双室分流分步机械管道混合器及其控制方法

技术领域

本发明涉及水处理领域，具体涉及一种双室分流分步机械管道混合器及其控制方法。

背景技术

混凝是指通过某种方法(如投加化学药剂)使水中胶体粒子和微小悬浮物聚集的过程，是水和废水处理工艺中的一种单元操作。混合和反应是属于混凝过程的两个阶段，混合的作用在于使药剂迅速均匀的扩散于水中，以创造良好的水解和聚合条件；反应的作用在于使凝聚微粒通过絮凝以形成具有良好沉淀性能的大的絮凝体。

现有技术ZL202110587402.6公开的双室三维强力机械管道混合器，其能够通过搅拌器及管道内的多个混合片，对加入的药剂进行充分混合；在进行水体净化时，当进液管道在供水量减少时，进水流量不能满足分流管流量需求，主进液管道设置的导流混合片，不能实现限流，也不能起到导流混合作用。同时通过试验发现将分流管道按照主进液管道直径的15％～20％设计，会使得上混合室进水流量偏小，导致上混合室排液量与下混合室流量比例偏大，影响混合效果。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的双室分流分步机械管道混合器及其控制方法解决了现有的管道混合器在进水流量减少时，混合效果差的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种双室分流分步机械管道混合器，包括通过水封隔板分隔开的上混合室和下混合室，水封隔板上固定有轴向推力导流罩；下混合室出口与出液管道连通；上混合室通过分流管道与进液管道连通，上混合室上安装有延伸至轴向推力导流罩内的搅拌装置；分流管道、轴向推力导流罩处分别设置有第一加药器和第二加药器；

下混合室通过文丘里管与进液管道连通，文丘里管脖颈截面积为进液管道截面积的20-30％，文丘里管脖颈截面积+分流管道截面积≥进液管道截面积；搅拌装置、第一加药器和第二加药器均与控制器电连接。

本发明的有益效果为：本方案在进水管道和下混合室之间设置文丘里管道后，在供水量减少时，能够对进水管道的流量进行限流，以避免分流管道中的流量大幅降低影响水与药剂的混合效果；再者文丘里管产生的射流混合效果远优于导流混合片混合效果。

本方案的文丘里管和分流管道截面积的独特设置，可以增大分流管道截面积，使上混合室充分发挥混合效率，并且使上、下混合室排液、进液流量比例减小，提高混合效果。

进一步地，搅拌装置包括安装在上混合室顶部的动力装置，动力装置与传动轴连接，连接轴上安装有位于上混合室中间部分的搅拌叶轮及位于轴向推力导流罩内部的推力搅拌叶轮，且推力搅拌叶轮的底面高于进液管道的顶面。

上述技术方案的有益效果为：本方案的搅拌叶轮将混合液向下呈螺旋状排出的过程能够对混合液进行再次混合，到达轴向推力导流罩处的混合液，被推力搅拌叶轮再次向下呈螺旋状排出，螺旋状的排液具有轴向流和周向环流，使混合液与从主进液管道进入的径向流在下混合室内形成流体三维流动，实现水力强剪切或高度湍动，使液体实现多次湍流，使混合更加均匀，大大提高了混合效果。

进一步地，轴向推力导流罩的上表面上铰接有弧形板，弧形板的总面积小于轴向推力导流罩过流面积的一半；弧形板的顶部边缘固定安装有一块连接块，连接块的顶部邻近轴向推力导流罩边缘的棱边与电动推杆的推杆端铰接，电动推杆的另外一端与上混合室的侧壁铰接，电动推杆与控制器电连接。

上述技术方案的有益效果为：本方案设置弧形板后，可以在进水流量减少时，调整上混合室的出口流量，以保证进入上混合室的混合液有足够的停留时间，保证混合效率。

进一步地，轴向推力导流罩的两端延伸出水封隔板，第二加药器的出药口位于轴向推力搅拌叶轮的正上方。

进一步地，第一加药器处的分流管道内设置有直径等于分流管道直径的中空球体；中空球体上设置有一个主进水孔和若干均布的过水孔，主进水孔位于分流管道来水面；

主进水孔与旋转喷头连接，旋转喷头包括与主进水孔固定连接的进水管，进水管的自由端通过轴承转动安装有一球形壳体，球形壳体上均布有若干出水孔；

第一加药器位于分流管道内的出药管呈L形，其出口延伸至中空球体的主进水孔内。

上述技术方案的有益效果为：本方案进入分流管道的液体和第一加药器加入的药液同步进入中空球体内，在旋转的球形壳体下初步混合，之后通过球形壳体旋喷至中空球体的不同位置，与中空球体内的液体进行再次混合，并从过水孔流出对分流管道的水进行扰动，使流出中空球体的混合液被充分的混合，以保证液体中的药剂迅速均匀的扩散，提高水体的净化效果。

