关于污水处理厂鼓风机房设计中几个问题的探讨

天津市政工程设计研究院

宋汝华

　　天津市东郊污水处理厂、纪庄子污水处理厂都是国内大型的污水处理厂，目前已运行多年，效果良好。污水处理厂的核心部位是曝气系统，而鼓风机房是保证曝气系统正常运行的关键，如果鼓风机房停机，则整个生化系统瘫痪。本文结合纪庄子污水厂鼓风机房改造、东郊污水厂和天津无缝钢管厂污水处理工程鼓风机房设计，从设备选型、节省电耗、保证运转可靠性和改善工作环境等几个方面，谈一些体会，与同行们探讨。

一　风机选型

　　污水处理厂常用的鼓风机有罗茨鼓风机和离心鼓风机，它们有其各自的适用性。
　　1、罗茨鼓风机
　　是容积式气体压缩机，其特点是：强制流量，在设计压力范围内，管网阻力变化时其流量变化很小；在流量要求稳定而阻力变化幅度较大的工作场合，可予自动调节，故工作适应性较强。与离心风机相比价格低，而它的噪音大，存在润滑油向气缸渗漏的缺点，同时其风量调节只能采用变频调速和出风管放气，变频调速设备本身的价格比鼓风机价格还要高，出风管放气则造成能量浪费，因此只适用于小型污水处理厂。
　　2、离心鼓风机
　　是速度型，较容积式风机具有供气连续、运行平衡，效率高、结构简单、噪声低、外型尺寸及重量小、易损件少等优点。离心鼓风机又分为多级低速和单级高速，单级高速以提高转速来达到所需风压，较多级风机流道短，减少了多级间的流道损失，特别是可采用节能效果好的进风导叶片调节风量方式，适宜在大中型污水处理厂中采用。
　　天津市三个污水处理厂的鼓风机选型及主要技术参数见下表

二　风量调节

　　曝气池的需气量是不断变化的，气温也会引起气量的改变，为了节省能量，需要不断改变鼓风机的供气量以适应新的工况，这就是风量调节。鼓风机的风量调节有出口节流调节、进气节流调节、进口导叶片调节(过气预旋调节)和变速调节等方式，它们的主要特点是：
　　1、出口节流调节
　　这是人为加大管网阻力的调节方法，会使整个装置的效率大大下降。
　　2、进气节流调节
　　通过改变进气阀门的开度来改变风机性能曲线达到调节目的。此法比出口节流的经济性好，而且节流后喘振流量向小流量方向移动，使风机可能在更大的流量范围工作，是一种简便常用的调节方法。
　　3、进口导叶片调节
　　这是使气流产生预旋的调节方法，其效率较高，调节范围大，在避免鼓风机喘振、提高风机效率、实现自动控制等方面有明显优越性。但此装置结构复杂，特别是对多级风机来说，如每一级前都采用导叶片，则整个装置太复杂，如只对第一级采用导叶片，效果就不明显，所以此法有一定的局限性，只有在单级高速离心风机中使用效果最佳。
　　4、变速调节
　　是最节能的调节方法，但此法会使设备复杂化，而且造价高，适用于蒸汽轮机、燃气轮机拖动的鼓风机，也可用于小型风机。
　　目前常用的风量调节方法是进口节流、进口导叶片调节和变速调节。东郊污水厂和纪庄子污水厂均采用进口导叶片调节，无缝钢管厂污水处理工程则采用变速调节。通过调节鼓风机风量，可以节省大量电能,降低运行费用。

