磁懸浮風(fēng)機在水廠預(yù)處理工藝中的應(yīng)用與研究

徐 豪， 陳 燚， 顧 琳， 丁悅玥

(無錫市水務(wù)集團有限公司， 江蘇 無錫 214031)

為深入推進降碳減排，助力實現(xiàn)“碳達峰”“碳中和”目標(biāo)，N水源廠從自身實際情況出發(fā)積極開展節(jié)能降耗工作。如圖1所示，該水源廠采用預(yù)臭氧-生物接觸氧化工藝處理后將原水輸送到凈水廠，其中生物接觸氧化池配備了羅茨風(fēng)機向池內(nèi)均勻曝氣，已經(jīng)運行十余年。該羅茨風(fēng)機能耗較高，且設(shè)備老化嚴(yán)重，維護成本日益增長。

圖1 N水源廠工藝流程

磁懸浮離心風(fēng)機作為近年興起的新設(shè)備，由磁懸浮軸承、高效離心葉輪、高速永磁同步電機、專用變頻器四部分構(gòu)成，相對傳統(tǒng)羅茨風(fēng)機和離心風(fēng)機節(jié)能降耗效果明顯，且安裝簡單、維護方便[1-2]。目前磁懸浮風(fēng)機已運用在污水處理、水泥生產(chǎn)、造紙、印染、石油、化工等行業(yè)，而其在自來水廠鮮少使用。N水源廠拆除了1臺原有羅茨風(fēng)機，更換為磁懸浮風(fēng)機并跟蹤其使用情況和節(jié)能降耗效果，以期為其他水廠更換風(fēng)機提供數(shù)據(jù)支撐。

1 羅茨風(fēng)機和磁懸浮風(fēng)機

1.1 羅茨風(fēng)機

N水源廠共有4座生物接觸氧化池，池底布置鴨嘴型曝氣頭，內(nèi)置直徑50 mm、相對密度0.95的聚丙烯懸浮球。該池由羅茨風(fēng)機經(jīng)4根總管8根分管24 h連續(xù)向池內(nèi)均勻曝氣。羅茨風(fēng)機型號為BK10027，風(fēng)量為101 m3/min(50 Hz)。近年來正常使用2臺羅茨風(fēng)機，單臺實際風(fēng)量80 m3/min(40 Hz)，2臺總功率約為210 kW。一年耗費電量約184×104kW·h，且風(fēng)機房用電量逐年增加約2%，2017—2021年風(fēng)機房千噸水平均電耗約為11.38 kW·h。

單臺羅茨風(fēng)機工作時所產(chǎn)生的噪聲約為85～90 dB，兩臺同時工作所產(chǎn)生噪聲約為100～110 dB。根據(jù)《工業(yè)企業(yè)噪聲控制設(shè)計規(guī)范》(GB/T 50087—2013)，長時間在生產(chǎn)車間工作時，其噪聲不得高于85 dB。風(fēng)機房溫度高(在夏季最高時能達到50℃)，長時間在內(nèi)工作易對工人產(chǎn)生職業(yè)病危害。

此外，羅茨風(fēng)機使用4年后開始出現(xiàn)軸承及主軸磨損問題。截止目前，90%的風(fēng)機更換了軸承，平均每臺風(fēng)機更換軸承約1.9次。軸承每次返廠維修需多名員工進行拆卸與組裝，且羅茨風(fēng)機每半年就需更換齒輪油與機油，維護費時費力。

1.2 磁懸浮風(fēng)機

磁懸浮風(fēng)機啟動時通過可控電磁力對內(nèi)部轉(zhuǎn)動的軸承先懸浮后旋轉(zhuǎn)，磁懸浮軸承與葉輪無摩擦，葉輪與轉(zhuǎn)子直聯(lián)。空氣在高速旋轉(zhuǎn)的葉輪帶動下產(chǎn)生動能、壓力勢能，部分動能在擴壓器和蝸殼流道中轉(zhuǎn)化為壓力勢能，經(jīng)過排氣管輸入管網(wǎng)。克服了“傳統(tǒng)低速電機+齒輪箱或皮帶傳動系統(tǒng)”的能耗高、噪音大、振動大、故障多等不足，磁懸浮風(fēng)機具有無接觸磨損、高轉(zhuǎn)速運行等特點[3]。經(jīng)過綜合考察，按照2臺羅茨風(fēng)機運行風(fēng)量(160 m3/min)，最終選定1臺YG200型磁懸浮風(fēng)機，其性能參數(shù)見表1。

