污水处理工艺中鼓风机风量变频调节与导叶调控方式的比较

2014-12-23杨阳马帅

科技视界 2014年31期

杨阳马帅

（南阳市污水净化中心，河南南阳 473000）

在城市污水处理工艺中，活性污泥法具有投资少、处理效率高、运行经验成熟等特点而被广泛使用。其曝气系统通常采用鼓风曝气。实际运行中，污水的水质、水量及环境等因素总处在变化之中，曝气系统应能根据曝气池溶解氧含量的变化及时调节供气量，以保证处理效果，并不致浪费能源。因此，在项目设计阶段，业主和设计单位均高度重视鼓风机的选型及调控方式的选择。

河南省南阳市污水处理厂工程的初步设计，鼓风设备采用了单级高速离心风机，一期采用变频控制调节风量的方案。为了满足污水处理工艺的要求，最大限度节能、降低建设投资，经考察，并多次组织专家进行技术经济分析和论证，认为针对本工程污水处理鼓风曝气工艺特点，二期采用进口导叶是鼓风机合理的调控方式。

1 离心鼓风机的原理及调控方案

1.1 离心风机的工作原理及特性

单级高速离心风机的工作原理是：原动机通过轴驱动叶轮高速旋转，气流由进口轴向进入高速旋转的叶轮后变成径向流动被加速，然后进入扩压腔，改变流动方向而减速，这种减速作用将高速旋转的气流中具有的动能转化为压能(势能)，使风机出口保持稳定压力。

从理论上讲，离心鼓风机的压力-流量特性曲线是一条直线，但由于风机内部存在摩擦阻力等损失，实际的压力与流量特性曲线随流量的增大而平缓下降，对应的离心风机的功率-流量曲线随流量的增大而上升。当风机以恒速运行时，风机的工况点将沿压力-流量特性曲线移动。风机运行时的工况点，不仅取决于本身的性能，而且取决于系统的特性，当管网阻力增大时，管路性能曲线将变陡。

风机调节的基本原理就是通过改变风机本身的性能曲线或外部管网特性曲线，以得到所需工况。

1.2 鼓风机调控方案

在初步设计中，鼓风曝气装置，设计选用变频磁悬浮鼓风机和西门子单级高速离心鼓风机。考虑到污水处理量的不均衡性，为了节约能源，保证风机出口压力不变及各工艺构筑物需气量的要求，设计一期采用变频调节的方式和二期采用可编程逻辑控制器来调控鼓风机风量的变化。

图1 鼓风曝气示意

2 离心风机调控方式的分析、选择

离心风机是目前应用最广泛的风机，是风机节能的主要对象。从调查中了解到，目前风机运行中存在的主要问题是能源浪费严重。根据国家有关部门统计，风机与泵的用电量占全国用电总量的40%左右[1]。造成风机能耗大的主要原因是由于运行中的风机大量采用档板、阀门等调节方式。这种方式虽简便易行，但在调节过程中将产生大量的能量损耗。因此，在污水处理工程中需经常调节风量的鼓风机，应选择合适的调节方式，以降低能耗。

2.1 变频调控原理与特性

随着科技的不断发展，交流电机调速技术被广泛采用。通过新一代全控型电子元件，用变频器改变交流电机的转速方式来进行风机流量的控制，可以大幅度减少以往机械方式调控流量造成的能量损耗。

图2 变频调节时风机的性能曲线

变频调节的节能原理：

图2 中曲线1 和2 表示调速时的压力-流量曲线，曲线3 和4 表示节流调节时管路阻力特性曲线，曲线5 表示恒速时功率-流量曲线，设A 点为风机最大工况点。当风量需从Q1减少到Q2时，如果采用节流调节法，工况点由A 到B，风压增加到H2，由图中可看出轴功率P2下降，但减少的不太多。如果采用变频调节方式，风机工况点由A 到C，可见在满足同样风量Q2情况下，风压H3将大幅度下降，功率P3随着显著减少。节省的功率损耗△P＝△HQ2与图中面积BH2H3C 成正比。

由以上分析可知，变频调节是一种高效的调节方式。鼓风机采用变频调节，不会产生附加压力损失，节能效果显著，调节风量范围0%-100%，适合调节范围宽，且经常处于低负荷下运行的场合。但是，当风机转速下降，风量减小时，风压将发生很大变化，由风机比例定律：

