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污水处理系统曝气风机的选择

  为了对污水进行处理,国内外对处理方法进行了大量研究,并形成了五花八门的污水处理技术,但其中使用量最大、使用最普及也最成熟的技术是活性污泥法。在该法中为了向水中充氧,必须向水中鼓入大量空气,因而必须选用合适的鼓风机。由于在整个污水处理工程中风机所消耗的能量占了整个系统所消耗能量的一半以上,因而风机的选型显得特别重要。

  因为在污水处理系统中,对风机有其自身要求:风机的风量可由化学耗氧量算得,而风机的风压决定于水深(曝气头端面到水面的距离)。在污水处理系统设计时必须考虑管道、阀门、弯头及曝气头的压力损耗,一般在水深的基础上增加9.8kPa。

  新系统刚投入运行时,压力一般都在设计范围内,可随着使用时间的推移,由于曝气头微孔的堵塞,管道阀门的锈蚀,特别是曝气头损坏,大量污泥流入管道并沉积,使管道流通面积减小,从而使系统阻力大幅增加,因此在系统设计时要特别考虑这一点。

  除此之外还必须综合考虑风机能耗、噪声及价格等因素。下面我们就以上几个方面进行一些探讨。

  一、在污水处理系统中通常使用的曝气风机的选型要求

  常用的型式有容积式鼓风机和离心式鼓风机,其中容积式鼓风机主要有回转风机、罗茨鼓风机;离心式鼓风机主要有多级离心式风机、单级高速离心式风机。市面上的单级高速离心式风机又分为空气悬浮鼓风机、磁悬浮鼓风机、单级高速离心齿轮增速式鼓风机。

  市场上的罗茨式、多级离心式及单级高速离心式风机是目前各类污水处理厂常用的几种曝气风机。

  1.罗茨式风机和离心式风机在选型上的对比

  (1 )从罗茨式风机与离心式风机的流量特性来看,显然罗茨风机适用于污水处理系统的范围更广,从小型污水处理站到大型污水处理厂都能见到它的身影,其原因是罗茨鼓风机流量是硬特性,即当水处理系统阻力增加时,其出口压力也随着增加,但其输出气体的流量却变化很小,从而可以维持水处理系统的曝气量几乎不变(在风机强度及电动机功率满足的情况下);而离心式鼓风机则不同,其风量随阻力的增加而大幅减少。当阻力增加到一定压力时,风机输出风量为零,整个系统将无法曝气。

  污水处理厂在选用多级离心风机曝气,开始使用时很正常,随着使用时间的延续,曝气池水翻滚的强度越来越小,最终不再曝气。在污水池水位下降一定深度后,水池又正常曝气。将多级离心风机换为三叶型罗茨风机,则不会出现上述情况。因此在污水处理系统中选用离心式鼓风机要特别注意,选用风机的压力一定要留有充分余地。

  (2)污水处理系统在选用离心式风机时,还要特别要注意防止风机产生喘振现象。因为在风机运行中由于系统阻力的增加,造成风量的减小,当流量减小到某一最小值时就会在风机流道中出现严重的旋转脱离,流动严重恶化,使鼓风机出口压力突然大大下降,由于风机总是和水处理管网系统联合工作的,这时管网中的压力并不马上降低,于是管网中的气体压力反大于风机出口处的压力,从而气体发生倒流,一直至管网中的压力下降至风机的出口压力为止。这时倒流停止,风机又开始向管网供气,经过风机的流量又增大,风机又恢复正常工作;当网管中的压力恢复原来压力时,风机的流量又减少,风机的出口压又突然减小,系统中又产生倒流,如此周而复始就在系统中产生周期性的气流震荡现象,这就是风机的喘振现象,往往造成风机的重大事故。

  是不是发生喘振还和系统管网有关,管网的容量越大,则喘振的振幅越大,频率越低;管网的容量越小,则喘振的振幅越小,频率越高。当几台风机并网使用时,有时还会出现单台机出现喘振的现象,因为一个系统当设计施工完毕后其系统的阻力将随着系统内所流通的风量增加而增加,当系统阻力增加至某台风机的喘振点时,此机就会产生喘振现象,因此除对风机的压力保留一定的余地外,还必须对管网系统作一定的设计计算。

  2、选用的风机必须能耗低

  由于风机的能耗占了水处理系统总能耗的一半以上,因此选用的风机应尽量低能耗。下面就污水处理中常用的离心风机及罗茨鼓风机的能耗进行对比:

