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污水處理系統曝氣風機的選擇

  【壓縮機網】為了對污水進行處理,國內外對處理方法進行了大量研究,并形成了五花八門的污水處理技術,但其中使用量最大、使用最普及也最成熟的技術是活性污泥法。在該法中為了向水中充氧,必須向水中鼓入大量空氣,因而必須選用合適的鼓風機。由于在整個污水處理工程中風機所消耗的能量占了整個系統所消耗能量的一半以上,因而風機的選型顯得特別重要。

  因為在污水處理系統中,對風機有其自身要求:風機的風量可由化學耗氧量算得,而風機的風壓決定于水深(曝氣頭端面到水面的距離)。在污水處理系統設計時必須考慮管道、門、彎頭及曝氣頭的壓力損耗,一般在水深的基礎上增加9.8kPa。

  新系統剛投入運行時,壓力一般都在設計范圍內,可隨著使用時間的推移,由于曝氣頭微孔的堵塞,管道門的銹蝕,特別是曝氣頭損壞,大量污泥流入管道并沉積,使管道流通面積減小,從而使系統阻力大幅增加,因此在系統設計時要特別考慮這一點。

  除此之外還必須綜合考慮風機能耗、噪聲及價格等因素。下面我們就以上幾個方面進行一些探討。

  一、在污水處理系統中通常使用的曝氣風機的選型要求

  常用的型式有容積式鼓風機和離心式鼓風機,其中容積式鼓風機主要有回轉風機、羅茨鼓風機;離心式鼓風機主要有多級離心式風機、單級高速離心式風機。市面上的單級高速離心式風機又分為空氣懸浮鼓風機、磁懸浮鼓風機、單級高速離心齒輪增速式鼓風機。

  市場上的羅茨式、多級離心式及單級高速離心式風機是目前各類污水處理廠常用的幾種曝氣風機。

  1.羅茨式風機和離心式風機在選型上的對比

  (1 )從羅茨式風機與離心式風機的流量特性來看,顯然羅茨風機適用于污水處理系統的范圍更廣,從小型污水處理站到大型污水處理廠都能見到它的身影,其原因是羅茨鼓風機流量是硬特性,即當水處理系統阻力增加時,其出口壓力也隨著增加,但其輸出氣體的流量卻變化很小,從而可以維持水處理系統的曝氣量幾乎不變(在風機強度及電動機功率滿足的情況下);而離心式鼓風機則不同,其風量隨阻力的增加而大幅減少。當阻力增加到一定壓力時,風機輸出風量為零,整個系統將無法曝氣。

  污水處理廠在選用多級離心風機曝氣,開始使用時很正常,隨著使用時間的延續,曝氣池水翻滾的強度越來越小,最終不再曝氣。在污水池水位下降一定深度后,水池又正常曝氣。將多級離心風機換為三葉型羅茨風機,則不會出現上述情況。因此在污水處理系統中選用離心式鼓風機要特別注意,選用風機的壓力一定要留有充分余地。

  (2)污水處理系統在選用離心式風機時,還要特別要注意防止風機產生喘振現象。因為在風機運行中由于系統阻力的增加,造成風量的減小,當流量減小到某一最小值時就會在風機流道中出現嚴重的旋轉脫離,流動嚴重惡化,使鼓風機出口壓力突然大大下降,由于風機總是和水處理管網系統聯合工作的,這時管網中的壓力并不馬上降低,于是管網中的氣體壓力反大于風機出口處的壓力,從而氣體發生倒流,一直至管網中的壓力下降至風機的出口壓力為止。這時倒流停止,風機又開始向管網供氣,經過風機的流量又增大,風機又恢復正常工作;當網管中的壓力恢復原來壓力時,風機的流量又減少,風機的出口壓又突然減小,系統中又產生倒流,如此周而復始就在系統中產生周期性的氣流震蕩現象,這就是風機的喘振現象,往往造成風機的重大事故。

