污水處理工藝中鼓風(fēng)機(jī)調(diào)控方式的選擇
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(yùn)行經(jīng)驗(yàn)成熟等特點(diǎn)而被廣泛使用。其曝氣系統(tǒng)通常采用鼓風(fēng)曝氣。實(shí)際運(yùn)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(yīng)能根據(jù)曝氣池溶解氧含量的變化及時(shí)調(diào)節(jié)供氣量，以保證處理效果，并不致浪費(fèi)能源。因此，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，業(yè)主和設(shè)計(jì)單位均高度重視鼓風(fēng)機(jī)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(jì)，鼓風(fēng)設(shè)備采用了單級(jí)高速離心風(fēng)機(jī)，變頻控制調(diào)節(jié)風(fēng)量的方案。為了滿足污水處理工藝的要求，最大限度節(jié)能、降低建設(shè)投資，經(jīng)考察，并多次組織專家進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和論證，認(rèn)為針對(duì)本工程污水處理鼓風(fēng)曝氣工藝特點(diǎn)，采用進(jìn)口導(dǎo)葉是鼓風(fēng)機(jī)合理的調(diào)控方式。
1 工程概況及鼓風(fēng)機(jī)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(jì)規(guī)模為處理污水量150000 m3/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80000 m3/d實(shí)施，二期達(dá)到設(shè)計(jì)處理能力，目前正在實(shí)施中。
1.2 鼓風(fēng)機(jī)調(diào)控方案
在初步設(shè)計(jì)中，鼓風(fēng)曝氣裝置，設(shè)計(jì)選用單級(jí)高速離心鼓風(fēng)機(jī)。考慮到污水處理量的不均衡性，為了節(jié)約能源，保證風(fēng)機(jī)出口壓力不變及各工藝構(gòu)筑物需氣量的要求，設(shè)計(jì)采用變頻調(diào)節(jié)的方式來控制鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量的變化。
主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：
出口相對(duì)風(fēng)壓：49 kPa
風(fēng)量：150 m3/min·臺(tái)(一期4臺(tái))
進(jìn)氣溫度：25℃
進(jìn)氣壓力：98 kPa
排氣壓力：147 kPa
鼓風(fēng)曝氣示意見圖1。
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2 離心風(fēng)機(jī)調(diào)控方式的分析、選擇
離心風(fēng)機(jī)是目前應(yīng)用最廣泛的風(fēng)機(jī)，是風(fēng)機(jī)節(jié)能的主要對(duì)象。從調(diào)查中了解到，目前風(fēng)機(jī)運(yùn)行中存在的主要問題是能源浪費(fèi)嚴(yán)重。根據(jù)國家有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，風(fēng)機(jī)與泵的用電量占全國用電總量的40%左右[1]。造成風(fēng)機(jī)能耗大的主要原因是由于運(yùn)行中的風(fēng)機(jī)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(fēng)量的鼓風(fēng)機(jī)，應(yīng)選擇合適的調(diào)節(jié)方式，以降低能耗。
2.1 離心風(fēng)機(jī)的工作原理及特性
單級(jí)高速離心風(fēng)機(jī)的工作原理是：原動(dòng)機(jī)通過軸驅(qū)動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，氣流由進(jìn)口軸向進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的葉輪后變成徑向流動(dòng)被加速，然后進(jìn)入擴(kuò)壓腔，改變流動(dòng)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(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能(勢能)，使風(fēng)機(jī)出口保持穩(wěn)定壓力。
從理論上講，離心鼓風(fēng)機(jī)的壓力-流量特性曲線是一條直線，但由于風(fēng)機(jī)內(nèi)部存在摩擦阻力等損失，實(shí)際的壓力與流量特性曲線隨流量的增大而平緩下降，對(duì)應(yīng)的離心風(fēng)機(jī)的功率-流量曲線隨流量的增大而上升。當(dāng)風(fēng)機(jī)以恒速運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)將沿壓力-流量特性曲線移動(dòng)。風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的工況點(diǎn)，不僅取決于本身的性能，而且取決于系統(tǒng)的特性，當(dāng)管網(wǎng)阻力增大時(shí)，管路性能曲線將變陡。
風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)的基本原理就是通過改變風(fēng)機(jī)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(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速方式來進(jìn)行風(fēng)機(jī)流量的控制，可以大幅度減少以往機(jī)械方式調(diào)控流量造成的能量損耗。
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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(shí)的壓力-流量曲線，曲線3和4表示節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)管路阻力特性曲線，曲線5表示恒速時(shí)功率-流量曲線，設(shè)A點(diǎn)為風(fēng)機(jī)最大工況點(diǎn)。當(dāng)風(fēng)量需從Q1減少到Q2時(shí)，如果采用節(jié)流調(diào)節(jié)法，工況點(diǎn)由A到B，風(fēng)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(fēng)機(jī)工況點(diǎn)由A到C，可見在滿足同樣風(fēng)量Q2 情況下，風(fēng)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與圖面積BH2H3C成正比。
由以上分析可知，變頻調(diào)節(jié)是一種高效的調(diào)節(jié)方式。鼓風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)節(jié)，不會(huì)產(chǎn)生附加壓力損失，節(jié)能效果顯著，調(diào)節(jié)風(fēng)量范圍0%～100%，適合調(diào)節(jié)范圍寬，且經(jīng)常處于低負(fù)荷下運(yùn)行的場合。但是，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，風(fēng)量減小時(shí)，風(fēng)壓將發(fā)生很大變化，由風(fēng)機(jī)比例定律：