三　空气过滤

　　为节省能耗、提高氧的利用率，目前污水处理厂曝气池大多采用微孔曝气器。这种曝气头的布气孔径为160μm左右，所以进气必须经过过滤，以免堵塞微孔，一般要求通过的灰尘粒径小于2μm，除尘效率95%以上。
　　目前污水处理厂空气过滤设备的主要型式有静电除尘器和过滤式除尘器。
　　1、静电除尘器
　　利用电场产生的静电力使尘粒从气流中分离。静电除尘器内设置高压电场，在电场作用下，空气中的自由离子向两极移动，当电压升高到一定数值后，会出现空气电离，尘粒向集尘极移动并沉积下来。静电除尘器对粒径1～2μm的尘粒除尘效率可达98～99%，与其它高效过滤器相比，静电除尘器的阻力比较低，但其结构复杂，设备庞大，一次性投资大。
　　2、过滤式除尘器
　　通过滤料(纤维、织物)使尘、气分离。灰尘在过滤器中的分离是依靠筛滤、惯性碰撞、接触阻留、扩散、静电等机理的综合作用，它具有除尘效率高、结构简单、投资省、运行稳定可靠等优点。
　　按空气过滤的效率又可分为
　　初效过滤器　　　对于＞5μm灰尘　　除尘效率70～96%
　　中效过滤器　　　对于＞lμm灰尘　　除尘效率90～96%
　　高效过滤器　　　对于＞1μm灰尘　　除尘效率99%
　　在静电除尘器或袋式过滤器等高效过滤器前应设置低阻力的初效过滤器以去除粗大尘粒，有利于更好地发挥高效过滤器的作用。例如在纪庄子污水处理厂鼓风机房改造工程中，空气过滤就采用了初效过滤和高效过滤两级。
　　初效过滤
　　为减少清洗过滤器的工作量，提高运行管理水平，采用自动卷统式空气过滤器。此过滤器是以化纤卷材为过滤介质，以过滤器前后的压差为传感信号，当滤材积尘到一定程度，过滤器的自控系统自动卷绕更新。过滤效率为：
　　对于＞1μm灰尘　　除尘效率＞7O%
　　对于＞5μm灰尘　　除尘效率＞80%
　　对于＞8μm灰尘　　除尘效率＞96%
　　高效过滤
　　选用袋式过滤器。滤袋采用超细纤维毡及维尼龙粘胶纤维织布构成，具有很高的过滤效率。

四　喘振及防止方法

　　在风机运转过程中，当流量不断减少达到Qmin值时，进入叶栅的气流发生分离，分离区沿着叶轮旋转方向并以比叶轮旋转角速度小的速度移动，这就是旋转脱离，当旋转脱离扩散到整个通道，会使风机出口压力突然大大下降，由于风机总是和管网系统联合工作，这时管网中的压力并不马上减低，于是管网中的气体压力就反大于风机出口处的压力，因而管网中的气体就倒流向风机，一直到管网中的压力下降至低于鼓风机出口压力为止，这时倒流停止，鼓风机又开始向管网供气，将倒流的气体压出去，这又使机内流量减少，压力再次突然下降，管网中的气体又重新倒流至风机内。如此周而复始，在整个系统中产生周期性的低频高振幅的压力脉动及气流振荡现象，并发出很大的声响，机器产生剧烈振动，以至无法工作，这就是喘振。
　　从理论上还不能正确地计算出端振工况点，只能在性能测试时，根据经验来近似判断是否进入喘振工况。
　　1、听测风机出气管道的气流噪音，接近喘振工况时，出气管道中气流发出的噪音时高时低，产生周期性变化，当进入喘振工况时，噪音立即大大剧增，甚至有爆音出现。
　　2、观测风机出口压力和进口流量的变化，正常工作时其出口压力和进口流量变化是不大的，当进入喘振区时，二者的变化都很大。
　　3、观测机体的振动情况，进入喘振区时，机体和轴承都会发生强裂的振动。
　　喘振防止方法：采用出风管放气，在出风管上设一旁通管，一旦风量降低至Qmin旁通管上的阀门自动打开放气，此时进口的容积流量增加，工作点可由喘报区移至稳定工作区，从而消除了进气流量小冲角过大引起失速和发生喘振的可能性。在采用进口导叶片调节风量时，随着工况变化，导叶旋转改变通道面积适应新工况的要求，从而避免气流失速，可有效防止风机喘振。