  是不是發生喘振還和系統管網有關,管網的容量越大,則喘振的振幅越大,頻率越低;管網的容量越小,則喘振的振幅越小,頻率越高。當幾臺風機并網使用時,有時還會出現單臺機出現喘振的現象,因為一個系統當設計施工完畢后其系統的阻力將隨著系統內所流通的風量增加而增加,當系統阻力增加至某臺風機的喘振點時,此機就會產生喘振現象,因此除對風機的壓力保留一定的余地外,還必須對管網系統作一定的設計計算。

  2、選用的風機必須能耗低

  由于風機的能耗占了水處理系統總能耗的一半以上,因此選用的風機應盡量低能耗。下面就污水處理中常用的離心風機及羅茨鼓風機的能耗進行對比:

  (1)有許多設計院及高等院校在污水處理系統設計時常采用多級離心鼓風機,認為多級離心鼓風機能耗及噪聲都比羅茨鼓風機低,甚至有一段時間想在污水處理系統中淘汰羅茨鼓風機。國內的羅茨鼓風機設計制造技術近年來已有了長足進步,其各項指標特別是噪聲及能耗指標有了大幅度下降,絲毫不遜于多級離心式鼓風機,尤其依靠自身的性價比在中小型污水處理廠曝氣系統應用中處于絕對壟斷地位。

  (2)國產羅茨鼓風機與單級高速離心鼓風機(或單級高速離心齒輪增速式鼓風機)能耗比較,在我國污水處理系統中使用的單級高速離心鼓風機極大多數都是從引進國外產品開始,主要是丹麥HV-TUBO公司及英國豪頓公司的產品,該二公司風機都采用進風口導葉及擴壓器導葉控制,流量調節范圍寬,同時高效值范圍大。我國在污水處理系統中僅從丹麥HV-BUTO公司引進的風機從1990年開始到現在有近千臺。國內沈陽鼓風機廠在1995年引進了日本國川崎重工株式會社單級高速離心風機技術。2000年后又有重慶通用機械公司、杭州制氧氣廠、南通金通靈公司、無錫杰爾等單位自主研發了單級高速離心齒輪增速式鼓風機,在大型污水處理廠有一些業績,但國產風機及引進技術風機流量調節都僅采用進口導葉控制,因而高效工況區都不如丹麥HV-BUTO公司及英國豪頓公司寬,因而在一些關鍵崗位,依舊還是這兩家產品。

  單級高速離心齒輪增速式鼓風機的能耗確比國產三葉型羅茨鼓風機低,但并不像丹麥HV-TURBO 公司樣本所宣傳的那樣節能達30%~40%,至于國內某些公司的能耗顯得高,可能是樣本上提供的是配套電機功率而非軸功率造成。而國產三葉型羅茨鼓風機正向高速方向發展,隨著速度的提高能耗會進一步降低,從而能耗將會更進一步接近單級高速離心風機。

  (3)國產三葉羅茨鼓風機與L型二葉型羅茨鼓風機及國外三葉型羅茨鼓風機的性能對比:L型二葉羅茨鼓風機是80年代中期,當時的機械工業部組織全國幾家重點羅茨鼓風機生產廠家聯合設計的節能產品,列入國家第八批節能產品目錄。國產三葉羅茨鼓風機的能耗較L型二葉羅茨鼓風機的能耗低1.2%~21%。值得一提的是L型二葉羅茨鼓風機樣本中所提供的軸功率隱瞞了風機的起始功率。如加上空載起始功率,則國產羅茨鼓風機的節能效果將顯得更大。

  3、水處理系統所選用的風機還必須噪聲低

  污水處理是為了保護環境,不能為了污水處理而給環境帶來二次污染,因此在為污水處理系統選用風機時,對風機的噪聲必須認真考慮,國產三葉羅茨鼓風機的噪聲比多級離心式要低。國產三葉羅茨鼓風機與同類型的兩葉型羅茨鼓風機相比噪聲要低3.8~10dB(A),比德國AERZEN公司的三葉羅茨鼓風機噪聲也要低6~14dB(A)左右。

