污水處理行業(yè)離心風(fēng)機(jī)的廣泛使用
關(guān)鍵詞：污水處理行業(yè)離心風(fēng)機(jī)的廣泛使用 發(fā)布時(shí)間：2014-01-03 點(diǎn)擊數(shù)：2782
在應(yīng)用活性污泥法的污水處理過程中，風(fēng)機(jī)作為 主要設(shè)備，對(duì)污水處理廠的運(yùn)行起著重要作用． 其運(yùn) 行質(zhì)量、運(yùn)行工況的好壞不僅影響處理后出水水質(zhì)指 標(biāo)的高低，也直接關(guān)系到污水處理廠運(yùn)行的安全性和 經(jīng)濟(jì)性．多級(jí)離心風(fēng)機(jī)因具有維護(hù)費(fèi)用低、操作簡(jiǎn)單、 無復(fù)雜潤(rùn)滑系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用 UCT 工藝，使用 4 臺(tái) 110 kW 西門子 100． 07C 多級(jí)離心風(fēng)機(jī)并聯(lián)進(jìn)行曝氣． 自使用以來，常出現(xiàn)喘 振問題，每月達(dá)12 次之多． 為了保證機(jī)組的安全運(yùn) 行，必須采取措施防止喘振的發(fā)生．
1 離心風(fēng)機(jī)喘振現(xiàn)象
離心風(fēng)機(jī)是利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪將氣體加速， 把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成壓力能的機(jī)械． 主要由進(jìn)氣口、葉 輪、螺旋形蝸殼、出氣口和擴(kuò)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(dòng)特征，決定著風(fēng)機(jī)的流量、壓力及之間的關(guān)系． 離心風(fēng)機(jī)廣泛應(yīng)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(chǎng)合［1］． 喘振是離心式設(shè)備容易出現(xiàn)的現(xiàn)象． 風(fēng)機(jī)發(fā)生 喘振時(shí)，風(fēng)機(jī)流量忽大忽小，此刻向負(fù)載排氣，另一 刻又從負(fù)載吸氣，設(shè)備上安裝的壓力表、流量計(jì)等儀 表大幅度擺動(dòng)，同時(shí)伴隨著強(qiáng)烈振動(dòng)，并引起整個(gè)裝 置、管道的振動(dòng)． 喘振產(chǎn)生的外因是由于系統(tǒng)的外圍 管阻過大，風(fēng)機(jī)特性曲線與管路阻力曲線在風(fēng)機(jī)特 性曲線的左下部( 即壓強(qiáng)、流量上升的部分) 相交所 致，也就是離心風(fēng)機(jī)所具有的駝峰型特性曲線所致． 圖1 中，曲線 1 是離心風(fēng)機(jī)在某一轉(zhuǎn)速下的特 性曲線，是一個(gè)駝峰曲線，駝峰點(diǎn) M 處的流量為 QM． 曲線2 是管路阻力曲線，正常工作點(diǎn)為 A． 駝峰 點(diǎn)M 右側(cè)的區(qū)域?yàn)榉�(wěn)定工作區(qū)域，駝峰點(diǎn)M 左側(cè)的 區(qū)域?yàn)椴环�(wěn)定工作區(qū)域．
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喘振產(chǎn)生的內(nèi)因是由于進(jìn)入葉輪的氣流沖角增 大而引起的旋轉(zhuǎn)脫離． 當(dāng)離心風(fēng)機(jī)處于正常工況工 作時(shí)，繞翼型的氣流保持其流線形狀． 當(dāng)流量減小 時(shí)，促使某幾個(gè)葉片比其余葉片首先產(chǎn)生繞流分離， 即引起氣流嚴(yán)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(shí)，流動(dòng)損失增加，靜壓升下降，風(fēng)機(jī) 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(shí)彌補(bǔ)了葉輪的流量不足;葉輪恢復(fù)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(fù)發(fā)生這種現(xiàn)象，就成為喘振． 試驗(yàn)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(guān)，而沖角的增大與流量的減小有關(guān)［2］． 目前，防止離心風(fēng)機(jī)等的喘振主要從兩個(gè)方面 開展:一方面是通過控制系統(tǒng)來診斷或防止風(fēng)機(jī)出 現(xiàn)喘振． 例如，張紅梅等提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息融合 技術(shù)的風(fēng)機(jī)喘振智能診斷方法［3］． 大連理工大學(xué)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(fēng)機(jī)的變頻調(diào) 速 －旁通回流來防止壓縮機(jī)的喘振發(fā)生［5］． 另一方 面是通過改變風(fēng)機(jī)本身的結(jié)構(gòu)特性來降低喘振的發(fā) 生． 