污水处理工艺中鼓风机调控方式的选择

污水处理工艺中鼓风机调控方式的选择

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。

太原市河西北中部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，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，采用进口导叶是鼓风机合理的调控方式。

1 工程概况及鼓风机调控方案

1.1 工程概况

太原市河西北中部污水处理厂位于太原市汾河西岸，九院沙河入汾河口南岸，是国家投资的“双千亿”工程之一。设计规模为处理污水量150000 m3/d，采用A-B法生物处理工艺。工程分二期建设，一期工程按80000 m3/d实施，二期达到设计处理能力，目前正在实施中。

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，设计采用变频调节的方式来控制鼓风机风量的变化。

主要设计参数如下：

出口相对风压：49 kPa

风量：150 m3/min·台（一期4台）

进气温度：25℃

进气压力：98 kPa

排气压力：147 kPa

变频器接受调节信号为4～20 MaDC

鼓风曝气示意见图1。

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 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。

2.2 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。

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5 m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。

2.3 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[1]说明。

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