寶鋼焦化廢水處理站風機節(jié)能改造工程設計

文_龐翠玲 寶鋼工程技術(shù)集團有限公司

1 概況

寶鋼焦化廢水處理站設計能力為160m3/h，1997年建成投產(chǎn)。生化部分好氧池深11.67m、風機設計氣水比為57:1。曝氣風機采用羅茨風機，出口風量Q=4590m3/h（20℃，1個大氣壓，相對濕度70%，以下稱標準狀態(tài)），采用兩級增壓，出口壓力P=147kPa，配套電機N=220kW(3kV)，正常工況風機2用2備，系統(tǒng)受到?jīng)_擊時風機3用1備。風機已運行14年達到使用年限，目前存在以下問題：

（1）風機性能下降明顯，實際出口風壓為139kPa。

（2）風機螺桿磨損嚴重，設備故障率高，單臺風機年維修費用12萬元。

（3）風機同步齒輪磨損大，影響設備安裝精度，現(xiàn)場噪音大于98dB，滿足不了企業(yè)職業(yè)衛(wèi)生安全生產(chǎn)要求。

（4）風機風量無法根據(jù)生產(chǎn)實際用量實時調(diào)節(jié)，僅通過開停1臺風機的方式對風量進行粗放調(diào)節(jié)，年運行耗電量為433.62×104kW，對合理利用能源不利。

2 改造目標

拆除并更換現(xiàn)有4臺羅茨風機，項目實施后現(xiàn)場工作環(huán)境得到改善，設備穩(wěn)定性增強，設備維修成本降低，設備運行能耗降低。更換后具體指標要求如下：

（1）風機供風量及出口壓力保持不變，標準狀態(tài)下最大供風量Q=13800m3/h，壓力P=147kPa。

（2）風機整機運行效率大于80%，葉輪效率大于90%，年運行耗電量節(jié)約15%～20%。

（3）風機出口最高溫度不得超過環(huán)境溫度60℃。

（4）風機集氣罩外監(jiān)測噪聲不小于等于85dB（采用風機和羅茨鼓風機噪聲測量方法 GB/T2888-91）。

3 工程特點及難點

鼓風曝氣是廢水好氧處理中一個重要環(huán)節(jié)，水深越深，充氧能力越強，氧利用率越高。從理論上講，風機出口風壓越高，水池越深，對于廢水站充氧曝氣越有利，但受流體升壓原理、機械加工精密度及設備性價比的限制，污水處理用風機設計出口壓力小于1個大氣壓(10m水柱)，好氧池水深設計低于10m，在該條件下運行穩(wěn)定性及經(jīng)濟性最好。

寶鋼焦化廢水處理站有好氧池6座，每座長×寬×深=16.00m×16.00m×11.67m（地上5.3m，地下6.37m），有效水深10.67m。此水深相比較國內(nèi)焦化廢水處理站好氧池池深多為7～8m，有效水深6～7m的條件，對風機的要求更高。合理選擇風機的類型，是該節(jié)能改造項目順利實施的難點和關(guān)鍵因素。

4 工程設計

4.1 風機選型

鼓風機按類型可分為：離心式風機、羅茨風機、回轉(zhuǎn)式風機和水環(huán)式風機。污水處理廠多采用離心式風機或者羅茨風機，離心式風機又分為多級離心式風機和單級離心式風機兩大類，根據(jù)不同工況均有實際應用，其特點見表1。

結(jié)合表1中各類風機的優(yōu)缺點，為節(jié)約用地、增加設備穩(wěn)定性、提高效率節(jié)省能耗，本次設計采用單級離心式風機替代羅茨風機的方案。單級離心式風機主要有渦輪傳動式、磁懸浮式、空氣懸浮式三種，各種形式的單級離心風機特點闡述見表2。

經(jīng)表2比較得出，磁懸浮式及空氣懸浮式單級離心風機對小風量低壓力工況運行效果最好，造價低，經(jīng)濟效益最明顯。在出口壓力大于10m的工況下無運行實績，原因在于隨著風量增大，壓力升高，產(chǎn)品成熟型號的變少，設備穩(wěn)定性變差，當配套電機用電量高于200kW時，需要增加高低壓變頻器，導致價格陡升，價格優(yōu)勢不明顯。項目綜合考慮一次性投資、運行穩(wěn)定性等因素，本次改造采用渦輪傳動單級離心式風機（以下用離心式風機）的方案。

4.2 主要設備參數(shù)