例如，李占良等在高爐鼓風(fēng)機(jī)前加裝研制的軸向 進(jìn)氣預(yù)旋調(diào)節(jié)器，增加風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)機(jī)能［6］． 雖然該污水處理廠離心風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)中設(shè)置有 喘振預(yù)報(bào)警和喘振停機(jī)功能，但喘振停機(jī)會(huì)造成 UCT 生物池曝氣停止，影響 UCT 工藝硝化反應(yīng)進(jìn)程和工 藝的正常進(jìn)行，進(jìn)而影響出水水質(zhì)的達(dá)標(biāo)排放，給生 產(chǎn)運(yùn)行和管理帶來不便． 同時(shí)，多次喘振使風(fēng)機(jī)機(jī)械 系統(tǒng)產(chǎn)生很大的損傷，加快了風(fēng)機(jī)的磨損，降低了風(fēng) 機(jī)的使用壽命． 所以，需研究污水處理過程中離心風(fēng) 機(jī)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(fēng)機(jī)的喘振防止措施
在污水處理廠風(fēng)機(jī)的運(yùn)行過程中，引起風(fēng)機(jī)喘 振的因素很多，例如進(jìn)氣壓力過低、出口壓力過高、 溶氧升高過快導(dǎo)致排氣量忽然減小、進(jìn)氣溫度過高、 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速忽然降低、進(jìn)口風(fēng)道過濾器堵塞、生化池液 位過高、曝氣頭堵塞、倒換生化池時(shí)引起的風(fēng)量突 變、喘振報(bào)警裝置失靈等． 針對(duì)該污水處理廠風(fēng)機(jī)的 喘振故障，分別從設(shè)計(jì)選型、控制系統(tǒng)、運(yùn)行維護(hù)、技 術(shù)改進(jìn)等方面查找原因和采取措施． 2． 1 合適的需氧量 風(fēng)機(jī)供氣量的計(jì)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(shè)計(jì)供氣量的計(jì)算要精確，余量要適度，確保機(jī)組在高效區(qū)段運(yùn) 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(fēng) 機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生風(fēng)機(jī)供氣量大于污水處理所需用氣 量的情況，這時(shí)需要調(diào)節(jié)風(fēng)量的大�。� 當(dāng)采用母管制 供氣時(shí)，盡量用增減機(jī)組臺(tái)數(shù)或以較小幅度調(diào)節(jié)機(jī) 組進(jìn)、排氣，適應(yīng)管網(wǎng)所需流量和壓力的變化． 這要 求在設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮各種運(yùn)行工況下的管網(wǎng)特性曲 線與風(fēng)機(jī)性能曲線的交點(diǎn)，查看該交點(diǎn)是否在高效 區(qū)范圍內(nèi)． 需氧量的計(jì)算是設(shè)計(jì)初期工藝設(shè)計(jì)的重要內(nèi) 容． 采用不同的需氧量計(jì)算方法，其結(jié)果差異較大．
計(jì)算方法 1: 吳華明等采用《室外排水設(shè)計(jì)規(guī) 范》推薦的需氧量計(jì)算公式［7］，但其結(jié)果明顯偏小， 不符合工程實(shí)際;建議對(duì)公式進(jìn)行修正，采用以下公 式的計(jì)算結(jié)果比較符合工程實(shí)際［8］:.jpg)
式中: ΔXV 為排出生物反應(yīng)池系統(tǒng)的微生物量， kg/d; Q 為生物反應(yīng)池的進(jìn)水流量， m3 /d; So 為生物 反應(yīng)池的進(jìn)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(yīng) 池的出水 BOD5，mg/L; θc 為反應(yīng)池設(shè)計(jì)泥齡，
計(jì)算方法2:采用《城市污水生物脫氮除磷處理 設(shè)計(jì)規(guī)程》 ( CECS 149: 2003) 推薦的需氧量計(jì)算公 式［9］，該公式考慮了污水特點(diǎn)和溫度的影響，并進(jìn) 行了修正，計(jì)算結(jié)果較為理想、可靠．
計(jì)算方法3:采用《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》 ( 第5 冊(cè)) 中推薦的曝氣池需氧量計(jì)算公式［10］，但參數(shù)的取值 范圍較大，不同的參數(shù)取值對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較大， 且該方法未考慮硝化及反硝化對(duì)需氧量的影響．
