污水處理行業(yè)離心風機的廣泛使用
關鍵詞：污水處理行業(yè)離心風機的廣泛使用 發(fā)布時間：2014-01-03 點擊數(shù)：2823
在應用活性污泥法的污水處理過程中，風機作為 主要設備，對污水處理廠的運行起著重要作用． 其運 行質(zhì)量、運行工況的好壞不僅影響處理后出水水質(zhì)指 標的高低，也直接關系到污水處理廠運行的安全性和 經(jīng)濟性．多級離心風機因具有維護費用低、操作簡單、 無復雜潤滑系統(tǒng)等優(yōu)點，而為污水處理廠所采用． 某污水處理廠1期工程處理能力為4×104 m3 /d， 應用 UCT 工藝，使用 4 臺 110 kW 西門子 100． 07C 多級離心風機并聯(lián)進行曝氣． 自使用以來，常出現(xiàn)喘 振問題，每月達12 次之多． 為了保證機組的安全運 行，必須采取措施防止喘振的發(fā)生．
1 離心風機喘振現(xiàn)象
離心風機是利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪將氣體加速， 把機械能轉(zhuǎn)換成壓力能的機械． 主要由進氣口、葉 輪、螺旋形蝸殼、出氣口和擴散器等部件組成． 葉輪 的幾何形狀、尺寸和轉(zhuǎn)速等制約著氣體在葉輪中的 流動特征，決定著風機的流量、壓力及之間的關系． 離心風機廣泛應用于各種冶煉高爐、洗煤廠、污水處 理、化工造氣等需要輸送空氣的場合［1］． 喘振是離心式設備容易出現(xiàn)的現(xiàn)象． 風機發(fā)生 喘振時，風機流量忽大忽小，此刻向負載排氣，另一 刻又從負載吸氣，設備上安裝的壓力表、流量計等儀 表大幅度擺動，同時伴隨著強烈振動，并引起整個裝 置、管道的振動． 喘振產(chǎn)生的外因是由于系統(tǒng)的外圍 管阻過大，風機特性曲線與管路阻力曲線在風機特 性曲線的左下部( 即壓強、流量上升的部分) 相交所 致，也就是離心風機所具有的駝峰型特性曲線所致． 圖1 中，曲線 1 是離心風機在某一轉(zhuǎn)速下的特 性曲線，是一個駝峰曲線，駝峰點 M 處的流量為 QM． 曲線2 是管路阻力曲線，正常工作點為 A． 駝峰 點M 右側(cè)的區(qū)域為穩(wěn)定工作區(qū)域，駝峰點M 左側(cè)的 區(qū)域為不穩(wěn)定工作區(qū)域．
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喘振產(chǎn)生的內(nèi)因是由于進入葉輪的氣流沖角增 大而引起的旋轉(zhuǎn)脫離． 當離心風機處于正常工況工 作時，繞翼型的氣流保持其流線形狀． 當流量減小 時，促使某幾個葉片比其余葉片首先產(chǎn)生繞流分離， 即引起氣流嚴重的旋轉(zhuǎn)脫離，這是喘振發(fā)生的前奏． 發(fā)生旋轉(zhuǎn)脫離時，流動損失增加，靜壓升下降，風機 背壓低于管網(wǎng)中的壓力，使管網(wǎng)中的氣流發(fā)生倒流， 瞬時彌補了葉輪的流量不足;葉輪恢復正常后，又將 倒流的氣體壓出去，使葉輪中流量減小，壓力再度突 然下降． 反復發(fā)生這種現(xiàn)象，就成為喘振． 試驗研究 表明，喘振現(xiàn)象的出現(xiàn)總是與葉道內(nèi)氣流脫流密切 相關，而沖角的增大與流量的減小有關［2］． 目前，防止離心風機等的喘振主要從兩個方面 開展:一方面是通過控制系統(tǒng)來診斷或防止風機出 現(xiàn)喘振． 例如，張紅梅等提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡信息融合 技術的風機喘振智能診斷方法［3］． 大連理工大學通 過附加“閥跳變”和非線性等 2 種控制方式來更有 效地防止喘振發(fā)生［4］． 