曝氣用離心式風機共設計3臺（2用1備），標準狀態(tài)下單臺風量Q=6900m3/h；出口風壓P=147kPa，配套電機N=315kW，電壓3kV，保證系統(tǒng)最大供風能力不變。風機含本體及進口擴壓消聲器、出口柔性接頭、放空消聲器、放空電動閥、出口止回閥、整機隔聲罩、現(xiàn)場控制柜及集中控制柜、專用工具及隨機備品備件。風機吸排氣系統(tǒng)選擇帶進出口導葉，具備進出口導葉連動控制功能。風機配套油路系統(tǒng)及風管的控制及保護。控制采用現(xiàn)場操作，中控室監(jiān)控的控制方式。

離心式風機出口溫度夏季極端氣溫100℃，遠遠高于好氧池實際控制水溫33～35℃，需在每臺風機出口增加空氣換熱器，換熱器處理風量6900m3/h，換熱器進口溫度100℃，出口溫度50℃，設備進口壓力1.47MPa，出口壓力1.40MPa，換熱器用循環(huán)水進行熱交換，單臺換熱器循環(huán)水用量15m3/h，進口溫度33℃，出口溫度45℃，循環(huán)水就近從地下3m管溝中接出。

表1 污水處理廠用風機比較

表2 單級離心式風機比較

表3 流量與軸功率對應表

羅茨風機容積式風機，出風主管徑DN400，風管流速30m/s。改用離心式風機后，若風速過高會導致實際流量－壓力曲線發(fā)生偏移，離心式風機無法在高效區(qū)運行，設備故障率高、能耗高、使用壽命減少。因此需控制風主管流速理想流速8 ～10m/s，保證喘振裕度在100%～110%，需將出口主管徑更換為DN700，管材采用不銹鋼304管，路由不變。從風機出口匯總后爬升經(jīng)過缺氧池頂部達到好氧池后分入各用氣支管。

4.3 工藝布置

風機區(qū)域占地面積312m2，長×寬=26.00m×12.00m。原地拆除4臺羅茨并更換為3臺渦輪傳動單級離心式風機，單臺設備基礎(chǔ)長×寬=5.20m×2.60m，空氣換熱器安裝在出口管道上。為保護設備防止潮濕，頂部加蓋擋雨棚，棚內(nèi)設計5t電動單梁懸掛起重機1臺，跨度8m。

4.4 節(jié)能分析

不同的運行工況，離心式風機在不同流量對應的軸功率見表3。

根據(jù)現(xiàn)場實際運行要求，對標準狀態(tài)運行用電做對比，結(jié)果如下：

（1）極端工況（占全年1/4）風量為13800m3/h時，羅茨風機開3臺，離心式風機開100%，年用電量：

羅茨風機=220×3×24×365=578.16×104kW；

離心式風機=261×2×24×365=457.27×104kW；

（2）正常工況(占全年3/4)風量為9180m3/h時，羅茨風機開2臺，離心式風機開66%，年用電量：

羅茨風機=220×2×24×365=385.44×104kW；

離心式風機=180×2×24×365=315.36×104kW；

（3）年綜合節(jié)約電量=離心式風機用電量-羅茨風機用電量

=[(578.16×0.25)+(385.44×0.75)-(457.27×0.25)-(315.36×0.75)]×104

=[433.62-350.83]×104kW =82.79×104kW綜上所述，采用離心式風機對于節(jié)約用電效果好，年節(jié)約用電可達82.79×104kW，年節(jié)約用電19.09%。按工業(yè)用電單價0.79元計，年節(jié)約費用65.4萬元。

5 工程投資及運行效果分析

5.1 工程投資

該工程總投資1117.68萬元（不含增值稅），其中：設備費為769.07萬元，建筑費為52.62萬元，安裝費69.03萬元，動產(chǎn)類材料費90.10萬元，其他費用133.12萬元，拆除費3.74萬元。

5.2 運行效果分析

設備投入使用后，運行穩(wěn)定，離心式風機整機運行效率達到82%，葉輪效率95%，隔聲罩外1m噪聲82dB，夏季出口溫度為100℃，節(jié)約年用電量19.09%?？傮w指標滿足改造要求。

設備更換前，羅茨風機每年需要大修更換軸承，年維護總費用為36萬元。設備更換后，離心式風機1年僅需更換1次油過濾器濾芯及2次進口空氣過濾器濾芯?？晒?jié)約設備維護費用32萬/a。綜上所述，采用離心式風機替換羅茨風機，實際運行費用可節(jié)約97.4萬元/a。

6 結(jié)語

寶鋼焦化廢水處理站采用渦輪傳動單級離心式風機替換二級增壓羅茨風機有很好的節(jié)能效益，節(jié)約年用電量19.09%，設備噪聲從98dB降低至82dB，具有很好的經(jīng)濟效益及環(huán)境效益。

采用渦輪傳動單級離心式風機用于好氧池池深大于11m，有效水深大于10m的焦化廢水處理站，方案可靠可行，對于同等類型的新建改建擴建項目具有指導意義。