計(jì)算方法 4: 采用德國(guó)廢水工程協(xié)會(huì)( ATV) A131 技術(shù)規(guī)范［11］，但需氧量的計(jì)算數(shù)值偏大． 4 種方法需氧量計(jì)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(yīng)池系統(tǒng)的微生物量， kg/d; Q 為生物反應(yīng)池的進(jìn)水流量， m3 /d; So 為生物 反應(yīng)池的進(jìn)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(yīng) 池的出水 BOD5，mg/L; θc 為反應(yīng)池設(shè)計(jì)泥齡， d． 計(jì)算方法2:采用《城市污水生物脫氮除磷處理 設(shè)計(jì)規(guī)程》 ( CECS 149: 2003) 推薦的需氧量計(jì)算公 式［9］，該公式考慮了污水特點(diǎn)和溫度的影響，并進(jìn) 行了修正，計(jì)算結(jié)果較為理想、可靠． 計(jì)算方法3:采用《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》 ( 第5 冊(cè)) 中推薦的曝氣池需氧量計(jì)算公式［10］，但參數(shù)的取值 范圍較大，不同的參數(shù)取值對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較大， 且該方法未考慮硝化及反硝化對(duì)需氧量的影響． 計(jì)算方法 4: 采用德國(guó)廢水工程協(xié)會(huì)( ATV) A131 技術(shù)規(guī)范［11］，但需氧量的計(jì)算數(shù)值偏大． 4 種方法需氧量計(jì)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(jì)算結(jié)果基本 相同，符合實(shí)際運(yùn)行時(shí)的需氧量． 方法4 的計(jì)算結(jié)果 偏大． 因此在進(jìn)行風(fēng)機(jī)系統(tǒng)改造或?qū)磉M(jìn)行2 期工 程施工時(shí)，選用合適的需氧量計(jì)算方法，將為設(shè)計(jì)帶 來方便，也有利于生產(chǎn)過程的安全高效運(yùn)行． 2． 2 喘振控制點(diǎn)的準(zhǔn)確流量 風(fēng)機(jī)喘振報(bào)警裝置是通過判斷輸出流量值的大 小來確定是否報(bào)警的． 污水處理廠試運(yùn)行時(shí)預(yù)報(bào)警 的流量值，即喘振控制點(diǎn)流量設(shè)置為2 000 m3 /h，即 當(dāng)風(fēng)機(jī)輸出流量值低于2 000 m3 /h 時(shí)，就發(fā)出喘振 預(yù)報(bào)警． 為了確定準(zhǔn)確的喘振控制點(diǎn)流量，根據(jù)風(fēng)機(jī)性 能曲線，通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)［12］，觀察風(fēng)機(jī) 運(yùn)行狀態(tài)，記錄喘振時(shí)各風(fēng)機(jī)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(yùn)行 時(shí)的流量波動(dòng)，為保證安全，計(jì)算喘振控制點(diǎn)流 量［13］為 Q控 =1 757． 3 ×( 1 +8%) = 1 897 m³ /h，即喘振控制點(diǎn)流量為 1 900 m3 /h． 在風(fēng)機(jī)喘振報(bào)警 裝置中重新設(shè)置喘振控制點(diǎn)流量為1 900 m3 /h．
2． 3 風(fēng)機(jī)出口阻力 由風(fēng)機(jī)特性曲線可見，當(dāng)出口壓力減小時(shí)，風(fēng)機(jī) 流量增大，風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)偏離喘振點(diǎn)． 因此，減小 風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中的出口壓力，有利于減小喘振的 發(fā)生概率． 風(fēng)機(jī)出口的壓力與管道、曝氣盤、水深有 關(guān)，其中，曝氣盤的微孔暢通與否，對(duì)風(fēng)機(jī)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(huì)使孔徑 減小或造成微孔堵塞，導(dǎo)致曝氣盤阻力增大． 因此運(yùn) 行過程中，需采取措施保持管道壓力，不使污泥進(jìn)入 曝氣盤． 通過改變運(yùn)行工藝減輕曝氣盤微孔堵塞的 方法: ①風(fēng)機(jī)運(yùn)行切換時(shí)，在新開啟一臺(tái)風(fēng)機(jī)后，再 關(guān)閉原來運(yùn)行的風(fēng)機(jī)，以保持管道內(nèi)壓力; ②UCT 生化池溶解氧較高時(shí)，降低風(fēng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，減小供氣 量，或增大進(jìn)水流量增加負(fù)荷等，改變?cè)瓉黻P(guān)閉風(fēng)機(jī) 停止曝氣的方法． 由前后對(duì)比，此方法可降低出口壓力達(dá) 5 kPa，延長(zhǎng)曝氣盤的再生或更換周期 1 a 以上．