进一步地，双室分流分步机械管道混合器还包括设置在出液管道上的第三加药器及位于出液管道内部的混合装置，第三加药器与控制器电连接；混合装置包括设置于出液管道内、且直径等于出液管道的第一过水板和第二过水板；第一过水板上部至少一半板面上均布有若干过水孔；

第二过水板上均布有若干过水孔；第一过水板和第二过水板之间的出液管道上等间距、交错设置有多块导流板，邻近第一过水板的导流板安装于出液管道的上半部分管段；导流板上均布有若干过水孔，且导流板的高度介于出液管道的半径和直径之间；第三加药器的出药口位于第一过水板和邻近第一过水板的导流板之间。

上述技术方案的有益效果为：混合装置的设置，可以使混合液与第三加药器加入的药剂进行多次混合，以保证液体中的药剂迅速均匀的扩散于水中，以创造良好的水解和聚合条件，以提高水体的净化效果。

进一步地，下混合室轴向高度比进液管道和/或出液管道的直径大300～400mm。

上述技术方案的有益效果为：ZL202110587402.6下混合室径向截面的设计不能满足下混合室在流速0.8m/s混合滞留时间≥4s的混合时间需求，本方案引入文丘里管后，在结合下混合室轴向高度的独特设置，可以在水厂设计生产能力120％的基础上，保证下混合室混合时间≥最佳混凝剂混合需求。

第二方面，提供一种双室分流分步机械管道混合器的控制方法，其特征在于，包括步骤：

S1、当上混合室内存在流量时，启动搅拌装置、第一加药器和第二加药器；

S2、每隔预设时长采集一次分流管道的断面流量，判断断面流量是否小于轴向推力导流罩的断面流量，若是进入步骤S3，否则进入步骤S6；

S3、控制电动推杆伸长，带动弧形板处于水平状态，并判断分流管道的断面流量是否小于预设流量，若是进入步骤S4，否则进入步骤S6；

S4、根据分流管道的断面流量，计算搅拌电机的输出功率：

其中，N为搅拌电机输出功率；μ为水的粘度；t为设计混合时间；Q为上混合室流量；η为搅拌电机转换效率；G为速度梯度；q

S5、调整动力装置的搅拌电机的输出功率，并调整第一加药器和第二加药器的出药量为上一时刻的

S6、保持弧形板处于竖直状态，并调整第一加药器和第二加药器的出药量为上一时刻的

S7、判断上混合室内是否存在流量，若是返回步骤S2，否则关闭搅拌装置、第一加药器和第二加药器，并保持弧形板处于竖直状态。

进一步地，当出液管道存在水流流出时，还包括判断出液管道流出的水流是否满足水厂设计需求，若不满足，则启动第三加药器，否则不启动第三加药器。

上述技术方案的有益效果为：本方案在水体净化过程中，可以对进入分流管道的流量进行判断，以对弧形板进行调整，以保证混合液在上混合室中的停留时间，以保证混合的均匀性；通过输入分流管道的流量变化，可以对搅拌电机的输出功率进行调整，以保证充分混合的同时还节能。

第三方面，提供双室分流分步机械管道混合器的控制方法，其特征在于，包括步骤：

S1、Gt优化闭环混合控制

S11、采集原水的PH值及采用流动电流检测仪采集原水的流动电流SC作为参考值，混合时间t根据流量变化设定为4～10s，搅拌电机调速设定为200转/分，混凝剂投加量以混凝剂烧杯实验做千吨水混凝剂投加量为设定投加量；

S12、按照步骤S11的设定参数，混合器进入手动运行实验运行状态，采用流动电流检测仪检测SC和相对应的混合器搅拌电机转速；对搅拌电机转速进行上调，随着上调幅度，记录SC变化值；当若检测SC值趋近并稳定在大于或小于SC参考值，将检测SC值作为自动运行设定值；

S13、自动控制运行：混合器进入自动运行混合调整状态，进入自动运行后，控制器以SC参考值为目标，自动调整搅拌电机转速，观测SC值与SC设定值相对差距值，若≥SC设定值，则胶体聚合沉降效果符合原水PH值与混凝剂相对应的关系；

