雜質(zhì)，以達(dá)到減少機(jī)械故障、提高設(shè)備工作可靠性和使用壽命的目的。分油機(jī)是船舶燃滑油凈化系統(tǒng)的重要設(shè)備。
船用分油機(jī)一般使用碟式分離機(jī)。碟式分離機(jī)通常用于分離較難分離的物料。例如黏性液體與細(xì)小固體顆粒組成的懸浮液，或密度相近的液體組成的混合液等。碟式分離機(jī)的核心部件是高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)依靠一組或幾組碟片組合形成液體的分離流道，通過高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力場，使得兩種不同比重且互不相溶的液體（以及少量細(xì)小固體）獲得不同的離心力，從而在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)產(chǎn)生分層，達(dá)到將液-液或液-液-固分離的效果。
本文以德國GEA Westfalia某型全自動(dòng)排渣型碟式分離機(jī)為例，探究其轉(zhuǎn)鼓分離排渣的工作原理。
1 碟式分離轉(zhuǎn)鼓的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
碟式分離轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對較復(fù)雜，轉(zhuǎn)鼓主要由4部分組成。分離筒高速旋轉(zhuǎn)能產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力場，使得介質(zhì)能夠進(jìn)行有效的分離和凈化。布油器為進(jìn)料提供通道并將其加速至轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速，同時(shí)轉(zhuǎn)送至碟片組進(jìn)行分離。碟片組由很多錐形的碟片堆壓在布油器上，作用是分離液體混合物中的輕相和重相，如油和水。碟片有特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，目的是使碟片與碟片之間能夠形成一個(gè)準(zhǔn)確的間隙，這個(gè)間隙的大小對分離效果起著至關(guān)重要的作用。所謂的分離腔就是由碟片間這些平行的間隙空間組成的，這種結(jié)構(gòu)形式的環(huán)形沉降通道大大減少了固體雜質(zhì)的徑向沉降距離、改善和提高了分離效果。此外，碟片平滑的表面有助于固體雜質(zhì)的滑移，使得碟片具有自清潔能力。固體收集室用于收集從碟片內(nèi)分離出來的固體雜質(zhì)。
2 碟式分離轉(zhuǎn)鼓的工作原理
2.1 工作流出
外置獨(dú)立的供油泵向分離機(jī)提供一定壓力的燃油或滑油，待分離油品通過進(jìn)油口進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的分離鼓內(nèi)，經(jīng)布油器向周邊移動(dòng)，通過布油器外邊緣進(jìn)入碟片組所形成的均勻分離腔，油品的重相和輕相在分離腔的運(yùn)動(dòng)中逐漸被分離出來，干凈的油沿碟片內(nèi)壁朝中央出口流動(dòng)，向心泵作為換能器，將分離后凈油的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換成壓能，一定壓力的凈油通過出油口排出轉(zhuǎn)鼓。分離出來的廢水沿著碟片組外邊緣向上穿過頂盤的槽道，經(jīng)由比重環(huán)，感液泵和節(jié)流閥排出轉(zhuǎn)鼓外。在凈油排出通道上和排水通道上均安裝有壓力傳感器，分別將排油壓力和排水壓力反饋給控制單元進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。分離出來的固體雜質(zhì)匯集在轉(zhuǎn)鼓外側(cè)的錐形收集空間內(nèi)，定時(shí)通過排渣口向外排出。
分離鼓在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的工作狀態(tài)下，控制單元發(fā)出指令給電磁閥組，控制工作水的通斷，工作水驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)鼓底部的滑動(dòng)底盤等實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的分離和排渣過程。當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)分離時(shí)間時(shí)，控制單元將執(zhí)行先斷油、再置換水、后排渣的程序步驟，排渣結(jié)束后重新開始分油程序。