2． 4 進(jìn)口導(dǎo)流器 如前所述，喘振產(chǎn)生的內(nèi)因是由于進(jìn)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(jìn)入風(fēng)機(jī)葉輪時(shí)的狀 態(tài)［15］． 設(shè) β1 為氣流沖角． 圖中 βb1為葉片進(jìn)口安放 角; c1， u1， w1 分別為設(shè)計(jì)工況下的絕對(duì)速度、牽連運(yùn) 行速度、相對(duì)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(shí)的軸面速度; β' 1， β″ 1分別為大流量和小流量時(shí)的氣流沖角． 由于葉 輪為徑向葉輪，軸面速度與絕對(duì)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(shè)計(jì)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(shí)，氣流在葉輪非工作面上會(huì)出 現(xiàn)邊界層分離． 所以，減小氣流沖角可減小離心風(fēng)機(jī) 喘振發(fā)生的概率，調(diào)節(jié)到合適的氣流沖角可避免風(fēng) 機(jī)在運(yùn)行過程中喘振的發(fā)生． 進(jìn)氣預(yù)旋調(diào)節(jié)法是在 風(fēng)機(jī)進(jìn)口裝設(shè)導(dǎo)流器，通過改變進(jìn)入風(fēng)機(jī)葉輪的氣 流角度來改變風(fēng)機(jī)的特性，使風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)的進(jìn)口有導(dǎo)流器，改變 導(dǎo)流器角度即可改變 c1u，從而改變風(fēng)機(jī)的壓力． 即 hth = u2c2u － u1c1u， 式中: hth為無限多葉片時(shí)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(duì)速度周向分速度，m/s． 正預(yù)旋調(diào)節(jié)時(shí)，風(fēng)機(jī)出口壓力減小，進(jìn)氣流量減 小;負(fù)預(yù)旋調(diào)節(jié)時(shí)，風(fēng)機(jī)出口壓力增大，進(jìn)氣流量變 大［16］． 在2#風(fēng)機(jī)進(jìn)口安裝研制的導(dǎo)流器． 該導(dǎo)流器采 用軸向可調(diào)的弧形葉片， 8 片葉片的轉(zhuǎn)軸非對(duì)稱布 置，可進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)節(jié)． 對(duì)2#風(fēng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試［17］， 手動(dòng)調(diào)節(jié)導(dǎo)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(dǎo)流器開度， I 為電動(dòng)機(jī)電流， P 為 電動(dòng)機(jī)功率．對(duì)2#風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)測(cè)試性能，導(dǎo)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(duì)比可看出，進(jìn)氣預(yù)旋調(diào)節(jié)法能擴(kuò)大 風(fēng)機(jī)的使用范圍和提高風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)性能． 而且，進(jìn)氣預(yù) 旋調(diào)節(jié)法使離心風(fēng)機(jī)具有高效、寬工況運(yùn)行范圍、無 級(jí)微調(diào)的特點(diǎn)． 流量調(diào)節(jié)到 60%時(shí)，效率下降平緩， 基本保持原有水平．
3 結(jié) 論
喘振是風(fēng)機(jī)等設(shè)備容易出現(xiàn)的故障現(xiàn)象，運(yùn)行 過程中應(yīng)防止喘振的發(fā)生． 通過分析研究污水處理 中離心風(fēng)機(jī)喘振發(fā)生的原因，采取了相應(yīng)的防止措 施． 選型時(shí)，采用可靠的需氧量計(jì)算公式，降低控制 系統(tǒng)中的喘振控制點(diǎn)流量值，降低風(fēng)機(jī)出口阻力，風(fēng) 機(jī)進(jìn)口裝導(dǎo)流器的進(jìn)氣預(yù)旋調(diào)節(jié)法等措施的實(shí)施， 加大了離心風(fēng)機(jī)的運(yùn)行范圍和調(diào)節(jié)性能，使離心風(fēng) 機(jī)在污水處理過程中得以平穩(wěn)安全運(yùn)行． 解決了生 產(chǎn)實(shí)際中存在的問題，降低了維修、維護(hù)的工作量， 延長(zhǎng)了風(fēng)機(jī)的使用年限，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和 環(huán)境效益．
常州市（無錫）文順風(fēng)機(jī)有限公司產(chǎn)品齊全，主要產(chǎn)品有：高、中、低離心風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)；各種軸流風(fēng)機(jī)；水泥立
窯專用高壓離心風(fēng)機(jī)；化鐵爐高壓離心風(fēng)機(jī)；化鐵企業(yè)替代進(jìn)口的不銹鋼風(fēng)機(jī)；空調(diào)專用風(fēng)機(jī)；各種除塵、耐磨、
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公司各類通用、專業(yè)設(shè)備齊全，工藝先進(jìn)，技術(shù)力量雄厚，性能測(cè)試運(yùn)用微機(jī)電腦處理。
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