  (1)有许多设计院及高等院校在污水处理系统设计时常采用多级离心鼓风机,认为多级离心鼓风机能耗及噪声都比罗茨鼓风机低,甚至有一段时间想在污水处理系统中淘汰罗茨鼓风机。国内的罗茨鼓风机设计制造技术近年来已有了长足进步,其各项指标特别是噪声及能耗指标有了大幅度下降,丝毫不逊于多级离心式鼓风机,尤其依靠自身的性价比在中小型污水处理厂曝气系统应用中处于绝对垄断地位。

  (2)国产罗茨鼓风机与单级高速离心鼓风机(或单级高速离心齿轮增速式鼓风机)能耗比较,在我国污水处理系统中使用的单级高速离心鼓风机极大多数都是从引进国外产品开始,主要是丹麦HV-TUBO公司及英国豪顿公司的产品,该二公司风机都采用进风口导叶及扩压器导叶控制,流量调节范围宽,同时高效值范围大。我国在污水处理系统中仅从丹麦HV-BUTO公司引进的风机从1990年开始到现在有近千台。国内沈阳鼓风机厂在1995年引进了日本国川崎重工株式会社单级高速离心风机技术。2000年后又有重庆通用机械公司、杭州制氧气厂、南通金通灵公司、无锡杰尔等单位自主研发了单级高速离心齿轮增速式鼓风机,在大型污水处理厂有一些业绩,但国产风机及引进技术风机流量调节都仅采用进口导叶控制,因而高效工况区都不如丹麦HV-BUTO公司及英国豪顿公司宽,因而在一些关键岗位,依旧还是这两家产品。

  单级高速离心齿轮增速式鼓风机的能耗确比国产三叶型罗茨鼓风机低,但并不像丹麦HV-TURBO 公司样本所宣传的那样节能达30%~40%,至于国内某些公司的能耗显得高,可能是样本上提供的是配套电机功率而非轴功率造成。而国产三叶型罗茨鼓风机正向高速方向发展,随着速度的提高能耗会进一步降低,从而能耗将会更进一步接近单级高速离心风机。

  (3)国产三叶罗茨鼓风机与L型二叶型罗茨鼓风机及国外三叶型罗茨鼓风机的性能对比:L型二叶罗茨鼓风机是80年代中期,当时的机械工业部组织全国几家重点罗茨鼓风机生产厂家联合设计的节能产品,列入国家第八批节能产品目录。国产三叶罗茨鼓风机的能耗较L型二叶罗茨鼓风机的能耗低1.2%~21%。值得一提的是L型二叶罗茨鼓风机样本中所提供的轴功率隐瞒了风机的起始功率。如加上空载起始功率,则国产罗茨鼓风机的节能效果将显得更大。

  3、水处理系统所选用的风机还必须噪声低

  污水处理是为了保护环境,不能为了污水处理而给环境带来二次污染,因此在为污水处理系统选用风机时,对风机的噪声必须认真考虑,国产三叶罗茨鼓风机的噪声比多级离心式要低。国产三叶罗茨鼓风机与同类型的两叶型罗茨鼓风机相比噪声要低3.8~10dB(A),比德国AERZEN公司的三叶罗茨鼓风机噪声也要低6~14dB(A)左右。

  4、价格的对比

  国产三叶型罗茨鼓风机的价格是多级离心鼓风机的1/2不到;是国产单级高速离心鼓风机的1/5不到;是进口单级高速离心鼓风机的1/12不到,因而在价格上国产罗茨鼓风机有绝对的优势。

  从以上分析对比可看出,在污水处理中如不是特别要求,选用国产罗茨鼓风机较选用多级离心鼓风机更合理,其噪声及能耗都较低而价格仅后者1/2不到,且不用担心风机会产生喘振现象。而单级高速离心风机确实能耗及噪声较低,但即使选用国产单级高速离心风机其价格仍是国产罗茨风机的5倍以上。若选用进口风机,其价格则为国产三叶罗茨鼓风机的12倍左右。由于昂贵的价格,因而妨碍了它在污水处理曝气系统中的推广应用。因此在污水处理系统中选用风机时要权衡综合考虑。

  二、在污水处理系统中通常使用的曝气风机的类型和工作原理

  上文已经介绍了罗茨风机和单级高速离心风机(单级高速离心齿轮增速式鼓风机),而单级高速离心齿轮增速式鼓风机结构,工作原理与离心式压缩机一样,只是有一个叶轮,输出压力1.9bar上下,最大只能做到2.7bar,这里不再作介绍。下面主要介绍近几年在污水处理系统快速发展起来的空气悬浮鼓风机和空气磁悬浮鼓风机。