2.2 碟式分離原理
當(dāng)懸浮液在動(dòng)壓頭的作用下，經(jīng)布油器中心管流入高速旋轉(zhuǎn)的碟片間隙時(shí)，便產(chǎn)生了慣性離心力。其中，密度較大的固體顆粒在離心力的作用下向上層碟片的下表面運(yùn)動(dòng)，隨后沿碟片下表面向轉(zhuǎn)子周圍下滑，液體則沿轉(zhuǎn)子中心上升，從套管中排出，從而達(dá)到分離的目的。同樣地，分離乳濁液時(shí)，輕液沿中心向上流動(dòng)，重液沿周圍流下，從而實(shí)現(xiàn)分離。碟片的設(shè)置降低了沉降高度、增加了沉降面積、大大提高了沉降速度。
2.3 向心泵原理
向心泵的設(shè)置目的是將轉(zhuǎn)鼓內(nèi)分離出來的凈油和廢水以一定的壓力排出。向心泵有兩個(gè)，均被固定在分離機(jī)蓋上，一個(gè)是用來排出凈油的凈油向心泵，另一個(gè)是用來排出廢水，并提供少量液體給監(jiān)控系統(tǒng)，故又稱感液泵。
液體隨著轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)，向心泵對液體是固定不動(dòng)的，旋轉(zhuǎn)的液體經(jīng)過向心泵內(nèi)的彎曲通道后，部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，液體按特定的路徑排出并具備一定的壓力。當(dāng)流量很低或是排出管無背壓時(shí)，液體環(huán)帶的內(nèi)徑正好等于向心泵的外徑。當(dāng)液體必須克服背壓時(shí)，液體環(huán)帶的內(nèi)徑將逐漸減小，直到與對應(yīng)的背壓平衡。
2.4 分離與排渣過程
目前，碟式分離機(jī)按轉(zhuǎn)鼓排渣形式可分為人工清渣型（固體保留型）和自動(dòng)排渣型。其自動(dòng)排渣控制方式與傳統(tǒng)的分油機(jī)不同，轉(zhuǎn)鼓底座內(nèi)不同位置設(shè)有不同孔徑的通孔，操作水通過一只噴嘴向注射腔供水，通過底座內(nèi)的通孔通向不同的腔室，并通過控制液力活塞上下腔的離心壓力差來控制活塞的上下運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到密封與排渣的目的。
轉(zhuǎn)鼓底盤內(nèi)置兩個(gè)液力活塞，均隨轉(zhuǎn)鼓一同旋轉(zhuǎn)，工作水注入注射腔后，在高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下產(chǎn)生很大的離心壓力，兩個(gè)活塞在液力驅(qū)動(dòng)下可以進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng)。環(huán)形活塞的主要作用是在工作水液壓的作用下，通過改變密封腔的密封狀態(tài)來調(diào)節(jié)滑動(dòng)活塞的位置。滑動(dòng)活塞在壓緊密封圈的位置時(shí)，轉(zhuǎn)鼓排渣口密封，處于正常分離工作狀態(tài)，而滑動(dòng)活塞位置下移打開排渣口后，轉(zhuǎn)鼓進(jìn)入排渣狀態(tài)。
轉(zhuǎn)鼓密封分離：分離機(jī)啟動(dòng)完成達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，控制單元發(fā)出指令控制工作水電磁閥打開一段時(shí)間，將一定量的工作水注入到分離鼓底盤的注射腔中，在離心慣性力的作用下，工作水盡可能向轉(zhuǎn)鼓邊緣聚集，并通過轉(zhuǎn)鼓底座離軸心較遠(yuǎn)的通孔進(jìn)入密封腔，進(jìn)入密封腔內(nèi)的水隨轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生強(qiáng)大的壓力，一方面壓迫環(huán)形活塞下移至密封位置，使密封腔不泄露，另一方面推動(dòng)滑動(dòng)活塞上移壓住密封圈，關(guān)閉轉(zhuǎn)鼓的排渣口，分離機(jī)進(jìn)入正常分離工作狀態(tài)。
