1 引言
眾所周知，污水處理廠中的鼓風(fēng)設(shè)備耗能約占污水處理廠總能耗的55%，是水廠的節(jié)能降耗的關(guān)鍵所在。近幾年來，具有調(diào)速功能的空氣懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)在國外應(yīng)用非常普遍，國內(nèi)應(yīng)用也逐漸增加。福州、青島、沈陽、營口、西安、四川、鄭州、保定等省市的污水處理廠，尤其是采用sbr工藝的污水處理廠設(shè)計中都選用了空氣懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)。該風(fēng)機(jī)同其它類型風(fēng)機(jī)相比，不僅具有重量輕、體積小的優(yōu)點，在控制方面具有先進(jìn)性和可靠性，節(jié)能效益顯著。

2 空氣懸浮鼓風(fēng)機(jī)工作原理
2.1 壓縮機(jī)原理
壓縮機(jī)/鼓風(fēng)機(jī)的壓力部分是由、葉輪以及卷軸構(gòu)成?？諝庋刂~輪的曲面從軸方向流入，加速后順著半徑方向流出后通過擴(kuò)散器依照斷面的變化進(jìn)行膨脹，使速度減慢，壓力增加。
2.2 軸功率和效率
鼓風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)是通過可逆絕熱壓縮過程壓縮空氣。如果啟動流體是空氣的話，軸功率可通過以下公式表示。
w=n&c_p×(t-t_ref)
=n&c_p×t_ref×(t_r-1)
=

t:出口空氣的溫度[k];
t_ref：進(jìn)口空氣的溫度（一般293.15k，20℃）。
t_r≡t/t_ref
c_p：比熱，空氣的情況下1.004;
n&：質(zhì)量流量[kg/s];
p_r(t_r≡p/p_ref):壓縮比;
p_ref：進(jìn)口壓力（一般1bar）；
p：出口壓力[bar];
γ：空氣的情況下1.4。
整理上面公式，效率(η)可以通過以下公式表示：

2.3 喘振現(xiàn)象
一般的風(fēng)機(jī)是在維持一定的運轉(zhuǎn)數(shù)的情況下，隨著吐出口抵抗的上升，吐出壓力也上升，同時流量反而減少。但是吐出口下流的壓力超過一定程度后，就會發(fā)生逆流現(xiàn)象，同時也會出現(xiàn)壓力和流量降低的想象。
在這領(lǐng)域附近運轉(zhuǎn)的話，會出現(xiàn)兩個相對同一壓力的流量點，并且壓力和流量反復(fù)發(fā)生在其間隔內(nèi)。在管路內(nèi)發(fā)生周期性壓力和流量的振動，無法進(jìn)行正常運轉(zhuǎn)，甚至?xí)?yán)重?fù)p壞裝備。
由于空氣懸浮鼓風(fēng)機(jī)已事先設(shè)定了喘振點，在使用過程中如果接近喘振點，鼓風(fēng)機(jī)會自動停止。
2.4 空氣懸浮鼓風(fēng)機(jī)的性能曲線分析
圖1是tb300hp型鼓風(fēng)機(jī)的性能曲線圖。橫軸表示體積流量，縱軸表示壓力（壓縮比或儀表壓力）。在下圖的性能曲線圖上明顯地表示出按照運轉(zhuǎn)條件（回轉(zhuǎn)數(shù)）、流量和壓力的關(guān)系，軸動力、喘振領(lǐng)域、最大輸出界限領(lǐng)域等的情報。

圖1 tb300hp曲線圖

上圖的工況運轉(zhuǎn)點,流量161m³/min,壓力是8000mmaq。如果確定了使用流量和壓力，那么這時可以得出鼓風(fēng)機(jī)的回轉(zhuǎn)數(shù)和消耗功率等的性能曲線圖。鼓風(fēng)機(jī)的動作領(lǐng)域是右邊的喘振界限與最大電流線是左邊的最大回轉(zhuǎn)數(shù)以下的領(lǐng)域。