  4、價格的對比

  國產三葉型羅茨鼓風機的價格是多級離心鼓風機的1/2不到;是國產單級高速離心鼓風機的1/5不到;是進口單級高速離心鼓風機的1/12不到,因而在價格上國產羅茨鼓風機有絕對的優勢。

  從以上分析對比可看出,在污水處理中如不是特別要求,選用國產羅茨鼓風機較選用多級離心鼓風機更合理,其噪聲及能耗都較低而價格僅后者1/2不到,且不用擔心風機會產生喘振現象。而單級高速離心風機確實能耗及噪聲較低,但即使選用國產單級高速離心風機其價格仍是國產羅茨風機的5倍以上。若選用進口風機,其價格則為國產三葉羅茨鼓風機的12倍左右。由于昂貴的價格,因而妨礙了它在污水處理曝氣系統中的推廣應用。因此在污水處理系統中選用風機時要權衡綜合考慮。

  二、在污水處理系統中通常使用的曝氣風機的類型和工作原理

  上文已經介紹了羅茨風機和單級高速離心風機(單級高速離心齒輪增速式鼓風機),而單級高速離心齒輪增速式鼓風機結構,工作原理與離心式壓縮機一樣,只是有一個葉輪,輸出壓力1.9bar上下,最大只能做到2.7bar,這里不再作介紹。下面主要介紹近幾年在污水處理系統快速發展起來的空氣懸浮鼓風機和空氣磁懸浮鼓風機。

  (一)空氣懸浮鼓風機

  空氣懸浮鼓風機是空氣在鼓風機轉子高速旋轉下,會在轉子與箔片軸承表面之間產生動壓效應,形成一個高壓氣膜而將轉子托浮起來的一種鼓風機。

  1.空氣懸浮鼓風機的結構和工作原理

  空氣懸浮鼓風機主要包括葉輪、空氣懸浮軸承變頻器、高速永磁電機及其結構控制系統。電機主軸與風機葉輪同軸,高速轉子系統由空氣懸浮軸承直接支撐。其主要核心技術是空氣懸浮軸承技術、高速永磁同步電動機及其控制技術。空氣懸架軸承以空氣為工作介質,以彈性平坦箔片為支撐面,以彈性波浪箔片為支撐構件。

  葉輪轉子與軸承接觸,但當轉子進入高速旋轉狀態時,由于空氣的粘性和楔塊的作用,平面間會產生動壓效應。在箔片和轉子表面,使扁平箔和波紋箔發生彈性變形,將扁平箔推開,然后使轉子處于懸浮狀態。 不均勻的圓周氣壓使箔片軸承具有承受載荷的能力。或者更簡單地說,在轉子高速旋轉期間,在轉子和箔片之間形成高壓氣膜,從而提升轉子。

  由上可知,盡管在空氣懸浮鼓風機正常運行之后,葉輪轉子沒有摩擦,但這并不意味著設備在整個過程中完全沒有摩擦。在箔軸承的啟動和停止階段,當速度低于臨界速度時,動壓效應不足以固定轉子。此時,軸承的內表面和轉子之間仍將存在接觸摩擦。這段時間很短,但是仍然有平的箔紙。薄膜的磨損問題會縮短使用壽命,因此,在使用空氣懸架鼓風機時,必須盡量減少頻繁的啟停操作。同時,為了提高動壓軸承的使用壽命,還必須在軸承表面涂上高質量的潤滑涂層。