郭仁寧等利用風機的變頻調(diào) 速 －旁通回流來防止壓縮機的喘振發(fā)生［5］． 另一方 面是通過改變風機本身的結(jié)構特性來降低喘振的發(fā) 生． 例如，李占良等在高爐鼓風機前加裝研制的軸向 進氣預旋調(diào)節(jié)器，增加風機的調(diào)節(jié)機能［6］． 雖然該污水處理廠離心風機控制系統(tǒng)中設置有 喘振預報警和喘振停機功能，但喘振停機會造成 UCT 生物池曝氣停止，影響 UCT 工藝硝化反應進程和工 藝的正常進行，進而影響出水水質(zhì)的達標排放，給生 產(chǎn)運行和管理帶來不便． 同時，多次喘振使風機機械 系統(tǒng)產(chǎn)生很大的損傷，加快了風機的磨損，降低了風 機的使用壽命． 所以，需研究污水處理過程中離心風 機喘振產(chǎn)生的原因，并采取措施防止喘振的發(fā)生．
2 污水處理廠風機的喘振防止措施
在污水處理廠風機的運行過程中，引起風機喘 振的因素很多，例如進氣壓力過低、出口壓力過高、 溶氧升高過快導致排氣量忽然減小、進氣溫度過高、 風機轉(zhuǎn)速忽然降低、進口風道過濾器堵塞、生化池液 位過高、曝氣頭堵塞、倒換生化池時引起的風量突 變、喘振報警裝置失靈等． 針對該污水處理廠風機的 喘振故障，分別從設計選型、控制系統(tǒng)、運行維護、技 術改進等方面查找原因和采取措施． 2． 1 合適的需氧量 風機供氣量的計算，一般是根據(jù)污水處理工藝 中最不利工況并考慮一定余量確定的． 設計供氣量的計算要精確，余量要適度，確保機組在高效區(qū)段運 行和調(diào)節(jié)． 由于污水量、污水水質(zhì)和水溫是變化的，所以風 機運行時會產(chǎn)生風機供氣量大于污水處理所需用氣 量的情況，這時需要調(diào)節(jié)風量的大�。� 當采用母管制 供氣時，盡量用增減機組臺數(shù)或以較小幅度調(diào)節(jié)機 組進、排氣，適應管網(wǎng)所需流量和壓力的變化． 這要 求在設計階段應考慮各種運行工況下的管網(wǎng)特性曲 線與風機性能曲線的交點，查看該交點是否在高效 區(qū)范圍內(nèi)． 需氧量的計算是設計初期工藝設計的重要內(nèi) 容． 采用不同的需氧量計算方法，其結(jié)果差異較大．
計算方法 1: 吳華明等采用《室外排水設計規(guī) 范》推薦的需氧量計算公式［7］，但其結(jié)果明顯偏小， 不符合工程實際;建議對公式進行修正，采用以下公 式的計算結(jié)果比較符合工程實際［8］:.jpg)
式中: ΔXV 為排出生物反應池系統(tǒng)的微生物量， kg/d; Q 為生物反應池的進水流量， m3 /d; So 為生物 反應池的進水 BOD5，mg/L; Y 為污泥產(chǎn)率系數(shù); Kd 為異養(yǎng)菌內(nèi)源衰減系數(shù)，取0． 08 d－1; Se 為生物反應 池的出水 BOD5，mg/L; θc 為反應池設計泥齡，
計算方法2:采用《城市污水生物脫氮除磷處理 設計規(guī)程》 ( CECS 149: 2003) 推薦的需氧量計算公 式［9］，該公式考慮了污水特點和溫度的影響，并進 行了修正，計算結(jié)果較為理想、可靠．
計算方法3:采用《給水排水設計手冊》 ( 第5 冊) 中推薦的曝氣池需氧量計算公式［10］，但參數(shù)的取值 范圍較大，不同的參數(shù)取值對計算結(jié)果的影響較大， 且該方法未考慮硝化及反硝化對需氧量的影響．
計算方法 4: 采用德國廢水工程協(xié)會( ATV) A131 技術規(guī)范［11］，但需氧量的計算數(shù)值偏大． 4 種方法需氧量計算結(jié)果見表1． 表中w( O2) 為 污水需氧量， w( O2) /w( BOD5) 為去除單位 BOD5 需 氧量．
