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。
例如某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,认为针对该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
某污水处理厂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,设计选用雷茨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
2、离心风机调控方式的分析、选择
雷茨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
雷茨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。
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。
雷茨离心风机采用进口导叶调节方式,在部分负荷运行时可获得高效率和较宽的性能范围,在保持出口压力恒定条件下,工作流量可在50%~100%额定流量范围内变化[2]。调节深度愈大、省功愈多。如流量减少到额定流量的60%时,进口导叶方式比进口节流方式节省功率达17%之多[3]。此外,其结构相对简单,运行可靠,维护管理方便,初期投资低。因此,此工程中鼓风机采用进口导叶调节流量,显然是最佳调节方式。
3、结语
通过对变频与导叶调节方式的原理与特点的分析,明确了在采用鼓风曝气的污水处理工艺中,鼓风机调控方式的选择,不能只考虑节能,而必须在满足曝气工艺对风量、风压要求前提下,从流量变化范围、风机功率大小、调节装置的技术复杂程度、可靠性及投资等方面综合考虑,进行技术经济分析,作出合理的选择。