表1 YG200型磁懸浮風(fēng)機性能參數(shù)

2 羅茨風(fēng)機與磁懸浮風(fēng)機的對比

2.1 性能曲線對比

羅茨風(fēng)機額定風(fēng)量為101 m3/min(50 Hz)。為防止低頻下的羅茨風(fēng)機喘振，試驗測試區(qū)間為35～50 Hz(風(fēng)量為70～101 m3/min)。如圖2所示，羅茨風(fēng)機風(fēng)量、功率隨頻率增大而升高，且風(fēng)量和功率的差值隨頻率基本無變化。

磁懸浮風(fēng)機采用高速永磁同步電機，葉輪高速旋轉(zhuǎn)，最高能達到17 000 r/min。該風(fēng)機風(fēng)量可調(diào)范圍為50%～100%，超過此范圍風(fēng)機將進入喘振區(qū)和低壓危險區(qū)。因此試驗測驗區(qū)間為232～282 Hz(風(fēng)量為80～170 m3/min)，磁懸浮風(fēng)機的頻率均在200 Hz以上，是羅茨風(fēng)機的5～7倍。如圖2所示，磁懸浮風(fēng)機的風(fēng)量、功率隨頻率增大而升高，且風(fēng)量和功率的差值也同步加大，說明風(fēng)量越大，耗電量增幅越小。

圖2 風(fēng)機性能曲線

2.2 能效對比

實際運行中，2臺羅茨風(fēng)機或1臺磁懸浮風(fēng)機的風(fēng)量供給4個生物池，考慮到羅茨風(fēng)機和磁懸浮風(fēng)機的原理不同，采用運行效率這一參數(shù)進行比較[4]：

運行效率=流量×壓升/功率

(1)

從圖3可以看出，磁懸浮風(fēng)機效率隨風(fēng)量增大而增大，風(fēng)量為80 m3/min時的效率最低，150～170 m3/min時的效率基本穩(wěn)定，處于高效區(qū)，風(fēng)量每增加10 m3/min，功率增加9.6 kW。另外，磁懸浮風(fēng)壓變化區(qū)間為46.1～47.9 kPa，變化幅度為1.8 kPa，風(fēng)壓穩(wěn)定使氣流能夠平穩(wěn)地輸送到生物池。

圖3 羅茨風(fēng)機與磁懸浮風(fēng)機運行效率對比

羅茨風(fēng)機效率隨風(fēng)量增大而減小，風(fēng)量為70 m3/min的效率最高，因為羅茨風(fēng)機風(fēng)量每增加10 m3/min，功率增加16.6 kW。說明羅茨風(fēng)機增大風(fēng)量比磁懸浮風(fēng)機更費電。

磁懸浮風(fēng)機運行效率(75%～81%)高于羅茨風(fēng)機(55%～61%)。在實際運行的160 m3/min風(fēng)量時，1臺磁懸浮風(fēng)機的運行效率高于2臺羅茨風(fēng)機約22%，意味著做同樣的功磁懸浮更省電。磁懸浮風(fēng)機高效率運行區(qū)域也較為寬廣(100～170 m3/min)，能有效降低企業(yè)運行成本。

2.3 用電成本

磁懸浮風(fēng)機投資價格約為羅茨風(fēng)機的4倍。當(dāng)風(fēng)量為100 m3/min時，1臺羅茨風(fēng)機(50 Hz)風(fēng)量約等于1臺磁懸浮風(fēng)機(243 Hz)風(fēng)量，其功率分別為140和100 kW，說明磁懸浮風(fēng)機更省電，能耗降低約28.57%。

實際運行中，開啟2臺羅茨風(fēng)機(40 Hz)風(fēng)量約等于1臺磁懸浮風(fēng)機(282 Hz)風(fēng)量(160 m3/min)，如表2所示。

