摘要： 為了進一步降低污水處理設(shè)施的能耗，分析了單級高速離心鼓風機變頻及導葉方式調(diào)節(jié)風量的原理和特性。根據(jù)污水處理工藝對風機風壓與風量的要求，提出鼓風機應采用進口導葉方式調(diào)節(jié)風量的觀點。
關(guān)鍵詞： 鼓風機,曝氣,變頻調(diào)控
在城市污水處理工藝中，活性污泥法具有投資少、處理效率高、運行經(jīng)驗成熟等特點而被廣泛使用。其曝氣系統(tǒng)通常采用鼓風曝氣。實際運行中，污水的水質(zhì)、水量及環(huán)境等因素總處在變化之中，曝氣系統(tǒng)應能根據(jù)曝氣池溶解氧含量的變化及時調(diào)節(jié)供氣量，以保證處理效果，并不致浪費能源。因此，在項目設(shè)計階段，業(yè)主和設(shè)計單位均高度重視鼓風機的選型及調(diào)控方式的選擇。
太原市河西北中部污水處理廠工程的初步設(shè)計，鼓風設(shè)備采用了單級高速離心風機，變頻控制調(diào)節(jié)風量的方案。為了滿足污水處理工藝的要求，zui大限度節(jié)能、降低建設(shè)投資，經(jīng)考察，并多次組織專家進行技術(shù)經(jīng)濟分析和論證，認為針對本工程污水處理鼓風曝氣工藝特點，采用進口導葉是鼓風機合理的調(diào)控方式。
1 工程概況及鼓風機調(diào)控方案
1.1 工程概況
太原市河西北中部污水處理廠位于太原市汾河西岸，九院沙河入汾河口南岸，是國家投資的“雙千億”工程之一。設(shè)計規(guī)模為處理污水量150000m3/d，采用A-B法生物處理工藝。工程分二期建設(shè)，一期工程按80000m3/d實施，二期達到設(shè)計處理能力，目前正在實施中。
1.2 鼓風機調(diào)控方案
在初步設(shè)計中，鼓風曝氣裝置，設(shè)計選用單級高速離心鼓風機?？紤]到污水處理量的不均衡性，為了節(jié)約能源，保證風機出口壓力不變及各工藝構(gòu)筑物需氣量的要求，設(shè)計采用變頻調(diào)節(jié)的方式來控制鼓風機風量的變化。
主要設(shè)計參數(shù)如下：
出口相對風壓：49 kPa
風量：150 m3/min·臺（一期4臺）
進氣溫度：25℃
進氣壓力：98 kPa
排氣壓力：147 kPa
變頻器接受調(diào)節(jié)信號為4～20 MaDC
鼓風曝氣示意見圖1。 2 離心風機調(diào)控方式的分析、選擇
離心風機是目前應用zui廣泛的風機，是風機節(jié)能的主要對象。從調(diào)查中了解到，目前風機運行中存在的主要問題是能源浪費嚴重。根據(jù)國家有關(guān)部門統(tǒng)計，風機與泵的用電量占全國用電總量的40％左右[1]。造成風機能耗大的主要原因是由于運行中的風機大量采用檔板、閥門等調(diào)節(jié)方式。這種方式雖簡便易行，但在調(diào)節(jié)過程中將產(chǎn)生大量的能量損耗。因此，在污水處理工程中需經(jīng)常調(diào)節(jié)風量的鼓風機，應選擇合適的調(diào)節(jié)方式，以降低能耗。
2.1 離心風機的工作原理及特性
單級高速離心風機的工作原理是：原動機通過軸驅(qū)動葉輪高速旋轉(zhuǎn)，氣流由進口軸向進入高速旋轉(zhuǎn)的葉輪后變成徑向流動被加速，然后進入擴壓腔，改變流動方向而減速，這種減速作用將高速旋轉(zhuǎn)的氣流中具有的動能轉(zhuǎn)化為壓能（勢能），使風機出口保持穩(wěn)定壓力。