S2、PID变频加药系统闭环控制

S21、取观测SC≥SC设定值，混凝剂投加量以Gt优化闭环混合控制投加量为基数；

S22、Gt优化闭环混合控制正常自动运行，手动调整变频加药系统，检测增加或减少投药量对SC检测值的影响；

S23、在Gt优化闭环混合控制下产生的混合效果SC值基础上，自动调整PID变频投药系统混凝剂投加量，调整过程中若SC值呈趋近于SC≤零值，则调整混凝剂投加量，PID变频控制系统继续自动调整运行；反之，PID变频控制系统自动停止调整混凝剂投加量。

附图说明

图1为双室分流分步机械管道混合器的主视图；

图2为双室分流分步机械管道混合器的俯视图；

图3为图1中A部的放大图；

图4为中空球体内部安装有旋转喷头的结构示意图；

图5为出液管道的内部设置混合装置的结构示意图；

图6为双室分流分步机械管道混合器内部液体介质的流动原理图。

其中，1、上混合室；11、上导流板；2、下混合室；21、下导流板；22、文丘里管；3、水封隔板；4、轴向推力导流罩；41、弧形板；42、连接块；43、电动推杆；5、搅拌装置；51、搅拌叶轮；52、搅拌电机；53、传动轴；54、推力搅拌叶轮；6、进液管道；7、出液管道；71、混合装置；711、第一过水板；712、第二过水板；713、导流板；8、分流管道；81、中空球体；811、过水孔；82、旋转喷头；821、进水管；822、轴承；823、球形壳体；83、第二加药器；84、混合导流片；9、第一加药器；10、第三加药器。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1和图2所示，本方案提供的双室分流分步机械管道混合器包括通过水封隔板3分隔开的上混合室1和下混合室2，水封隔板3上固定有轴向推力导流罩4；下混合室2出口与出液管道7连通；上混合室1通过分流管道8与进液管道6连通，上混合室1上安装有延伸至轴向推力导流罩4内的搅拌装置5；分流管道8、轴向推力导流罩4处分别设置有第一加药器9和第二加药器83。

下混合室2通过文丘里管22与进液管道6连通，文丘里管22脖颈截面积为进液管道6截面积的20-30％，文丘里管22脖颈截面积+分流管道截面积≥进液管道6截面积；搅拌装置5、第一加药器9和第二加药器83均与控制器电连接。

如图6所示，下面结合附图对本方案的双室分流分步机械管道混合器的工作原理进行详细说明：

设备运行时，进液管道6进的水分流X水量通过分流管道8进入上混合室1，混凝剂通过第一加药器9投加至分流管道8，小体量分流X水量与混凝剂经初级湍流混合形成小体量初级液导入上混合室1，在上混合室1内通过搅拌叶轮51强力机械混合搅拌，形成二次湍流混合使初级混合液混合效果更加均匀，实现了小尺寸的机械强力搅拌第二混合区和二级混合液，二级混合液在密闭的上混合室1与下混合室2之间仅通过轴向推力导流罩4连通，在轴向推力导流罩4内设置的推力搅拌叶轮54高速旋转使上方的液体产生高度湍动，从而使上混合室1内通过分流管道8引入的初级混合分流液体与通过第二加药器83加入的药液产生强剪切，使二级混合液更加均匀，搅拌装置5高速转动通过轴向导流罩和轴向推力叶轮将二级混合液向下呈轴向螺旋状强力排出，螺旋状的排液具有轴向流和周向环流，此排出液首先穿过进液管道6径向流与下混合室2底部碰撞后形成反向轴向流和周向环流，其次正反向轴向流和周向环流与文丘里管喷射径向流产生多项水力剪切，并在下混合室2内形成液体三维流动，最终实现在密闭环境内主流体与二级混合液全时段、全流量快速进行水力强剪切及高度湍动混合的三级混合液，大大的提高了混合效果。

再次参考图1，搅拌装置5包括安装在上混合室1顶部的动力装置，动力装置包括搅拌电机52和与搅拌电机52连接的减速器，减速器的输出端与传动轴53连接；连接轴上安装有位于上混合室1中间部分的搅拌叶轮51及位于轴向推力导流罩4内部的推力搅拌叶轮54，且推力搅拌叶轮54的底面高于进液管道6的顶面。