式中: ΔXV 為排出生物反應池系統(tǒng)的微生物量， kg/d; Q 為生物反應池的進水流量， m3 /d; So 為生物 反應池的進水 BOD5，mg/L; Y 為污泥產(chǎn)率系數(shù); Kd 為異養(yǎng)菌內(nèi)源衰減系數(shù)，取0． 08 d－1; Se 為生物反應 池的出水 BOD5，mg/L; θc 為反應池設計泥齡， d． 計算方法2:采用《城市污水生物脫氮除磷處理 設計規(guī)程》 ( CECS 149: 2003) 推薦的需氧量計算公 式［9］，該公式考慮了污水特點和溫度的影響，并進 行了修正，計算結(jié)果較為理想、可靠． 計算方法3:采用《給水排水設計手冊》 ( 第5 冊) 中推薦的曝氣池需氧量計算公式［10］，但參數(shù)的取值 范圍較大，不同的參數(shù)取值對計算結(jié)果的影響較大， 且該方法未考慮硝化及反硝化對需氧量的影響． 計算方法 4: 采用德國廢水工程協(xié)會( ATV) A131 技術規(guī)范［11］，但需氧量的計算數(shù)值偏大． 4 種方法需氧量計算結(jié)果見表1． 表中w( O2) 為 污水需氧量， w( O2) /w( BOD5) 為去除單位 BOD5 需 氧量．由表1 可知，方法 1( 修正) 和方法 2 計算結(jié)果基本 相同，符合實際運行時的需氧量． 方法4 的計算結(jié)果 偏大． 因此在進行風機系統(tǒng)改造或?qū)磉M行2 期工 程施工時，選用合適的需氧量計算方法，將為設計帶 來方便，也有利于生產(chǎn)過程的安全高效運行． 2． 2 喘振控制點的準確流量 風機喘振報警裝置是通過判斷輸出流量值的大 小來確定是否報警的． 污水處理廠試運行時預報警 的流量值，即喘振控制點流量設置為2 000 m3 /h，即 當風機輸出流量值低于2 000 m3 /h 時，就發(fā)出喘振 預報警． 為了確定準確的喘振控制點流量，根據(jù)風機性 能曲線，通過現(xiàn)場檢測風機運行數(shù)據(jù)［12］，觀察風機 運行狀態(tài)，記錄喘振時各風機流量，見表2．
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表 2 中平均流量為 1 757． 3 m3 /h． 考慮到運行 時的流量波動，為保證安全，計算喘振控制點流 量［13］為 Q控 =1 757． 3 ×( 1 +8%) = 1 897 m³ /h，即喘振控制點流量為 1 900 m3 /h． 在風機喘振報警 裝置中重新設置喘振控制點流量為1 900 m3 /h．
2． 3 風機出口阻力 由風機特性曲線可見，當出口壓力減小時，風機 流量增大，風機運行工況點偏離喘振點． 因此，減小 風機在運行過程中的出口壓力，有利于減小喘振的 發(fā)生概率． 風機出口的壓力與管道、曝氣盤、水深有 關，其中，曝氣盤的微孔暢通與否，對風機出口壓力 的變化影響最大． 污泥或雜質(zhì)沉積在曝氣盤的微孔內(nèi)，會使孔徑 減小或造成微孔堵塞，導致曝氣盤阻力增大． 因此運 行過程中，需采取措施保持管道壓力，不使污泥進入 曝氣盤． 通過改變運行工藝減輕曝氣盤微孔堵塞的 方法: ①風機運行切換時，在新開啟一臺風機后，再 關閉原來運行的風機，以保持管道內(nèi)壓力; ②UCT 生化池溶解氧較高時，降低風機運行轉(zhuǎn)速，減小供氣 量，或增大進水流量增加負荷等，改變原來關閉風機 停止曝氣的方法． 由前后對比，此方法可降低出口壓力達 5 kPa，延長曝氣盤的再生或更換周期 1 a 以上．
