磁悬浮风机在水厂预处理工艺中的应用与研究

徐 豪， 陈 燚， 顾 琳， 丁悦玥

(无锡市水务集团有限公司， 江苏 无锡 214031)

为深入推进降碳减排，助力实现“碳达峰”“碳中和”目标，N水源厂从自身实际情况出发积极开展节能降耗工作。如图1所示，该水源厂采用预臭氧-生物接触氧化工艺处理后将原水输送到净水厂，其中生物接触氧化池配备了罗茨风机向池内均匀曝气，已经运行十余年。该罗茨风机能耗较高，且设备老化严重，维护成本日益增长。

图1 N水源厂工艺流程

磁悬浮离心风机作为近年兴起的新设备，由磁悬浮轴承、高效离心叶轮、高速永磁同步电机、专用变频器四部分构成，相对传统罗茨风机和离心风机节能降耗效果明显，且安装简单、维护方便[1-2]。目前磁悬浮风机已运用在污水处理、水泥生产、造纸、印染、石油、化工等行业，而其在自来水厂鲜少使用。N水源厂拆除了1台原有罗茨风机，更换为磁悬浮风机并跟踪其使用情况和节能降耗效果，以期为其他水厂更换风机提供数据支撑。

1 罗茨风机和磁悬浮风机

1.1 罗茨风机

N水源厂共有4座生物接触氧化池，池底布置鸭嘴型曝气头，内置直径50 mm、相对密度0.95的聚丙烯悬浮球。该池由罗茨风机经4根总管8根分管24 h连续向池内均匀曝气。罗茨风机型号为BK10027，风量为101 m3/min(50 Hz)。近年来正常使用2台罗茨风机，单台实际风量80 m3/min(40 Hz)，2台总功率约为210 kW。一年耗费电量约184×104kW·h，且风机房用电量逐年增加约2%，2017—2021年风机房千吨水平均电耗约为11.38 kW·h。

单台罗茨风机工作时所产生的噪声约为85～90 dB，两台同时工作所产生噪声约为100～110 dB。根据《工业企业噪声控制设计规范》(GB/T 50087—2013)，长时间在生产车间工作时，其噪声不得高于85 dB。风机房温度高(在夏季最高时能达到50℃)，长时间在内工作易对工人产生职业病危害。

此外，罗茨风机使用4年后开始出现轴承及主轴磨损问题。截止目前，90%的风机更换了轴承，平均每台风机更换轴承约1.9次。轴承每次返厂维修需多名员工进行拆卸与组装，且罗茨风机每半年就需更换齿轮油与机油，维护费时费力。

1.2 磁悬浮风机

磁悬浮风机启动时通过可控电磁力对内部转动的轴承先悬浮后旋转，磁悬浮轴承与叶轮无摩擦，叶轮与转子直联。空气在高速旋转的叶轮带动下产生动能、压力势能，部分动能在扩压器和蜗壳流道中转化为压力势能，经过排气管输入管网。克服了“传统低速电机+齿轮箱或皮带传动系统”的能耗高、噪音大、振动大、故障多等不足，磁悬浮风机具有无接触磨损、高转速运行等特点[3]。经过综合考察，按照2台罗茨风机运行风量(160 m3/min)，最终选定1台YG200型磁悬浮风机，其性能参数见表1。

表1 YG200型磁悬浮风机性能参数

2 罗茨风机与磁悬浮风机的对比

2.1 性能曲线对比

罗茨风机额定风量为101 m3/min(50 Hz)。为防止低频下的罗茨风机喘振，试验测试区间为35～50 Hz(风量为70～101 m3/min)。如图2所示，罗茨风机风量、功率随频率增大而升高，且风量和功率的差值随频率基本无变化。

磁悬浮风机采用高速永磁同步电机，叶轮高速旋转，最高能达到17 000 r/min。该风机风量可调范围为50%～100%，超过此范围风机将进入喘振区和低压危险区。因此试验测验区间为232～282 Hz(风量为80～170 m3/min)，磁悬浮风机的频率均在200 Hz以上，是罗茨风机的5～7倍。如图2所示，磁悬浮风机的风量、功率随频率增大而升高，且风量和功率的差值也同步加大，说明风量越大，耗电量增幅越小。

图2 风机性能曲线

2.2 能效对比

实际运行中，2台罗茨风机或1台磁悬浮风机的风量供给4个生物池，考虑到罗茨风机和磁悬浮风机的原理不同，采用运行效率这一参数进行比较[4]：

运行效率=流量×压升/功率

(1)

