净水技术|污水处理系统主要风机技术介绍

小编导读

风机在污水处理系统中具有广泛的应用。来自上海理工大学的刘富爽详细介绍了5种鼓风机的基本原理和技术特点。本文节选自发表在《净水技术》S2上原标题为《污水处理用鼓风机的应用》。

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罗茨风机

罗茨鼓风机属于容积式鼓风机，是回转式鼓风机的一种，利用两个叶形转子或三个叶形转子在气缸内做相对运动来输送气体。由于转子的不断旋转，被抽气体从进气口吸入到转子与泵壳之间的空间内，再经排气口排出，气体经罗茨风机没有内压缩过程。

罗茨鼓风机结构简单运行平稳、可靠，机械效率高，便于维护和保养，对于被输送气体中所含的粉尘、液滴和纤维不敏感；当压力在一定范围内变化时，转速不变，则流量为一常数；运行时适应性强，在流量要求稳定而阻力变化幅度较大时，可以自动调节；与离心风机相比价格低。但噪声大，存在润滑油向气缸渗漏的缺点，同时其风量调节只能采用调节转速法和旁路放风阀法，调节转速法由于罗茨风机采用恒转矩负载，转速不可调节，而旁路放风阀法则造成能量浪费。当然，对变频改造后的罗茨风机，在小流量、变流量时效率较高，可达95%以上；效率一般在70%左右，较离心风机相比效率较低，特别是在流量高于100m³/min时，功耗较大。目前，在国外的污水处理系统中，罗茨鼓风机由于存在容量小、噪声大、效率低、和运行维护费用高等问题，已经被淘汰。

罗茨鼓风机的使用范围：容积流量0.25～80m³/min，功率0.75～100kW，压力20～50kPa。

罗茨鼓风机的性能曲线主要指风量（Q）和压力（P）变化关系的曲线Q-P及轴功率（N）和压力变化关系的曲线N-P，如图1所示。从图中的Q-H性能曲线可以看出，在一定转速下，罗茨鼓风机的压力变化量较大时，风量的变化量非常小，基本不变；而功率曲线表明，功率随着压力的增高而增加。因此，罗茨鼓风机特别适用于管网阻力多变而风量要求基本稳定的场合，我国小型市政和工厂污水处理中应用较多。

图1 罗茨鼓风机的性能曲线

多级离心鼓风机

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离心鼓风机又称透平鼓风机，气体在旋转的叶轮作用下，获得压力和流速的增大，可以实现连续送风。其工作原理为当电机转动从而带动风机叶轮旋转，气体在离心力的作用下甩出并改变流向，动能转换为静压能，从排气口排出气体，同时在叶轮间形成一定负压，使外界气体在大气压的作用下补入，达到连续鼓风的目的。离心鼓风机根据叶轮数量分为多级离心鼓风机和单级离心鼓风机。多级低速离心鼓风机正常是指转子在2只或2只以上的叶轮串联在同一根主轴上，至多可有八级风叶，转子转速为3000～3600r/min的离心式鼓风机^[4]。离心鼓风机一般选用进口节流调节流量与压力，使风机在较低的功率下运行，不需要放风调节，且能保持同额定工况基本相同的高效率，适用于压力流量都不稳定的工况。

多级离心鼓风机的送气量一般较大，但所产生的风压不高，出口表压一般不高出110kPa,流量一般在130m³/min左右。

离心鼓风机性能参数包括风机风压、风量、效率及功率，他们的关系如图2所示。

图2 后弯式离心鼓风机性能曲线

与罗茨鼓风机相比，低速多级离心鼓风机由于具有噪声较低、风机运行平稳可靠、效率较高等优点，20世纪80年代以来，在国外的污水处理厂中逐渐取代了罗茨鼓风机，但仍存在体积大、质量重、流量调节性能差、效率偏低、能耗大等弊端。

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单级高速离心鼓风机

单级高速离心鼓风机是从20世纪90年代开始，随着“三元流动理论”在离心式压缩机和鼓风机设计上的应用而发展起来的。单级离心鼓风机采用齿轮箱增速，在齿轮箱内用机油润滑和冷却。但单级离心鼓风机由于只有一个叶轮，不可能产生较大的风压，它的出口压力多在50kPa以内，流量在18～1050m³/min，一般80m³/min左右。

单级高速离心鼓风机采用了三元流动理论进行设计，使其更加符合流体流动规律，其叶轮效率较采用二元叶轮的多级低速离心鼓风机有很大的提高，而且是一级结构，流道短、损失较小，使其效率较多级低速离心提高10%～15%，可高达82%；在结构上采用了轴向进气导叶调节装置，在压力恒定时，流量调节为额定流量的65%～105%，使其在低负荷条件下也可以达到较高的运行效率，这是罗茨鼓风机所没有的优点；采用自动化监控系统，自动化程度高；采用组装式整体结构，与同流量和压力的多级离心式鼓风机相比，节约消耗，重量一般少70%，占地面积约小50%；同时三元流动叶轮比普通二元流动叶轮直径要小30%～40%，故其转子转动惯量较小，机组的启动和停车时间短，无需高位油箱和蓄能器，使鼓风机转速可达100000r/min。

由于单级高速离心鼓风机具有重量轻、体积小、节约能源、性能调节范围广泛、效率高和自动化水平高等优点，早已在国外取代多级低速离心式得到广泛应用，是目前污水处理行业的主流产品。目前，国外生产单级高速离心鼓风机的厂家主要有美国的英格索兰、日本的川崎重工、德国的德马克和瑞士的苏尔寿等，国内的厂家主要有沈阳鼓风机厂、杭州制氧机厂和陕西鼓风机厂等。