轉(zhuǎn)鼓排渣過程：在轉(zhuǎn)鼓正常分離工作狀態(tài)下，控制單元根據(jù)設(shè)定排渣時(shí)間控制工作水電磁閥再次打開，注入一定量的工作水到注射腔內(nèi)。由于密封腔已經(jīng)注滿水，注入的工作水只能通過另一靠近軸心的通孔進(jìn)入敞開室，敞開室內(nèi)建立起一定的水壓。由于環(huán)形活塞上部環(huán)帶面積小于下部環(huán)帶面積，環(huán)形活塞上下壓差的改變使其上移，破壞了密封腔的密封性，密封腔中的水經(jīng)轉(zhuǎn)鼓側(cè)邊的泄水孔排出。隨著注射腔內(nèi)的工作水逐漸減少以及受離心慣性力的作用，剩余的工作水再次聚集在轉(zhuǎn)鼓外緣，密封腔再次建立起壓力，環(huán)形活塞下移，滑動(dòng)活塞上移，重新進(jìn)入分離工作狀態(tài)。整個(gè)排渣過程在極短時(shí)間內(nèi)完成。
2.5 比重環(huán)的選擇
分離機(jī)轉(zhuǎn)鼓要清晰地區(qū)分不同密度的重相和輕相，才能使液體混合物有更好的分離效果。比重環(huán)作為轉(zhuǎn)鼓內(nèi)控制出水量的重要部件，對油水分離效果起著至關(guān)重要的作用。為此，需根據(jù)分離介質(zhì)的密度來為轉(zhuǎn)鼓選擇合適的比重環(huán)。一般的原則是：內(nèi)徑小的比重環(huán)適用于重油；內(nèi)徑大的比重環(huán)適用于輕質(zhì)油。
比重環(huán)內(nèi)徑的大小直接決定出水口的直徑。在一定油品處理量的情況下，排水量的大小會(huì)影響轉(zhuǎn)鼓內(nèi)油水分界面的位置。
選擇合適的比重環(huán)，油水分離面在碟片的外緣邊界處。此時(shí)，分離排出的凈油中不含有水，分離排出的水中不含有油。
選擇內(nèi)徑太大的比重環(huán)后，出水口排水量過多，造成油水分界面外移，遠(yuǎn)離了碟片外緣邊界。此時(shí)，分離排出的凈油中不含有水，分離的水中卻含有油，造成出水口跑油。此外，油水分界面外擴(kuò)可能會(huì)破壞水密封。
選擇內(nèi)徑太小的比重環(huán)后，出水口出水不順暢，排水量減小，油水分界面內(nèi)移至碟片里側(cè)。此時(shí)，分離的水中不含有油，而分離排出的油中含有水，分離效果變差。
3 注意的問題
船上工作環(huán)境惡劣，分油機(jī)會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)各種問題。針對該型分離機(jī)的工作特點(diǎn)，介紹一些在使用過程中需注意的問題以及對常見故障的判斷和分析。
（1）轉(zhuǎn)鼓是高速旋轉(zhuǎn)部件，轉(zhuǎn)速可達(dá)12000r/min。分離機(jī)首次運(yùn)行前，需嚴(yán)格按照規(guī)范檢查轉(zhuǎn)鼓的安裝和內(nèi)部碟片的安裝是否到位，避免安裝不合格帶來的機(jī)組振動(dòng)噪聲加劇或其他危險(xiǎn)情況。
（2）在沒有介質(zhì)注入的情況下，轉(zhuǎn)鼓一般不允許空轉(zhuǎn)超過15min，空轉(zhuǎn)時(shí)間過長將引起轉(zhuǎn)鼓材料過熱損壞。
（3）為保證分離效果，應(yīng)根據(jù)分離介質(zhì)的實(shí)際情況，調(diào)整或選取合適的比重環(huán)，避免排水口跑油或分離效率降低。
（4）應(yīng)定期清潔分離碟片和向心泵。若碟片間隙和凈油向心泵堵塞，會(huì)造成排油困難，油水分界面外移，排水口跑油。若感液泵堵塞，則會(huì)造成排水困難，使得排油帶水，分離效果降低。
（5）工作水泄漏、壓力過低會(huì)使得轉(zhuǎn)鼓底部液力活塞失效，導(dǎo)致轉(zhuǎn)鼓排渣口關(guān)閉不嚴(yán)、排渣口跑油，甚至?xí)古旁鼊?dòng)作不能正常進(jìn)行。
（6）應(yīng)定期檢查或更換密封件。轉(zhuǎn)鼓內(nèi)有許多密封圈，工作時(shí)間過長易導(dǎo)致密封圈失效，密封腔壓力降低使得滑動(dòng)活塞不能完全密封排渣口，造成排渣口跑油。
4 結(jié)束語
分油機(jī)是非常重要的船舶輔助設(shè)備，文章對某型Westfalia全自動(dòng)排渣型碟式分離機(jī)轉(zhuǎn)鼓的基本結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并結(jié)合其特點(diǎn)，有針對性地提出了一些使用中需要注意的問題，為分油機(jī)的設(shè)計(jì)、使用和維修保養(yǎng)提供了借鑒和參考。