從理論上講，離心鼓風機的壓力-流量特性曲線是一條直線，但由于風機內(nèi)部存在摩擦阻力等損失，實際的壓力與流量特性曲線隨流量的增大而平緩下降，對應的離心風機的功率-流量曲線隨流量的增大而上升。當風機以恒速運行時，風機的工況點將沿壓力-流量特性曲線移動。風機運行時的工況點，不僅取決于本身的性能，而且取決于系統(tǒng)的特性，當管網(wǎng)阻力增大時，管路性能曲線將變陡。
風機調(diào)節(jié)的基本原理就是通過改變風機本身的性能曲線或外部管網(wǎng)特性曲線，以得到所需工況。
2.2 變頻調(diào)控原理與特性
隨著科技的不斷發(fā)展，交流電機調(diào)速技術(shù)被廣泛采用。通過新一代全控型電子元件，用變頻器改變交流電機的轉(zhuǎn)速方式來進行風機流量的控制，可以大幅度減少以往機械方式調(diào)控流量造成的能量損耗。 變頻調(diào)節(jié)的節(jié)能原理：
圖2中曲線1和2表示調(diào)速時的壓力-流量曲線，曲線3和4表示節(jié)流調(diào)節(jié)時管路阻力特性曲線，曲線5表示恒速時功率-流量曲線，設(shè)A點為風機zui大工況點。當風量需從Q1減少到Q2時，如果采用節(jié)流調(diào)節(jié)法，工況點由A到B，風壓增加到H2，由圖中可看出軸功率P2下降，但減少的不太多。如果采用變頻調(diào)節(jié)方式，風機工況點由A到C，可見在滿足同樣風量Q2
情況下，風壓H3將大幅度下降，功率P3隨著顯著減少。節(jié)省的功率損耗△P＝△HQ2與圖中面積BH2H3C成正比。
由以上分析可知，變頻調(diào)節(jié)是一種的調(diào)節(jié)方式。鼓風機采用變頻調(diào)節(jié)，不會產(chǎn)生附加壓力損失，節(jié)能*，調(diào)節(jié)風量范圍0％～100％，適合調(diào)節(jié)范圍寬，且經(jīng)常處于低負荷下運行的場合。但是，當風機轉(zhuǎn)速下降，風量減小時，風壓將發(fā)生很大變化，由風機比例定律：
Q1/Q2＝（n1/n2）， H1/H2＝（n1/n2）2， P1/P2＝（n1/n2）3
可知，當其轉(zhuǎn)速降低到原額定轉(zhuǎn)速的一半時，對應工況點的流量、壓力、軸功率各下降到原來的1/2、1/4、1/8，這就是變頻調(diào)節(jié)方式可以大幅度節(jié)電的原因。
根據(jù)變頻調(diào)節(jié)這一特性，對于在污水處理工藝中，曝氣池始終保持5m正常液位（見圖1），要求鼓風機在出口壓力恒定的條件下，進行大范圍的流量調(diào)節(jié)，當調(diào)節(jié)深度較大時，將會使風壓下降過大，不能滿足工藝要求。當調(diào)節(jié)深度較小時，則顯示不出其節(jié)能的優(yōu)勢，反而使裝置復雜，一次性投資增高（本工程中鼓風機采用變頻調(diào)節(jié)比導葉調(diào)節(jié)增加一次性投資20萬元）。因此，對本工程的曝氣池需保持5m液位的工況條件下，采用變頻調(diào)節(jié)方式顯然是不合適的。
2.3 進口導葉調(diào)節(jié)原理及特性：
進口導葉調(diào)節(jié)裝置即在鼓風機吸風入口附近裝設(shè)一組可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)角的導葉-進口導葉，其作用是使氣流在進入葉輪之前發(fā)生旋轉(zhuǎn)，造成扭曲速度。導葉可繞自身軸轉(zhuǎn)動，葉片每轉(zhuǎn)動一個角度就意味著變換一個導葉安裝角，使進入風機葉輪的氣流方向相應改變。
