污水處理工藝中鼓風機風量變頻調節與導葉調控方式的比較

楊 陽 馬 帥

（南陽市污水凈化中心，河南 南陽 473000）

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、運行經驗成熟等特點而被廣泛使用。其曝氣系統通常采用鼓風曝氣。實際運行中，污水的水質、水量及環境等因素總處在變化之中，曝氣系統應能根據曝氣池溶解氧含量的變化及時調節供氣量，以保證處理效果，并不致浪費能源。因此，在項目設計階段，業主和設計單位均高度重視鼓風機的選型及調控方式的選擇。

河南省南陽市污水處理廠工程的初步設計，鼓風設備采用了單級高速離心風機，一期采用變頻控制調節風量的方案。為了滿足污水處理工藝的要求，最大限度節能、降低建設投資，經考察，并多次組織專家進行技術經濟分析和論證，認為針對本工程污水處理鼓風曝氣工藝特點，二期采用進口導葉是鼓風機合理的調控方式。

1 離心鼓風機的原理及調控方案

1.1 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：原動機通過軸驅動葉輪高速旋轉，氣流由進口軸向進入高速旋轉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的氣流中具有的動能轉化為壓能(勢能)，使風機出口保持穩定壓力。

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，而且取決于系統的特性，當管網阻力增大時，管路性能曲線將變陡。

風機調節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特性曲線，以得到所需工況。

1.2 鼓風機調控方案

在初步設計中，鼓風曝氣裝置，設計選用變頻磁懸浮鼓風機和西門子單級高速離心鼓風機?？紤]到污水處理量的不均衡性，為了節約能源，保證風機出口壓力不變及各工藝構筑物需氣量的要求，設計一期采用變頻調節的方式和二期采用可編程邏輯控制器來調控鼓風機風量的變化。

圖1 鼓風曝氣示意

2 離心風機調控方式的分析、選擇

離心風機是目前應用最廣泛的風機，是風機節能的主要對象。從調查中了解到，目前風機運行中存在的主要問題是能源浪費嚴重。根據國家有關部門統計，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、閥門等調節方式。這種方式雖簡便易行，但在調節過程中將產生大量的能量損耗。因此，在污水處理工程中需經常調節風量的鼓風機，應選擇合適的調節方式，以降低能耗。

2.1 變頻調控原理與特性

隨著科技的不斷發展，交流電機調速技術被廣泛采用。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控流量造成的能量損耗。

圖2 變頻調節時風機的性能曲線

變頻調節的節能原理：

圖2 中曲線1 和2 表示調速時的壓力-流量曲線，曲線3 和4 表示節流調節時管路阻力特性曲線，曲線5 表示恒速時功率-流量曲線，設A 點為風機最大工況點。當風量需從Q1減少到Q2時，如果采用節流調節法，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。如果采用變頻調節方式，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，變頻調節是一種高效的調節方式。鼓風機采用變頻調節，不會產生附加壓力損失，節能效果顯著，調節風量范圍0%-100%，適合調節范圍寬，且經常處于低負荷下運行的場合。但是，當風機轉速下降，風量減小時，風壓將發生很大變化，由風機比例定律：

Q1/Q2＝（n1/n2），H1/H2＝（n1/n2）2，P1/P2＝（n1/n2）3

可知，當其轉速降低到原額定轉速的一半時，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，這就是變頻調節方式可以大幅度節電的原因。

根據變頻調節這一特性，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節，當調節深度較大時，將會使風壓下降過大，不能滿足工藝要求。當調節深度較小時，則顯示不出其節能的優勢，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節比導葉調節增加一次性投資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，采用變頻調節方式顯然是不合適的。

2.2 進口導葉調節原理及特性

進口導葉調節裝置即在鼓風機吸風入口附近裝設一組可調節轉角的導葉-進口導葉，其作用是使氣流在進入葉輪之前發生旋轉，造成扭曲速度。導葉可繞自身軸轉動，葉片每轉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。

進口導葉調節風量原理是：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絕對速度沿圓周速度方向偏轉θ 角，同時對氣流進口的速度有一定的節流作用，這種預旋和節流作用將導致風機性能曲線下降，從而使運行工況點變化，實現風機流量調節。進口導葉調節的節能原理通過圖3 說明。

圖3 進口導葉調節時風機的性能曲線

圖3 中曲線1 為節流調節時功率-流量曲線，曲線2 為進口導葉調節時的功率-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流調節節省的功率。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，進行流量調節，即H=常量，Q=變量時，管網的特性曲線近似于水平直線，鼓風機采用進口導葉調節，不必借助于改變管網特性曲線，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的（見圖4）。

圖4 本工程進口導葉調節時風機性能曲線

離心風機采用進口導葉調節方式，在部分負荷運行時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%額定流量范圍內變化[2]。調節深度愈大、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流方式節省功率達17%之多[3]。此外，其結構相對簡單，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節流量，顯然是最佳調節方式。

2.3 不同調控方式的比較

圖5 不同調節方式下功率消耗比較

圖5 給出了不同調控方式時風量和軸功率的關系。盡管變頻調節的離心鼓風機調節范圍很廣，在節能上有顯著效果，但用在本工程的工藝系統中將受到工藝條件限制，調節范圍僅為80%-100%，而且通過圖5[3]可看出，在相對流量變化不大時，變頻與導葉兩種調節方式消耗功率差別并不大，因此采用變頻調節方式其節能特長顯示不出來，這就失去了選擇它的意義。而選擇導葉調節方式的鼓風機，在保持出口壓力恒定條件下可以較大范圍調節風量（50%-100%），以保證污水中溶解氧含量穩定，相對地節省了能源。所以應選擇導葉調節方式的高速離心風機，作為本工程的設備選型。同時，為了更好地體現出節能效果，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 結語

通過對變頻與導葉調節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，鼓風機調控方式的選擇，不能只考慮節能，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、調節裝置的技術復雜程度、可靠性及投資等方面綜合考慮，進行技術經濟分析，作出合理的選擇。

［1］吳民強.泵與風機節能技術問答[M].北京：中國電力出版社，1998.

［2］王洪臣.城市污水處理廠運行控制與維護管理[M].北京：科學出版社，1997.

［3］聶能光.變頻技術適用問答[M].北京：科學出版社，1990.