如图3所示，轴向推力导流罩4的上表面上铰接有弧形板41，弧形板41的总面积小于轴向推力导流罩4过流面积的一半；弧形板41的顶部边缘固定安装有一块连接块42，连接块42的顶部邻近轴向推力导流罩4边缘的棱边与电动推杆43的推杆端铰接，电动推杆43的另外一端与上混合室1的侧壁铰接，电动推杆43与控制器电连接；若本方案的电动推杆43的下表面不能与上混合室1内部不接触时，可以在上混合室1侧壁上固定一块支撑块，便于对电动推杆43进行支撑。

当分流管道8中的流量传感器采集到分流管道8内部的流量变小时，且断面流量小于轴向推力导流罩4的断面流量时，通过控制器控制电动推杆43伸长，以带着弧形板41向着轴向推力导流罩4方向旋转，直至处于水平状态，以减小轴向推力导流罩4的出水孔面积，以使上混合室1中的混合液停留时间增长，以达到均匀混合。当分流管道的断面流量增大至大于轴向推力导流罩4的断面流量时，控制电动推杆缩短，直至基本上使弧形板41处于竖直状态。

实施时，本方案优选轴向推力导流罩4的两端延伸出水封隔板3，第二加药器83的出药口位于轴向推力搅拌叶轮54的正上方。

如图4所示，第一加药器9处的分流管道8内设置有直径等于分流管道8直径的中空球体81；中空球体81上设置有一个主进水孔和若干均布的过水孔811，主进水孔位于分流管道8来水面。

主进水孔与旋转喷头82连接，旋转喷头82包括与主进水孔固定连接的进水管821，进水管821的自由端通过轴承822转动安装有一球形壳体823，球形壳体823上均布有若干出水孔；第一加药器9位于分流管道8内的出药管呈L形，其出口延伸至中空球体81的主进水孔内。

当分流管道8内部有水流进入时，大部分水会进入中空球体81，部分水会从主进水孔进入旋转的球形壳体823，与药剂进行初步混合，之后通过球形壳体823旋喷至中空球体81的不同位置，与中空球体81内的液体进行再次混合，并从过水孔811流出对分流管道8的水进行扰动，使流出中空球体81的混合液被充分的混合，以保证液体中的药剂迅速均匀的扩散，提高水体的净化效果。

如图5所示，双室分流分步机械管道混合器还包括设置在出液管道7上的第三加药器10及位于出液管道7内部的混合装置71，第三加药器10与控制器电连接；混合装置71包括设置于出液管道7内、且直径等于出液管道7的第一过水板711和第二过水板712；第一过水板711上部至少一半板面上均布有若干过水孔811。

第二过水板712上均布有若干过水孔811；第一过水板711和第二过水板712之间的出液管道7上等间距、交错设置有多块导流板713，邻近第一过水板711的导流板713安装于出液管道7的上半部分管段；导流板713上均布有若干过水孔811，且导流板713的高度介于出液管道7的半径和直径之间；第三加药器10的出药口位于第一过水板711和邻近第一过水板711的导流板713之间。

进入出液管道7的混合液，能够与快速通过第一过水板711的混合液进行初级混合，之后部分混合液通过导流板713的过水孔811，绝大部分混合液从导流板713与出液管道7的间隙流向下一级导流板713，从间隙流入的水会与过水孔811的水进行再次混合，如此往复，以使混合液在导流板713间多次混合，最终从第二过水板712排出。

实施时，本方案优选的第一加药器9、第二加药器83和第三加药器10均包括药液储存装置、药液输出管道、药液流量调节阀和药液流量传感器，药液输出管道用于将存储在药液储存装置的药液压力输送到上混合区域内，药液流量传感器用于监测药液输出管道中药液的流量并反馈给控制器，控制器控制药液流量调节阀调节药液流量使药液始终按照预先的流量值输入。