表2 磁懸浮風(fēng)機與羅茨風(fēng)機運行成本對比

通過電能表測定，2臺羅茨風(fēng)機功率為210 kW，磁懸浮風(fēng)機功率約為167 kW。更換磁懸浮風(fēng)機后能耗降低約20.48%。千噸水電耗為8.62 kW·h，一年可省電量約37.67×104kW·h。按照0.6元/(kW·h)電價計算，一年節(jié)省電費約22.6萬元。通過節(jié)約電費，4～5年即可收回投資成本。

2.4 維護成本

由于磁懸浮風(fēng)機的磁懸浮軸承與葉輪無摩擦、無需潤滑，無磨損、軸承無需更換。在日常維護管理過程中，工作人員只需定期更換空氣過濾器即可達到良好的維護保養(yǎng)效果?？諝膺^濾器安裝在磁懸浮風(fēng)機的進氣室、冷卻室、電控室前。進氣室過濾標(biāo)準(zhǔn)為F6(粒徑大于1 μm，效率50%～80%)，電控室和冷卻室進氣標(biāo)準(zhǔn)為G4(粒徑大于5 μm，效率70%～90%)，每年濾芯費用約為1.1萬元，如表3所示。而羅茨風(fēng)機每年需2次更換齒輪油與機油，現(xiàn)階段約需每3年更換軸承1次，折合每年費用約為1.2萬元，且需對其進行拆卸及裝機工作，耗時耗力。磁懸浮風(fēng)機減少了傳統(tǒng)風(fēng)機設(shè)備所必需的油性軸承系統(tǒng)的使用，無需潤滑油、無機械保養(yǎng)，維護方便、費用略低。

表3 磁懸浮風(fēng)機與羅茨風(fēng)機維護成本對比

2.5 噪聲

通過實際測量，單臺磁懸浮風(fēng)機正常運行時所產(chǎn)生的噪聲約為75 dB，但在剛開機時，由于氣流從放空閥排出，流速較高，噪音能達到95～100 dB，因此開機操作時需注意噪聲防護。而同工況下2臺羅茨風(fēng)機所產(chǎn)生噪聲將超過100 dB[5]，更換為磁懸浮風(fēng)機后工作環(huán)境明顯優(yōu)化。

2.6 生物接觸氧化池進出水水質(zhì)

更換為磁懸浮風(fēng)機后，同時期的生物接觸氧化池進出水的COD、氨氮、溶解氧的變化幅度在2%以內(nèi)，說明風(fēng)機更換對進出水氨氮、COD、溶解氧等指標(biāo)的影響不大。

3 安裝調(diào)試建議

磁懸浮風(fēng)機的質(zhì)量和體積較小，在安裝作業(yè)期間不需要任何大型起吊設(shè)備，僅需行車即可完成。新機到廠安裝時，機柜內(nèi)部可能會有殘存的灰塵碎屑、包裝垃圾，存在一定的安全隱患，需要及時清理。開機檢查時應(yīng)對所有管路與電子元件進行檢測，如溫控傳感器、壓力傳感器、冷卻系統(tǒng)等，以免出現(xiàn)設(shè)備運行故障。磁懸浮風(fēng)機的放空管宜延伸至風(fēng)機房外，以減少開機噪音影響。建議日后在雷雨等強對流天氣時加強設(shè)備巡檢，定期安排工程師對設(shè)備進行維護，加強廠區(qū)人員對磁懸浮風(fēng)機的使用及突發(fā)情況培訓(xùn)。

4 結(jié) 論

N水源廠將原有羅茨風(fēng)機更換為磁懸浮風(fēng)機，磁懸浮風(fēng)機運行效率(75%～81%)高于羅茨風(fēng)機(55%～61%)，且高效率運行區(qū)域(100～170 m3/min)較為寬廣。更換磁懸浮風(fēng)機后前期投資高，但實際運行中能耗降低約20.48%，一年可省電量約37.67×104kW·h，通過節(jié)約電費4～5年即可收回投資成本。日常維護無需潤滑油、無機械保養(yǎng)，維護方便。噪聲(75 dB)污染減弱，工作環(huán)境得到改善。在國家節(jié)能降碳的方針政策指導(dǎo)下，高效節(jié)能的磁懸浮風(fēng)機將成為自來水廠及污水處理廠的設(shè)備選擇趨勢。