Q1/Q2=(n1/n2)， H1/H2=(n1/n2)2， P1/P2=(n1/n2)3
可知，當(dāng)其轉(zhuǎn)速降低到原額定轉(zhuǎn)速的一半時(shí)，對(duì)應(yīng)工況點(diǎn)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(duì)于在污水處理工藝中，曝氣池始終保持5 m正常液位(見圖1)，要求鼓風(fēng)機(jī)在出口壓力恒定的條件下，進(jìn)行大范圍的流量調(diào)節(jié)，當(dāng)調(diào)節(jié)深度較大時(shí)，將會(huì)使風(fēng)壓下降過大，不能滿足工藝要求。當(dāng)調(diào)節(jié)深度較小時(shí)，則顯示不出其節(jié)能的優(yōu)勢，反而使裝置復(fù)雜，一次性投資增高(本工程中鼓風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)節(jié)比導(dǎo)葉調(diào)節(jié)增加一次性投資20萬元)。因此，對(duì)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(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)原理及特性：
進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)裝置即在鼓風(fēng)機(jī)吸風(fēng)入口附近裝設(shè)一組可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)角的導(dǎo)葉-進(jìn)口導(dǎo)葉，其作用是使氣流在進(jìn)入葉輪之前發(fā)生旋轉(zhuǎn)，造成扭曲速度。導(dǎo)葉可繞自身軸轉(zhuǎn)動(dòng)，葉片每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度就意味著變換一個(gè)導(dǎo)葉安裝角，使進(jìn)入風(fēng)機(jī)葉輪的氣流方向相應(yīng)改變。
進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)風(fēng)量原理是：當(dāng)導(dǎo)葉安裝角θ=0°時(shí)，導(dǎo)葉對(duì)進(jìn)口氣流基本上無作用，氣流將以徑向流入葉輪葉片。當(dāng)θ>0°時(shí)，進(jìn)口導(dǎo)葉將使氣流進(jìn)口的絕對(duì)速度沿圓周速度方向偏轉(zhuǎn)θ角，同時(shí)對(duì)氣流進(jìn)口的速度有一定的節(jié)流作用，這種預(yù)旋和節(jié)流作用將導(dǎo)致風(fēng)機(jī)性能曲線下降，從而使運(yùn)行工況點(diǎn)變化，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)流量調(diào)節(jié)。進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)的節(jié)能原理通過圖3[1]說明。
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圖3中曲線1為節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)功率-流量曲線，曲線2為進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)時(shí)的功率-流量曲線。當(dāng)進(jìn)口導(dǎo)葉安裝角由θ1=0°增大為θ2或θ3時(shí)，運(yùn)行工況點(diǎn)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(jìn)口導(dǎo)葉比節(jié)流調(diào)節(jié)節(jié)省的功率。
本工程中，曝氣池深度是固定的，鼓風(fēng)機(jī)在保持出口壓力恒定條件下，進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，即H=常量，Q=變量時(shí)，管網(wǎng)的特性曲線近似于水平直線，鼓風(fēng)機(jī)采用進(jìn)口導(dǎo)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(dǎo)葉的開閉角度，使風(fēng)機(jī)的壓力-流量性能曲線改變，流量的變化是通過將工況點(diǎn)移動(dòng)到新的改變了的風(fēng)機(jī)特性曲線上的方法實(shí)現(xiàn)的(見圖4)。
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離心風(fēng)機(jī)采用進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)方式，在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)可獲得高效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(shí)，進(jìn)口導(dǎo)葉方式比進(jìn)口節(jié)流方式節(jié)省功率達(dá)17%之多[3]。此外，其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，運(yùn)行可靠，維護(hù)管理方便，初期投資低。因此，本工程中鼓風(fēng)機(jī)采用進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)流量，顯然是最佳調(diào)節(jié)方式。
2.4 不同調(diào)控方式的比較
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圖5給出了不同調(diào)控方式時(shí)風(fēng)量和軸功率的關(guān)系。盡管變頻調(diào)節(jié)的離心鼓風(fēng)機(jī)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(duì)流量變化不大時(shí)，變頻與導(dǎo)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(dǎo)葉調(diào)節(jié)方式的鼓風(fēng)機(jī)，在保持出口壓力恒定條件下可以較大范圍調(diào)節(jié)風(fēng)量(50%～100%)，以保證污水中溶解氧含量穩(wěn)定，相對(duì)地節(jié)省了能源。所以應(yīng)選擇導(dǎo)葉調(diào)節(jié)方式的高速離心風(fēng)機(jī)，作為本工程的設(shè)備選型。同時(shí)，為了更好地體現(xiàn)出節(jié)能效果，對(duì)于大功率的離心風(fēng)機(jī)，還應(yīng)注意配套電機(jī)的選擇，如采用10 kV高壓電機(jī)，也有助于降低能耗。
3 結(jié)語
通過對(duì)變頻與導(dǎo)葉調(diào)節(jié)方式的原理與特點(diǎn)的分析，明確了在采用鼓風(fēng)曝氣的污水處理工藝中，鼓風(fēng)機(jī)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(duì)風(fēng)量、風(fēng)壓要求前提下，從流量變化范圍、風(fēng)機(jī)功率大小、調(diào)節(jié)裝置的技術(shù)復(fù)雜程度、可靠性及投資等方面綜合考慮，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，作出合理的選擇。
參考文獻(xiàn)：
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