  2、空氣懸浮離心風機技術特點

  1)節能高效

  采用懸浮軸承,無接觸損失和機械損失,實現了高轉速無極變轉速調節,使得風機運行效率可高達95%左右。

  2)噪音低,體積小,安裝方便

  所有部件(高速電動機、變頻器、懸浮式軸承)集成安裝在普通底座上,無需特殊固定基礎,設備體積小、重量輕、安裝操作方便,運行時低噪聲和無振動,噪聲等級<80dB。

  3)系統集成性高

  鼓風機本身已集成了就地控制和變頻系統于一體,不需要單獨設立變頻柜及操作柜。通過風機自身的控制面板就可以實現各種功能的設定和對流體溫度、電機轉數、出風壓力、風量、消耗功率等進行參數的查詢,高效過濾器、冷卻系統、全自動防喘震系統、停電和故障保護系統等都集中安裝于風機機柜內部,為操作工人帶來方便及減少操作事故的發生。

  4)使用簡單、維護簡便、費用低,壽命長

  鼓風機電機與葉輪直聯,無齒輪增速裝置,無任何機械接觸,無需潤滑油系統,沒有磨損及能量損耗,維護費用低,動力傳遞效率達到95%以上。葉輪選用高強度航空鋁材、Ti 材質,具有優秀的耐磨、抗變形能力,使用壽命達30年以上。采用變頻器調速調節風量,比節流閥節能,且風量調節范圍廣泛,一般為50%~100%。

  5)冷卻效率高

  冷卻系統采用風冷和水冷結合的方式,能夠有效保護電機,可實現風機的隨時啟停。

  6)遠程控制

  采用了PLC+GPRS。不但可由中心控制室控制,若風機出現故障,還可以實施遠程維修調試。

  3、空氣懸浮風機的優缺點

  1)優點:

  首先,空氣懸浮鼓風機采用高速永磁電機空氣懸浮軸承,鼓風機運行轉速可達40000轉以上,故機械效率高,相比較傳統風機節能率可以達35%-45%。

  其次,空氣懸浮鼓風機采用三元流葉輪,渦殼采用航空鋁合金材料,采用空氣軸承直聯,無機械摩擦,噪音只有75分貝至80分貝(1米處)不需要設隔音罩。

  空氣懸浮鼓風機結構簡單,體積小,節省空間,便于移動和安裝,可采用遠程操作、監測,無需到風機現場,便可以自行監測馬達轉速、風壓、風量、電力、溫度、過濾器灰塵等等。

  2)缺點:

  首先,空氣懸浮鼓風機價格貴、維護維修成本高。

  其次是由于它的結構所造成,傳統羅茨風機可以實現負軸真空使用,而空氣懸浮風機則不能;傳統羅茨風機可以頻繁啟停,而空氣懸浮風機也不能,因為頻繁啟停會對空氣軸承有摩擦,所以不可以頻繁啟停。

  (二)磁懸浮離心式鼓風機

  磁懸浮離心式鼓風機是一種輸送氣體的機械設備,磁懸浮技術把磁懸浮軸承以及大功率高速永磁電機技術集成為高速電機,外加專用高速永磁電機變頻器形成高速驅動器,驅動高速離心葉輪,使高速離心葉輪工作在最省電的工作區域,開發出高效的磁懸浮離心式鼓風機。其采用磁懸浮軸承、三元流葉輪、高速永磁同步電機、高效變頻器調速、智能化監測控制等核心技術,啟動時先懸浮后旋轉,無摩擦,無需潤滑,三元流葉輪與轉子直聯,傳動零損失,是一種高科技綠色節能環保產品。

  磁懸浮離心式鼓風機采用無接觸、無機械摩擦的磁懸浮軸承和高速大功率永磁同步電機,直接驅動高效流體葉輪,克服了傳統鼓風機和氣懸浮鼓風機的缺點,具有效率高、噪音低、故障少、不需潤滑系統等優點,即使磁懸浮軸承發生了故障,依靠系統中的保護軸承,仍然可以使高速旋轉的轉子安全停機,不會導致設備的嚴重損壞。