進口導葉調(diào)節(jié)風量原理是：當導葉安裝角θ＝0°時，導葉對進口氣流基本上無作用，氣流將以徑向流入葉輪葉片。當θ＞０°時，進口導葉將使氣流進口的速度沿圓周速度方向偏轉(zhuǎn)θ角，同時對氣流進口的速度有一定的節(jié)流作用，這種預旋和節(jié)流作用將導致風機性能曲線下降，從而使運行工況點變化，實現(xiàn)風機流量調(diào)節(jié)。進口導葉調(diào)節(jié)的節(jié)能原理通過圖3[1]說明。 圖3中曲線1為節(jié)流調(diào)節(jié)時功率-流量曲線，曲線2為進口導葉調(diào)節(jié)時的功率-流量曲線。當進口導葉安裝角由θ1＝0°增大為θ2或θ3時，運行工況點由M1移至M2或M3；流量由Q1減小至Q2或Q3；軸功率由P′1減少至P′2或P′3。圖中用剖面線表示的面積為進口導葉比節(jié)流調(diào)節(jié)節(jié)省的功率。
在本工程中，曝氣池深度是固定的，鼓風機在保持出口壓力恒定條件下，進行流量調(diào)節(jié)，即Ｈ＝常量，Ｑ＝變量時，管網(wǎng)的特性曲線近似于水平直線，鼓風機采用進口導葉調(diào)節(jié)，不必借助于改變管網(wǎng)特性曲線，可通過改變導葉的開閉角度，使風機的壓力-流量性能曲線改變，流量的變化是通過將工況點移動到新的改變了的風機特性曲線上的方法實現(xiàn)的（見圖4）。 離心風機采用進口導葉調(diào)節(jié)方式，在部分負荷運行時可獲得率和較寬的性能范圍，在保持出口壓力恒定條件下，工作流量可在50％～100％額定流量范圍內(nèi)變化[2]。調(diào)節(jié)深度愈大、省功愈多。如流量減少到額定流量的60％時，進口導葉方式比進口節(jié)流方式節(jié)省功率達17％之多[3]。此外，其結(jié)構(gòu)相對簡單，運行可靠，維護管理方便，初期投資低。因此，本工程中鼓風機采用進口導葉調(diào)節(jié)流量，顯然是*調(diào)節(jié)方式。
2.4 不同調(diào)控方式的比較 圖5給出了不同調(diào)控方式時風量和軸功率的關(guān)系。盡管變頻調(diào)節(jié)的離心鼓風機調(diào)節(jié)范圍很廣，在節(jié)能上有顯著效果，但用在本工程的工藝系統(tǒng)中將受到工藝條件限制，調(diào)節(jié)范圍僅為80％～100％，而且通過圖5[3]可看出，在相對流量變化不大時，變頻與導葉兩種調(diào)節(jié)方式消耗功率差別并不大，因此采用變頻調(diào)節(jié)方式，其節(jié)能特長顯示不出來，這就失去了選擇它的意義。而選擇導葉調(diào)節(jié)方式的鼓風機，在保持出口壓力恒定條件下可以較大范圍調(diào)節(jié)風量（５０％～１００％），以保證污水中溶解氧含量穩(wěn)定，相對地節(jié)省了能源。所以應選擇導葉調(diào)節(jié)方式的高速離心風機，作為本工程的設(shè)備選型。同時，為了更好地體現(xiàn)出節(jié)能效果，對于大功率的離心風機，還應注意配套電機的選擇，如采用10kV高壓電機，也有助于降低能耗。
3 結(jié)語
通過對變頻與導葉調(diào)節(jié)方式的原理與特點的分析，明確了在采用鼓風曝氣的污水處理工藝中，鼓風機調(diào)控方式的選擇，不能只考慮節(jié)能，而必須在滿足曝氣工藝對風量、風壓要求前提下，從流量變化范圍、風機功率大小、調(diào)節(jié)裝置的技術(shù)復雜程度、可靠性及投資等方面綜合考慮，進行技術(shù)經(jīng)濟分析，作出合理的選擇。