2． 4 進口導流器 如前所述，喘振產(chǎn)生的內(nèi)因是由于進入葉輪的 氣流沖角增大而引起的旋轉(zhuǎn)脫離［14］． 圖2 為不同角度氣流進入風機葉輪時的狀 態(tài)［15］． 設 β1 為氣流沖角． 圖中 βb1為葉片進口安放 角; c1， u1， w1 分別為設計工況下的絕對速度、牽連運 行速度、相對速度; c1m為軸面速度，即 c1 在軸面上的 投影; c'1m， c″1m分別為大流量和小流量時的軸面速度; β' 1， β″ 1分別為大流量和小流量時的氣流沖角． 由于葉 輪為徑向葉輪，軸面速度與絕對速度相等，即方向、 大小相同: c1m = c1．
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由圖2 可看出，在設計工況下， β1 = βb1，即氣流 無沖擊流入葉輪;在小流量工況下， β″ 1 ＜ βb1，兩者差 值較大，即沖角過大時，氣流在葉輪非工作面上會出 現(xiàn)邊界層分離． 所以，減小氣流沖角可減小離心風機 喘振發(fā)生的概率，調(diào)節(jié)到合適的氣流沖角可避免風 機在運行過程中喘振的發(fā)生． 進氣預旋調(diào)節(jié)法是在 風機進口裝設導流器，通過改變進入風機葉輪的氣 流角度來改變風機的特性，使風機流量、壓力、功率 發(fā)生變化的一種調(diào)節(jié)方法． 根據(jù)歐拉方程，如果風機的進口有導流器，改變 導流器角度即可改變 c1u，從而改變風機的壓力． 即 hth = u2c2u － u1c1u， 式中: hth為無限多葉片時的理論能量頭，J/kg; u1， u2 分別為葉片入口和出口周向速度，m/s; c1u， c2u分別 為葉片入口和出口絕對速度周向分速度，m/s． 正預旋調(diào)節(jié)時，風機出口壓力減小，進氣流量減 小;負預旋調(diào)節(jié)時，風機出口壓力增大，進氣流量變 大［16］． 在2#風機進口安裝研制的導流器． 該導流器采 用軸向可調(diào)的弧形葉片， 8 片葉片的轉(zhuǎn)軸非對稱布 置，可進行手動或自動調(diào)節(jié)． 對2#風機進行測試［17］， 手動調(diào)節(jié)導流器開度，數(shù)據(jù)見表3，表中 Q 為流量， 為出口壓力， φ 為導流器開度， I 為電動機電流， P 為 電動機功率．對2#風機進行變頻調(diào)節(jié)測試性能，導流 器開度保持0°，數(shù)據(jù)見表4，表中 n 為轉(zhuǎn)速．
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從表 3， 4 對比可看出，進氣預旋調(diào)節(jié)法能擴大 風機的使用范圍和提高風機調(diào)節(jié)性能． 而且，進氣預 旋調(diào)節(jié)法使離心風機具有高效、寬工況運行范圍、無 級微調(diào)的特點． 流量調(diào)節(jié)到 60%時，效率下降平緩， 基本保持原有水平．
3 結(jié) 論
喘振是風機等設備容易出現(xiàn)的故障現(xiàn)象，運行 過程中應防止喘振的發(fā)生． 通過分析研究污水處理 中離心風機喘振發(fā)生的原因，采取了相應的防止措 施． 選型時，采用可靠的需氧量計算公式，降低控制 系統(tǒng)中的喘振控制點流量值，降低風機出口阻力，風 機進口裝導流器的進氣預旋調(diào)節(jié)法等措施的實施， 加大了離心風機的運行范圍和調(diào)節(jié)性能，使離心風 機在污水處理過程中得以平穩(wěn)安全運行． 解決了生 產(chǎn)實際中存在的問題，降低了維修、維護的工作量， 延長了風機的使用年限，取得了很好的經(jīng)濟效益和 環(huán)境效益．
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