  (一)空气悬浮鼓风机

  空气悬浮鼓风机是空气在鼓风机转子高速旋转下,会在转子与箔片轴承表面之间产生动压效应,形成一个高压气膜而将转子托浮起来的一种鼓风机。

  1.空气悬浮鼓风机的结构和工作原理

  空气悬浮鼓风机主要包括叶轮、空气悬浮轴承、变频器、高速永磁电机及其结构控制系统。电机主轴与风机叶轮同轴,高速转子系统由空气悬浮轴承直接支撑。其主要核心技术是空气悬浮轴承技术、高速永磁同步电动机及其控制技术。空气悬架轴承以空气为工作介质,以弹性平坦箔片为支撑面,以弹性波浪箔片为支撑构件。

  叶轮转子与轴承接触,但当转子进入高速旋转状态时,由于空气的粘性和楔块的作用,平面间会产生动压效应。在箔片和转子表面,使扁平箔和波纹箔发生弹性变形,将扁平箔推开,然后使转子处于悬浮状态。 不均匀的圆周气压使箔片轴承具有承受载荷的能力。或者更简单地说,在转子高速旋转期间,在转子和箔片之间形成高压气膜,从而提升转子。

  由上可知,尽管在空气悬浮鼓风机正常运行之后,叶轮转子没有摩擦,但这并不意味着设备在整个过程中完全没有摩擦。在箔轴承的启动和停止阶段,当速度低于临界速度时,动压效应不足以固定转子。此时,轴承的内表面和转子之间仍将存在接触摩擦。这段时间很短,但是仍然有平的箔纸。薄膜的磨损问题会缩短使用寿命,因此,在使用空气悬架鼓风机时,必须尽量减少频繁的启停操作。同时,为了提高动压轴承的使用寿命,还必须在轴承表面涂上高质量的润滑涂层。

  2、空气悬浮离心风机技术特点

  1)节能高效

  采用悬浮轴承,无接触损失和机械损失,实现了高转速无极变转速调节,使得风机运行效率可高达95%左右。

  2)噪音低,体积小,安装方便

  所有部件(高速电动机、变频器、悬浮式轴承)集成安装在普通底座上,无需特殊固定基础,设备体积小、重量轻、安装操作方便,运行时低噪声和无振动,噪声等级<80dB。

  3)系统集成性高

  鼓风机本身已集成了就地控制和变频系统于一体,不需要单独设立变频柜及操作柜。通过风机自身的控制面板就可以实现各种功能的设定和对流体温度、电机转数、出风压力、风量、消耗功率等进行参数的查询,高效过滤器、冷却系统、全自动防喘震系统、停电和故障保护系统等都集中安装于风机机柜内部,为操作工人带来方便及减少操作事故的发生。

  4)使用简单、维护简便、费用低,寿命长

  鼓风机电机与叶轮直联,无齿轮增速装置,无任何机械接触,无需润滑油系统,没有磨损及能量损耗,维护费用低,动力传递效率达到95%以上。叶轮选用高强度航空铝材、Ti 材质,具有优秀的耐磨、抗变形能力,使用寿命达30年以上。采用变频器调速调节风量,比节流阀节能,且风量调节范围广泛,一般为50%~100%。

  5)冷却效率高

  冷却系统采用风冷和水冷结合的方式,能够有效保护电机,可实现风机的随时启停。

  6)远程控制

  采用了PLC+GPRS。不但可由中心控制室控制,若风机出现故障,还可以实施远程维修调试。

  3、空气悬浮风机的优缺点

  1)优点:

  首先,空气悬浮鼓风机采用高速永磁电机空气悬浮轴承,鼓风机运行转速可达40000转以上,故机械效率高,相比较传统风机节能率可以达35%-45%。

  其次,空气悬浮鼓风机采用三元流叶轮,涡壳采用航空铝合金材料,采用空气轴承直联,无机械摩擦,噪音只有75分贝至80分贝(1米处)不需要设隔音罩。

  空气悬浮鼓风机结构简单,体积小,节省空间,便于移动和安装,可采用远程操作、监测,无需到风机现场,便可以自行监测马达转速、风压、风量、电力、温度、过滤器灰尘等等。

  2)缺点:

  首先,空气悬浮鼓风机价格贵、维护维修成本高。

  其次是由于它的结构所造成,传统罗茨风机可以实现负轴真空使用,而空气悬浮风机则不能;传统罗茨风机可以频繁启停,而空气悬浮风机也不能,因为频繁启停会对空气轴承有摩擦,所以不可以频繁启停。