  1、磁懸浮離心式鼓風機工作原理和結構

  磁懸浮離心式鼓風機是將磁懸浮軸承技術和高速電機技術融入于傳統風機而形成的一種高效、環保、節能的新型鼓風機。通過內磁懸浮軸承來控制器磁軸承,通過電流產生磁場,同時由磁場產生吸力,進而實現轉軸的懸浮。高速電機通過變頻電源產生頻率可控的交變電流輸入電機定子產生的交變磁場,帶動轉軸進行高速旋轉,即是同步永磁電機。隨著轉軸一同作高速旋轉的鼓風機葉輪帶動空氣從渦殼的進氣口進入,空氣在渦殼的導向與增壓作用下成為具有一定流速與壓力的氣體,最終從渦殼的出氣口鼓出。

  磁懸浮離心式鼓風機主要部件包括高效離心葉輪、磁懸浮軸承、永磁同步電機和專用變頻器四部分。該類風機采用一體化設計,其高速電機、變頻器、磁懸浮軸承和微處理控制盤等均采用一體設計和集成,其核心是磁懸浮軸承和永磁電機技術。

  1)高速離心葉輪

  葉輪采用三元流動理論設計及參數優化,使葉輪效率最大化,工作區域廣;其材質采用高強度鍛鋁或鈦合金,抗變形能力強;經過數控加工中心精密加工而成,防腐性能更好。經過國家流體實驗室專家測得葉輪工作點最高效率可達85%。

  2)高速永磁同步電機

  在電機的主軸上安裝永磁鐵,保證主軸磁性。電機的定子硅鋼片纏繞的線圈,產生震蕩磁力,在運轉過程中轉速和震蕩磁場保持一致,實現同步。永磁電動機采用磁懸浮軸承,具有無機械摩擦、低噪音、低振動以及壽命長的特點,最高轉速可達50000r/min。

  3)磁懸浮軸承

  通過可控的電磁吸力使轉軸穩定地懸浮,在旋轉過程中轉軸不受任何機械阻力,因此效率高、無磨損、無需維護、無需潤滑油,排出的空氣也絕不含油。

  4)電機智能控制系統

  磁懸浮鼓風機一般采用無矢量變頻控制,用調節頻率的方法來控制永磁電機的旋轉,進而控制鼓風機的流量,滿足各種工況使用。智能控制系統可以預測喘振和實現就地控制,且設備安裝了GPRS系統可以實現遠程監控和數據傳輸。

  2、磁懸浮離心式鼓風機性能特點

  磁懸浮離心式鼓風機采用無接觸、無機械摩擦的磁懸浮軸承和高速大功率永磁同步電機,直接驅動高效流體葉輪,克服了傳統鼓風機和氣懸浮鼓風機的缺點,具有效率高、噪音低、故障少、不需潤滑系統等優點,即使磁懸浮軸承發生了故障,依靠系統中的保護軸承,仍然可以使高速旋轉的轉子安全停機,不會導致設備的嚴重損壞。

  1)節能高效,磁懸浮離心式鼓風機采用的磁懸浮軸承,無機械損失和接觸損失,滿足了高轉速無極變轉速調節。

  2)冷卻效率高,冷卻系統使用水冷機風冷結合的兩種方式,可以有效保護電機,滿足風機隨時啟停的要求。

  3)噪音小,安裝便捷,因為采用整體箱式結構,風機噪音低于80分貝,機體震動的范圍極小,安裝基礎要求低,安裝便捷。

  目前磁懸浮離心式鼓風機工作轉速可達40000r/min,最高轉速可做到20萬r/min以上,并在工作范圍內能夠穩定可靠運轉。其振動和噪聲水平均低于采用機械軸承的其它型號離心式鼓風機。

  但是,磁懸浮為了正確監測極柱(磁鐵的極)需要非常復雜的控制系統和傳感器,為了軸承性能失效的情況需要補助措施,像補助電池和使用潤滑油的補助軸承等,軸承系統故障時,維護費用高。


來源:本站原創

標簽: 曝氣污水處理風機  

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