污水处理厂鼓风机的优化配置对投资及运行成本影响分析

2020-12-11刘云，李昕

工程技术研究 2020年20期

刘云，李昕

（中国市政工程西南设计研究总院有限公司，四川成都 610081）

目前国内对环保的重视程度越来越高，截留的污水量不断加大，出水水质要求越来越高。鼓风机是整个污水处理系统的心脏，也是直接影响投资和运营的关键设备。由于鼓风机运行状况的好坏对整个污水处理系统起着至关重要的作用[1]，因此鼓风机的选择以及配置对污水处理尤为重要。

1 鼓风机的类型及选择

目前常用的鼓风机类型有罗茨鼓风机、单机离心鼓风机、多级离心鼓风机、磁悬浮离心式鼓风机、空气悬浮离心鼓风机等[2]。

罗茨风机属容积式风机是利用两个叶形转子在气缸内做相对运动来压缩和输送气体的回转压缩机；离心式鼓风机是利用旋轮产生的离心力来压缩和输送气体；磁悬浮离心式鼓风机是通过内磁悬浮轴承控制器磁轴承实现转轴的悬浮，而空气悬浮离心鼓风机轴被悬浮于主动式空气轴承上，两种风机均具有高效、节能、低噪声、运行可靠和长期无需维修保养的特点。

几种风机比较如表1所示。

表1 风机类型比较

根据上表可以看出，磁悬浮离心式鼓风机及空气悬浮离心鼓风机适合连续运行，且体积小、噪声低、系统集成度高、安装方便、冷却效率高、节能、使用简单、维护简便、费用低，寿命长等诸多优点而广泛用于污水处理厂生化池曝气。罗茨鼓风机可间接运行，且体积大、噪声高主要用于气量、气压稳定的场所例如给水厂中V型滤池反洗或污水处理厂深度处理中反硝化深床滤池等。磁悬浮离心式鼓风机及空气悬浮离心鼓风机较罗茨鼓风机在污水处理厂中有着较为明显的优势，但两种风机也有着各自的优缺点。

（1）空气悬浮风机由于使用外部动压空气，在转速较低的情况下，主轴存在干摩擦问题，解决此问题对厂家的技术水平提出了较高要求。

（2）磁悬浮风机需要对磁悬浮轴承供电来提供磁力，功耗较空浮大，并且需要一套备用电源及备用轴承，来避免突然断电对风机造成的损坏，一般来说备用轴承都有使用次数的限制[3]。

（3）磁悬浮轴承及控制器相对空悬轴承来说，结构复杂，故障率高。

对于污水处理厂而言，磁悬浮离心式鼓风机及空气悬浮离心鼓风机均有着广泛的应用，目前由于水质波动较大，要求风机风量变化幅度较大，磁悬浮的主轴位移不随风量变化而变化故得到广泛的应用，且污水处理厂几乎均按照二级负荷设计，故不存在断电影响。

2 鼓风机的优化配置及技术经济性分析

以某污水处理厂为例，污水处理规模为5.0万m3/d，对污水进水水质上一年进行概率统计及分析，不同频率及平均值如表2所示。

表2 实测水质概率分析单位：mg/L

从表2可以看出，污水处理厂采用不同频率，污水水质相差较大，频率取低值时，污水处理不彻底，采用高频率时，由于平均值较低，设备型号较大，因此加大了运行成本。国外普遍采用80%～95%作为参考值，该污水处理厂选择以90%作为参考值进行设计。另外，随着对工业企业监管力度的加强，总磷的含量有所好转（参考80%统计数据），最终确定了进水水质如表3所示。

表3 进水参数

根据以上进水参数，对鼓风机风量进行计算，所需风量为140m3/min。根据风量，可以采用以下配置方案。方案一：风机1用1备，共2台，单台参数为流量Q=140m3/min，压力H=72kPa，功率N=250kW。方案二：风机2用1备，共3台，单台参数为流量Q=70m3/min，压力H=72kPa，功率N=132kW。方案三：风机3用1备，共4台，单台参数为流量Q=50m3/min，压力H=72kPa，功率N=90kW。

根据以上配置方案，分析比较如下。

（1）造价：参考实际概算财评及实际采购价，方案一单台风机约200万元/台，风机总设备费约400万元，土建部分建筑面积A（长）×B（宽）=21.6m×9.0m=194.4m2，H高=7.0m，另外配电间建筑面积A（长）×B（宽）=13.8m×7.8m=107.64m2，H高=3.9m，土建按照2500元/m2考虑，则方案一土建费用约为（194.4+107.64）×2500÷10000≈76万，鼓风机房工程费用476万元；方案二单台风机约120万元/台，风机设备费约为360万元，方案二土建部分建筑面积A（长）×B（宽）=27.0m×9.0m=243m2，H高=7.0m，另外配电间建筑面积A（长）×B（宽）=17.4m×7.8m=135.72m2，H高=3.9m，土建按照2500元/m2考虑，则方案二土建费用约为（243+135.72）×2500÷10000≈95万，鼓风机房工程费用455万元；方案三单台风机约80万元/台，风机设备费约320万元；但随着风机增多鼓风机房及配套电气设备所需的土建增加，按增加一跨5.4m×9.0m，土建按照2500元/m2考虑，土建部分建筑面积A（长）×B（宽）=32.4m×9.0m=291.6m2，H高=7.0m，另外配电间建筑面积A（长）×B（宽）=17.4m×7.8m=135.72m2，H高=3.9m，土建按照2500元/m2考虑，则方案三土建费用约为（291.6+135.72）×2500÷10000≈107万，鼓风机房工程费用427万元；不考虑地价，单从土建+设备来说，设备占主要，相对来说采用的风机台数越少，造价越低（不考虑电气设备的影响），但并非台数越多越好。

（2）理论能耗：不考虑备用时，方案一设备总功率为250kW，方案二设备总功率为264kW，方案三设备总功率为270kW。折合运行20h/d，则方案一年耗电量1.825×106kW·h，127.75万元；方案二年耗电量1.9345×106kW·h，135万元；方案三年耗电量1.971×106kW·h，137.79万元。表明理论上台数越多，耗电量越高，电费越高。

（3）实际运行效果：为了保证处理效果，采用了概率统计分析，BOD设计值为150mg/L，而实际平均值BOD只有设计值的一半。根据平均值计算所需风量为70m3/min。采用方案一，则单台风机需变频至50%，实验表明由于鼓风机房正压的存在且变频时特性曲线发生变化，风机的功率和频率并不成三次方关系，此时风机功率约160kW；采用方案二，单台功率为132kW，采用方案三，需开2台，功率约135kW。每天能耗方案二和方案三相差不大，但较方案一省约400元/h，年平均约省15万。对于该工程而言实际情况当一年中某段时间内，BOD浓度更低时，需要的风量更小，这就需要单台变频的风量更大，厂家提供的参数理论上可以变频至30%，但是实际运行情况表明，单台风量变频调整至小于50%时，运行不稳定，而采用方案三变化范围则更加广泛，节能效果也更加明显，故该工程选用了方案三，实际运行效果良好。