五　噪声控制

　　鼓风机噪声是非常严重的，噪声的辐射主要通过风机本体，进、出风管和连接风道。据有关资料介绍，国外有的鼓风机房为减小噪音将鼓风机设在地下，而地上式鼓风机房室内设有吸音板，门、窗全部是密封的，其造价很可观。结合我国的实际情况，针对风机机组产生的各种噪声源，采取切实可行的措施，噪声也是可以控制的。通常采取的措施有：消声、隔声、隔振和包覆。
　　1、消声：装设消声器是控制风机噪声的主要途径，消声器是一种阻止声音传播而允许气流通过的装置，可以大大减弱进、出风口辐射出来的噪声。东郊污水厂在进风廊道内两侧整个截面设有若干2米多长的吸音板块，空气从板块间通过，降低了噪声。而纪庄子水厂则在进出风管道上加设消音器。
　　2、隔声和吸声：风机进、出风管加设消声器后，其风机壳体的辐射噪声仍对周围环境有较大的干扰，在条件允许的情况下，可采取隔音措施，设置隔声室，在室内壁及天棚衬贴多孔性吸声材料，以消除机组产生的噪声。
　　3、隔振：振动是噪声的主要起源，风机机组的振动会产生低频噪声。因此，减轻机器的振动是控制噪声的治本办法。为此.风机的外壳材料宜选用铸铁，以增加设备自重与外壳厚度，减小自振。在风机进、出口处设置柔性波纹管减振接头，降低风机振动传递到风道上产生的辐射噪声。对于小型鼓风机可在机组的基础下加设减振器。
　　4、包覆：室外出风管道目前大多数设在地面上，经过几个污水处理厂的实际运行噪声也很大，可将出风管道全部设在地面以下，利用土层吸音或用隔音材料包覆管道。
　　通过综合控制会使整个鼓风系统的噪声减弱，达到规范的要求。

六　风机冷却

　　为改善鼓风机房运行管理环境，在选择鼓风机时需考虑鼓风机的冷却型式。目前常采用的冷却方式有水冷(如纪庄子污水厂)和风冷(如东郊污水厂)，通过运行后发现水冷虽然增加了冷却水系统，但运行环境良好。而风冷的鼓风机，热量直接排至室内，夏季室温可高达4O℃以上。东郊污水厂只好在每台鼓风机上加设通风机及排风管道，影响了机房的环境。因此，在鼓风机选型时最好选择水冷型式。

七　设计举例

　　东郊污水处理厂：规模400000m³/d，鼓风机房总风量110000m³/d，单机风量39000m³/d，4台风机3用1备。工艺流程：空气从百叶窗进入,经空气过滤器、消声器进入鼓风机，升压后供曝气池。
　　设计特点:
　　1、百叶窗、过滤器、消声器均设置在进风廊道内，厂房与空气廊道设计为一体(如图)，这种布置形式结构紧凑，占地面积小,工艺管线短，有利于消声和减小阻力。

　　2、为保证检修鼓风机及更换滤袋时不间断供气，在进风廊道中间部位设有一密封门，将风道分成两部分，正常运行时，中间密封门打开，检修时密封门关闭单侧工作。
　　3、为保证风道结构安全和风机运行曲线正常，在风道两测设减压门，以保证风道内压降小于150mm水柱，因风机进口负压过大，风机运行工况将偏离设计值，高于此值时，减压门自动打开，空气进入降低压差。
　　4、溶解氧与进风导叶片的自动控制
　　在曝气池设置溶解氧探头，测得的溶解氧值输入PLC，经过逻辑运算后，调整进风导叶片的位置，达到节省能耗的目的。其工作程序是：计算机首先确定DO值→逐一调整曝气池的进风阀。使各池的气量协调→算出曝气池的总气量与鼓风机供气量的差值→调节鼓风机的导叶片。鼓风机供气量的调节范围是30%～10O%，如几台鼓风机的导叶片均调至3O%后，供气量仍大于需气量，则关闭一台鼓风机。
　　5、设计所选择的鼓风机带有两套油泵，一由主轴带动,一为辅助油泵。风机起动时，先开辅助油泵，当主轴转动正常后，辅助油泵停机由主油泵洪油，只要主轴转动则供油不停。这种供油方式可避免由于突然停电而造成轴瓦烧坏，保证高速风机安全运行。

参考文献
　　［1］离心式压缩机原理(机械工业出版社1980年9月)
　　［2］透平机械原理(机械工业出版社1981年1月)
　　［3］工业通风(中国建筑工业出版社1985年12月)