Q1/Q2＝（n1/n2），H1/H2＝（n1/n2）2，P1/P2＝（n1/n2）3

可知，当其转速降低到原额定转速的一半时，对应工况点的流量、压力、轴功率各下降到原来的1/2、1/4、1/8，这就是变频调节方式可以大幅度节电的原因。

根据变频调节这一特性，对于在污水处理工艺中，曝气池始终保持5m 正常液位（见图1），要求鼓风机在出口压力恒定的条件下，进行大范围的流量调节，当调节深度较大时，将会使风压下降过大，不能满足工艺要求。当调节深度较小时，则显示不出其节能的优势，反而使装置复杂，一次性投资增高（本工程中鼓风机采用变频调节比导叶调节增加一次性投资20 万元）。因此，对本工程的曝气池需保持5m 液位的工况条件下，采用变频调节方式显然是不合适的。

2.2 进口导叶调节原理及特性

进口导叶调节装置即在鼓风机吸风入口附近装设一组可调节转角的导叶-进口导叶，其作用是使气流在进入叶轮之前发生旋转，造成扭曲速度。导叶可绕自身轴转动，叶片每转动一个角度就意味着变换一个导叶安装角，使进入风机叶轮的气流方向相应改变。

进口导叶调节风量原理是：当导叶安装角θ=0°时，导叶对进口气流基本上无作用，气流将以径向流入叶轮叶片。当θ＞0°时，进口导叶将使气流进口的绝对速度沿圆周速度方向偏转θ 角，同时对气流进口的速度有一定的节流作用，这种预旋和节流作用将导致风机性能曲线下降，从而使运行工况点变化，实现风机流量调节。进口导叶调节的节能原理通过图3 说明。

图3 进口导叶调节时风机的性能曲线

图3 中曲线1 为节流调节时功率-流量曲线，曲线2 为进口导叶调节时的功率-流量曲线。当进口导叶安装角由θ1=0°增大为θ2或θ3时，运行工况点由M1移至M2或M3；流量由Q1减小至Q2或Q3；轴功率由P′1减少至P′2或P′3。图中用剖面线表示的面积为进口导叶比节流调节节省的功率。在本工程中，曝气池深度是固定的，鼓风机在保持出口压力恒定条件下，进行流量调节，即H=常量，Q=变量时，管网的特性曲线近似于水平直线，鼓风机采用进口导叶调节，不必借助于改变管网特性曲线，可通过改变导叶的开闭角度，使风机的压力-流量性能曲线改变，流量的变化是通过将工况点移动到新的改变了的风机特性曲线上的方法实现的（见图4）。

图4 本工程进口导叶调节时风机性能曲线

离心风机采用进口导叶调节方式，在部分负荷运行时可获得高效率和较宽的性能范围，在保持出口压力恒定条件下，工作流量可在50%-100%额定流量范围内变化[2]。调节深度愈大、省功愈多。如流量减少到额定流量的60%时，进口导叶方式比进口节流方式节省功率达17%之多[3]。此外，其结构相对简单，运行可靠，维护管理方便，初期投资低。因此，本工程中鼓风机采用进口导叶调节流量，显然是最佳调节方式。

2.3 不同调控方式的比较

图5 不同调节方式下功率消耗比较

图5 给出了不同调控方式时风量和轴功率的关系。尽管变频调节的离心鼓风机调节范围很广，在节能上有显著效果，但用在本工程的工艺系统中将受到工艺条件限制，调节范围仅为80%-100%，而且通过图5[3]可看出，在相对流量变化不大时，变频与导叶两种调节方式消耗功率差别并不大，因此采用变频调节方式其节能特长显示不出来，这就失去了选择它的意义。而选择导叶调节方式的鼓风机，在保持出口压力恒定条件下可以较大范围调节风量（50%-100%），以保证污水中溶解氧含量稳定，相对地节省了能源。所以应选择导叶调节方式的高速离心风机，作为本工程的设备选型。同时，为了更好地体现出节能效果，对于大功率的离心风机，还应注意配套电机的选择，如采用10kV 高压电机，也有助于降低能耗。