  (二)磁悬浮离心式鼓风机

  磁悬浮离心式鼓风机是一种输送气体的机械设备,磁悬浮技术把磁悬浮轴承以及大功率高速永磁电机技术集成为高速电机,外加专用高速永磁电机变频器形成高速驱动器,驱动高速离心叶轮,使高速离心叶轮工作在最省电的工作区域,开发出高效的磁悬浮离心式鼓风机。其采用磁悬浮轴承、三元流叶轮、高速永磁同步电机、高效变频器调速、智能化监测控制等核心技术,启动时先悬浮后旋转,无摩擦,无需润滑,三元流叶轮与转子直联,传动零损失,是一种高科技绿色节能环保产品。

  磁悬浮离心式鼓风机采用无接触、无机械摩擦的磁悬浮轴承和高速大功率永磁同步电机,直接驱动高效流体叶轮,克服了传统鼓风机和气悬浮鼓风机的缺点,具有效率高、噪音低、故障少、不需润滑系统等优点,即使磁悬浮轴承发生了故障,依靠系统中的保护轴承,仍然可以使高速旋转的转子安全停机,不会导致设备的严重损坏。

  1、磁悬浮离心式鼓风机工作原理和结构

  磁悬浮离心式鼓风机是将磁悬浮轴承技术和高速电机技术融入于传统风机而形成的一种高效、环保、节能的新型鼓风机。通过内磁悬浮轴承来控制器磁轴承,通过电流产生磁场,同时由磁场产生吸力,进而实现转轴的悬浮。高速电机通过变频电源产生频率可控的交变电流输入电机定子产生的交变磁场,带动转轴进行高速旋转,即是同步永磁电机。随着转轴一同作高速旋转的鼓风机叶轮带动空气从涡壳的进气口进入,空气在涡壳的导向与增压作用下成为具有一定流速与压力的气体,最终从涡壳的出气口鼓出。

  磁悬浮离心式鼓风机主要部件包括高效离心叶轮、磁悬浮轴承、永磁同步电机和专用变频器四部分。该类风机采用一体化设计,其高速电机、变频器、磁悬浮轴承和微处理控制盘等均采用一体设计和集成,其核心是磁悬浮轴承和永磁电机技术。

  1)高速离心叶轮

  叶轮采用三元流动理论设计及参数优化,使叶轮效率最大化,工作区域广;其材质采用高强度锻铝或钛合金,抗变形能力强;经过数控加工中心精密加工而成,防腐性能更好。经过国家流体实验室专家测得叶轮工作点最高效率可达85%。

  2)高速永磁同步电机

  在电机的主轴上安装永磁铁,保证主轴磁性。电机的定子硅钢片缠绕的线圈,产生震荡磁力,在运转过程中转速和震荡磁场保持一致,实现同步。永磁电动机采用磁悬浮轴承,具有无机械摩擦、低噪音、低振动以及寿命长的特点,最高转速可达50000r/min。

  3)磁悬浮轴承

  通过可控的电磁吸力使转轴稳定地悬浮,在旋转过程中转轴不受任何机械阻力,因此效率高、无磨损、无需维护、无需润滑油,排出的空气也绝不含油。

  4)电机智能控制系统

  磁悬浮鼓风机一般采用无矢量变频控制,用调节频率的方法来控制永磁电机的旋转,进而控制鼓风机的流量,满足各种工况使用。智能控制系统可以预测喘振和实现就地控制,且设备安装了GPRS系统可以实现远程监控和数据传输。

  2、磁悬浮离心式鼓风机性能特点

  磁悬浮离心式鼓风机采用无接触、无机械摩擦的磁悬浮轴承和高速大功率永磁同步电机,直接驱动高效流体叶轮,克服了传统鼓风机和气悬浮鼓风机的缺点,具有效率高、噪音低、故障少、不需润滑系统等优点,即使磁悬浮轴承发生了故障,依靠系统中的保护轴承,仍然可以使高速旋转的转子安全停机,不会导致设备的严重损坏。

 

  1)节能高效,磁悬浮离心式鼓风机采用的磁悬浮轴承,无机械损失和接触损失,满足了高转速无极变转速调节。

  2)冷却效率高,冷却系统使用水冷机风冷结合的两种方式,可以有效保护电机,满足风机随时启停的要求。

  3)噪音小,安装便捷,因为采用整体箱式结构,风机噪音低于80分贝,机体震动的范围极小,安装基础要求低,安装便捷。

  目前磁悬浮离心式鼓风机工作转速可达40000r/min,最高转速可做到20万r/min以上,并在工作范围内能够稳定可靠运转。其振动和噪声水平均低于采用机械轴承的其它型号离心式鼓风机。

  但是,磁悬浮为了正确监测极柱(磁铁的极)需要非常复杂的控制系统和传感器,为了轴承性能失效的情况需要补助措施,像补助电池和使用润滑油的补助轴承等,轴承系统故障时,维护费用高。

 


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