实施时，本方案优选下混合室2轴向高度比进液管道6和/或出液管道7的直径大300～400mm。

如图1所示，分流管道8邻近上混合室1处设置有呈十字形的混合导流片84，上混合室1内设置有上导流板11，下混合室2内设置有下导流板21。

本方案还提供了一种双室分流分步机械管道混合器的控制方法，其包括步骤：

S1、当上混合室1内存在流量时，启动搅拌装置5、第一加药器9和第二加药器83；

S2、每隔预设时长采集一次分流管道8的断面流量，判断断面流量是否小于轴向推力导流罩4的断面流量，若是进入步骤S3，否则进入步骤S6；

S3、控制电动推杆43伸长，带动弧形板41处于水平状态，并判断分流管道8的断面流量是否小于预设流量，若是进入步骤S4，否则进入步骤S6；

S4、根据分流管道的断面流量，计算搅拌电机52的输出功率：

其中，N为搅拌电机52输出功率；μ为水的粘度；t为设计混合时间；Q为上混合室1流量；η为搅拌电机52转换效率；G为速度梯度；q

S5、调整动力装置的搅拌电机52的输出功率，并调整第一加药器9和第二加药器83的出药量为上一时刻的

S6、保持弧形板处于竖直状态，并调整第一加药器9和第二加药器83的出药量为上一时刻的

S7、判断上混合室1内是否存在流量，若是返回步骤S2，否则关闭搅拌装置5、第一加药器9和第二加药器83，并保持弧形板处于竖直状态。

实施时，本方案优选当出液管道7存在水流流出时，还包括判断出液管道7流出的水流是否满足水厂设计需求，若不满足，则启动第三加药器10，否则不启动第三加药器10。

本方案还提供了一种双室分流分步机械管道混合器的控制方法，其特征在于，包括步骤：

S1、Gt优化闭环混合控制(其中，G指速度梯度)

S11、采集原水的PH值及采用流动电流检测仪采集原水的流动电流SC作为参考值，混合时间t根据流量变化设定为4～10s，搅拌电机调速设定为200转/分，混凝剂投加量以混凝剂烧杯实验做千吨水混凝剂投加量为设定投加量；

S12、按照步骤S11的设定参数，混合器进入手动运行实验运行状态，采用流动电流检测仪检测SC和相对应的混合器搅拌电机转速；对搅拌电机转速进行上调，随着上调幅度，记录SC变化值；当若检测SC值趋近并稳定在大于或小于SC参考值，将检测SC值作为自动运行设定值；

S13、自动控制运行：混合器进入自动运行混合调整状态，进入自动运行后，控制器以SC参考值为目标，自动调整搅拌电机转速，观测SC值与SC设定值相对差距值，若≥SC设定值，则胶体聚合沉降效果符合原水PH值与混凝剂相对应的关系；

S2、PID变频加药系统闭环控制

S21、取观测SC≥SC设定值，混凝剂投加量以Gt优化闭环混合控制投加量为基数；

S22、Gt优化闭环混合控制正常自动运行，手动调整变频加药系统，检测增加或减少投药量对SC检测值的影响；

S23、在Gt优化闭环混合控制下产生的混合效果SC值基础上，自动调整PID变频投药系统混凝剂投加量，调整过程中若SC值呈趋近于SC≤零值，则调整混凝剂投加量，PID变频控制系统继续自动调整运行；反之，PID变频控制系统自动停止调整混凝剂投加量。

上面两个两个闭环系统，前者是进行Gt优化，为提高混合效果创造良好水力条件。后者是依靠混凝剂投加量调整，为提高混合效果确定最佳混凝剂投加量。两者目标一致，手段不同，前者是混合设施自身所具备的最佳水力条件基础上，再进行Gt优化组合，以达到最佳混合效率。后者是在前者达到最佳混合效率基础上，通过适时调整混凝剂投加量达到最佳混合效果。两种系统互为闭环控制，目标一致，但又独立发挥各自作用，因果关系明确，安全可靠，简便易行。

流体完全处于三维湍动状态方案及工作原理

双室分流分步机械管道混合器采用上下双混合室双层机械搅拌混合+水力剪切三维混合结构设计，混合室中心设有搅拌叶片和推力搅拌叶片。部分原水分流进入静态混合器完成原液与混凝剂初步混合，进入上混合室，经过机械搅拌，进一步加强初级混合液的强力混合，混合后进入轴向推力导流罩，在推力搅拌叶片高速旋转推进情况下，进入下混合室。与文氏管径向喷射流在浆板转动与流场带动下形成三维水力剪切，强力混合。使混凝剂与混凝剂初步混合，在推进叶轮推动下进入下混合室与主流完全混合。双室三维强力机械管道混合器运行时，混凝剂投加至分流管道，通过小体量分流静态混合形成初级混合液，入上混合室通过变频调速搅拌装置的高速搅拌，实现两次湍流形成二级混合液，通过轴流式机械搅拌装置压力排入下混合室，在下混合室与文丘里管进水实现水力剪切，并在下混合室内形成了径向流、轴向流和轴向环流的三维流场，从而使药、液在4-8s时间内实现快速、全流量、无死角充分均匀混合，使混凝剂更加充分发挥混凝效力，减排节能，适应范围广，提高出水水质。

综上所述，本方案的管道混合器在水量较多时，能够实现药剂和水的均匀混合，在水量减少时，也能保证分流管道8内的水量，以避免分流管道8中的流量大幅降低影响水与药剂的混合效果。