从图3可以看出，磁悬浮风机效率随风量增大而增大，风量为80 m3/min时的效率最低，150～170 m3/min时的效率基本稳定，处于高效区，风量每增加10 m3/min，功率增加9.6 kW。另外，磁悬浮风压变化区间为46.1～47.9 kPa，变化幅度为1.8 kPa，风压稳定使气流能够平稳地输送到生物池。

图3 罗茨风机与磁悬浮风机运行效率对比

罗茨风机效率随风量增大而减小，风量为70 m3/min的效率最高，因为罗茨风机风量每增加10 m3/min，功率增加16.6 kW。说明罗茨风机增大风量比磁悬浮风机更费电。

磁悬浮风机运行效率(75%～81%)高于罗茨风机(55%～61%)。在实际运行的160 m3/min风量时，1台磁悬浮风机的运行效率高于2台罗茨风机约22%，意味着做同样的功磁悬浮更省电。磁悬浮风机高效率运行区域也较为宽广(100～170 m3/min)，能有效降低企业运行成本。

2.3 用电成本

磁悬浮风机投资价格约为罗茨风机的4倍。当风量为100 m3/min时，1台罗茨风机(50 Hz)风量约等于1台磁悬浮风机(243 Hz)风量，其功率分别为140和100 kW，说明磁悬浮风机更省电，能耗降低约28.57%。

实际运行中，开启2台罗茨风机(40 Hz)风量约等于1台磁悬浮风机(282 Hz)风量(160 m3/min)，如表2所示。

表2 磁悬浮风机与罗茨风机运行成本对比

通过电能表测定，2台罗茨风机功率为210 kW，磁悬浮风机功率约为167 kW。更换磁悬浮风机后能耗降低约20.48%。千吨水电耗为8.62 kW·h，一年可省电量约37.67×104kW·h。按照0.6元/(kW·h)电价计算，一年节省电费约22.6万元。通过节约电费，4～5年即可收回投资成本。

2.4 维护成本

由于磁悬浮风机的磁悬浮轴承与叶轮无摩擦、无需润滑，无磨损、轴承无需更换。在日常维护管理过程中，工作人员只需定期更换空气过滤器即可达到良好的维护保养效果。空气过滤器安装在磁悬浮风机的进气室、冷却室、电控室前。进气室过滤标准为F6(粒径大于1 μm，效率50%～80%)，电控室和冷却室进气标准为G4(粒径大于5 μm，效率70%～90%)，每年滤芯费用约为1.1万元，如表3所示。而罗茨风机每年需2次更换齿轮油与机油，现阶段约需每3年更换轴承1次，折合每年费用约为1.2万元，且需对其进行拆卸及装机工作，耗时耗力。磁悬浮风机减少了传统风机设备所必需的油性轴承系统的使用，无需润滑油、无机械保养，维护方便、费用略低。

表3 磁悬浮风机与罗茨风机维护成本对比

2.5 噪声

通过实际测量，单台磁悬浮风机正常运行时所产生的噪声约为75 dB，但在刚开机时，由于气流从放空阀排出，流速较高，噪音能达到95～100 dB，因此开机操作时需注意噪声防护。而同工况下2台罗茨风机所产生噪声将超过100 dB[5]，更换为磁悬浮风机后工作环境明显优化。

2.6 生物接触氧化池进出水水质

更换为磁悬浮风机后，同时期的生物接触氧化池进出水的COD、氨氮、溶解氧的变化幅度在2%以内，说明风机更换对进出水氨氮、COD、溶解氧等指标的影响不大。

3 安装调试建议

磁悬浮风机的质量和体积较小，在安装作业期间不需要任何大型起吊设备，仅需行车即可完成。新机到厂安装时，机柜内部可能会有残存的灰尘碎屑、包装垃圾，存在一定的安全隐患，需要及时清理。开机检查时应对所有管路与电子元件进行检测，如温控传感器、压力传感器、冷却系统等，以免出现设备运行故障。磁悬浮风机的放空管宜延伸至风机房外，以减少开机噪音影响。建议日后在雷雨等强对流天气时加强设备巡检，定期安排工程师对设备进行维护，加强厂区人员对磁悬浮风机的使用及突发情况培训。

4 结 论

N水源厂将原有罗茨风机更换为磁悬浮风机，磁悬浮风机运行效率(75%～81%)高于罗茨风机(55%～61%)，且高效率运行区域(100～170 m3/min)较为宽广。更换磁悬浮风机后前期投资高，但实际运行中能耗降低约20.48%，一年可省电量约37.67×104kW·h，通过节约电费4～5年即可收回投资成本。日常维护无需润滑油、无机械保养，维护方便。噪声(75 dB)污染减弱，工作环境得到改善。在国家节能降碳的方针政策指导下，高效节能的磁悬浮风机将成为自来水厂及污水处理厂的设备选择趋势。