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磁悬浮离心鼓风机

磁悬浮单级离心鼓风机属于单级高速离心鼓风机的一种，一般选用高速电机、变频器和磁悬浮轴承的一体化结构。电机省去齿轮、联轴器等中间机械增速装置，出力轴与叶轮直联，自动调节风量和风压等输出参数，中间无机械接触，不需要油润滑系统。标准配置包括高速电机、变频器、无油磁性轴承、放空阀、本地控制、安全监控系统和隔声罩，其所有部件集成整体安装在普通底座上，无需特殊固定基础，所以设备体积小、重量轻、安装操作方便，运行时低噪声和无振动，控制噪声80dB以下。

磁悬浮单级离心鼓风机，其磁悬浮轴承和永磁同步电动机是其核心技术。磁力轴承应用常导磁吸的原理，用电磁吸力实现转轴悬浮高速稳定的无摩擦运转，同时用位置传感器、功率放大器和PI运算器，对电动机转轴进行实时状态检测、故障诊断并作出调整，其主动控制能力可以有效抑制转轴的不平衡振动，还拥有完备和严格的断电保护措施。永磁同步电动机具有结构简单，体积小、重量轻、高效节能等优点，正逐步取代中小功率的直流电动机、异步电动机变频调速系统。

磁悬浮单级离心鼓风机最早在国内使用的是河南南阳污水厂，已安全运行十二年且保持着良好性能，不随时间的推移而降低效率。虽然设备成本较高，但几乎没有任何维护费用，长期运行还可以省出一笔可观的电费。但在经过更长的运行周期后，是否会出现新的问题还未可知；磁悬浮鼓风机基本由国外企业生产，2014年12月江苏金通灵发布与SKF集团联合研制的国内首台磁悬浮高速鼓风机，所以设备一旦出现的故障，必须联系国外原制造厂进行维修，维修费用上用户很难有谈判的余地；对供电系统的稳定性要求较高，若频繁启停会造成一定的磨损。

当前最大机型的磁悬浮单级离心鼓风机额定风量约为205m³/min，升压为75kPa，一般风量可达170m³/min，风压为35～120kPa，通过变频调速使鼓风机排气量可由50%～100%范围内进行调节，所以一些需要更大风量的污水厂便无法选用磁悬浮单级离心鼓风机。

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空气悬浮离心鼓风机

空气悬浮离心鼓风机是一种全新概念的离心鼓风机，借鉴航空、航天器的涡轮发动机，应用先进的空气悬浮技术，采用了“高速直联电机”和“空气悬浮轴承”这两个高端核心技术，改善了传统单级高速涡轮鼓风机的转速齿轮、联轴器、冷却系统和油润滑系统等，大大提高了产品的技术性能及运行可靠性。

空气悬浮单级离心鼓风机采用SVS钛合金材料，叶轮抗变形能力强，选择最佳效率角度设计，效率高达88%；采用BLDCM永磁无刷超高速电机，是随着永磁材料技术、半导体技术和控制技术的发展而出现的一种最新型电机，更加高效节能；采用变频调节方式，使悬浮离心鼓风机的可调范围更宽；采用空气自冷却技术，可确保鼓风机在炎热的夏季仍保持可靠的工作性能；由于采用高速直联电机、空气悬浮轴承及三维模拟涡轮叶轮，大大减少了因为机械传动和机械摩擦而产生的能源消耗，故效率极高；空气悬浮轴承较磁悬浮轴承寿命更长，更换价格也相对低廉；启停不依赖于电源，运行较磁悬浮离心鼓风机更加稳定可靠；与罗茨风机相比可节能25%～35%，与传统多级离心鼓风机相比可节能15%～20%，与传统单级高速离心鼓风机相比可节能10%～15%。风量范围为35～160m³/min，最大出口风压达1bar。

韩国TURBOMMAX(拓博麦克斯)公司是世界上最主要的空气悬浮鼓风机制造商之一，2004年进入中国市场。2010年芜湖市三上去滨江3万m³/d污水处理厂采用了三台韩国TURBOMMAX风机，较传统罗茨鼓风机节能30%左右，至今运行状况稳定。

罗茨风机适用于100m³/min以内较小流量的处理设备，能耗与离心式相差不大，流量调控好，变水位效率高，且价格低，总体价格经济效益好，主要用于小型市政污水及工厂污水处理，特别是适合CAST工艺（循环式活性污泥法）污水处理厂。

多级离心风机适用于流量范围在100～400m³/min的情况下，虽然成本较罗茨风机稍高，但其能耗低，长期综合效益最佳，主要用于中小型市政污水处理厂。

单级高速离心鼓风机无法采用变频调速，在满负荷时效率高，但当流量减少时，功耗并不是同比减小，因此部分负载的效率低，能耗大，主要适用于大中型污水处理厂。

磁悬浮离心鼓风机和空气悬浮离心鼓风机具有效率高，节能，低噪音，无振动等优点，一次性投入费用较高，但在长期运行过程中节约电耗及维护费用，是未来污水处理行业的主要发展方向。

勘    误

由于小编的编辑失误，上期微信《工程案例与科研动态专刊“抢鲜知”》中出现一个错误，现在予以纠正。

《超滤膜组合工艺处理青草沙原水中试试验》作者应为 “张琴娟，高乃云，邹高辉，等”。

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