3 空氣懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)的技術(shù)特性
空氣懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)因為是由半永久性的空氣軸承和效率高達(dá)95%-97%的高速馬達(dá)構(gòu)成，所以與羅茨鼓風(fēng)機(jī)相比，可以節(jié)電30%以上。
3.1 空氣懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)的構(gòu)造與特征
空氣懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)主要是由電動機(jī)、調(diào)速器、控制器和其它外部設(shè)備構(gòu)成。其主要特征為：
● 以3維空氣力學(xué)原理為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計，所以熱力學(xué)的效率非常突出;
● 使用空氣軸承，沒有機(jī)械之間的摩擦損失;
● 利用電動機(jī)/調(diào)速器的組合，按照負(fù)荷可以調(diào)整消費電力;
● 不需要維修工作，只需更換空氣過濾器就可以?？梢园胗谰檬褂?
● 沒有機(jī)械之間的接觸，高音領(lǐng)域上只存在75-80db-@1m以下的噪音;
● 沒有振動，不需要防振工作;
● 沒有潤滑系統(tǒng)，可以提供沒有油成分的潔凈的空氣;
● 構(gòu)造簡單，小型化-輕量化，移動和安裝都很方便;
● 通過安裝微處理器和lan可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動控制。
3.2 污水處理廠使用的各種鼓風(fēng)機(jī)比較
離心鼓風(fēng)機(jī)是速度型壓縮機(jī)，與容積式鼓風(fēng)機(jī)相比較具有供氣量大、運行平穩(wěn)、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、噪音低、占地面積小、重量小、使用年限長、維修量小、殼體內(nèi)不需潤滑、氣體不會被油污染等優(yōu)點，離心鼓風(fēng)機(jī)又分為單級高速和多級低速風(fēng)機(jī)。單級高速風(fēng)機(jī)以提高轉(zhuǎn)速達(dá)到所需風(fēng)壓，較多級低速風(fēng)機(jī)流道短，減少了多級間的流道損失，特別是易于調(diào)節(jié)風(fēng)量。羅茨風(fēng)機(jī)屬于容積式風(fēng)機(jī)，在壓力變化的情況下風(fēng)量可以保持穩(wěn)定，而普通的離心風(fēng)機(jī)運行中往往不能滿足工藝中風(fēng)壓與風(fēng)量同時變化的要求，所以在工藝應(yīng)用的前期往往采用效率較低的羅茨風(fēng)機(jī)。
普通的離心風(fēng)機(jī)在定速運轉(zhuǎn)的情況下風(fēng)壓的變化會引起風(fēng)量的大幅度變化，在sbr工藝運行中往往不能實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的運行。近年來，變頻技術(shù)的發(fā)展，特別是直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的使用使離心風(fēng)機(jī)能更好地適應(yīng)sbr工藝。
以下是幾種離心風(fēng)機(jī)在sbr工藝的調(diào)節(jié)方式比較:
（1）多級離心風(fēng)機(jī)
其調(diào)節(jié)方式是交流電機(jī)+變頻器調(diào)節(jié)。
在sbr工藝自控的實現(xiàn)上，接受來自縱觀壓力計的壓力信號，主控制盤控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)數(shù)量并發(fā)送指令給就地控制盤調(diào)節(jié)變頻器系統(tǒng)以實現(xiàn)對總需氧量的調(diào)節(jié)并維持當(dāng)時設(shè)定的總管路壓力恒定。
在plc程序要求上，需根據(jù)工藝要求，分階段設(shè)置運行的壓力，對plc的容量要求較多，增加sbr自控系統(tǒng)的復(fù)雜程度及控制難度。
從節(jié)能方面看，其通過階段壓力的設(shè)定可以實現(xiàn)，交流電機(jī)在低負(fù)荷時電機(jī)效率大幅度降低。
變頻啟動，不需要軟啟動柜。
其特點是交流變頻調(diào)速對風(fēng)機(jī)壓力影響大，所以調(diào)節(jié)范圍有一定的局限。在sbr工藝中使用，工藝參數(shù)的變化可能與風(fēng)機(jī)參數(shù)變化不吻合，這時將因遷就風(fēng)機(jī)的性能而提高了系統(tǒng)的能耗?？刂葡到y(tǒng)復(fù)雜，可靠性不高。
（2）單級離心風(fēng)機(jī)
通過導(dǎo)葉調(diào)節(jié)。因采用增速齒輪箱，使用變頻調(diào)機(jī)將大大縮短風(fēng)機(jī)壽命，控制難度大，廠家一般不推薦使用。
在sbr工藝自控的實現(xiàn)上，只能在保證出口壓力不變的條件下，用污水中溶解氧含量為主調(diào)節(jié)參數(shù)，來調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)口導(dǎo)葉角度和出口有葉擴(kuò)壓器，改變調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)的出口流量。
其plc程序通過主控制盤調(diào)節(jié)運行。
在壓力不變得情況下，節(jié)能不顯著。
需要軟啟動柜。
其特點是調(diào)節(jié)方式成熟，但不能與sbr工藝很好的吻合。能耗高。
（3）空氣懸浮離心風(fēng)機(jī)
由直流電機(jī)控制調(diào)速系統(tǒng)。
在sbr工藝自控的實現(xiàn)上，通過溶解氧檢測儀測得的含氧量信號，反饋到主控制盤，主控制盤自動調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的運行數(shù)量、風(fēng)量、壓力。
風(fēng)機(jī)內(nèi)部集成pid調(diào)節(jié)系統(tǒng)，對plc要求最低，小型污水廠可實現(xiàn)無plc風(fēng)機(jī)按溶解氧信號自動運行。
從節(jié)能角度看，其具有如下表現(xiàn)：其一是非常節(jié)能，可以根據(jù)系統(tǒng)需要的壓力、風(fēng)量，由風(fēng)機(jī)內(nèi)部集成的高精度壓力傳感器與pid調(diào)節(jié)系統(tǒng)共同作用，通過模糊控制的方式，使風(fēng)機(jī)運行在最經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)。其二是直流電機(jī)在低負(fù)荷時電機(jī)效率保持不變。
調(diào)速啟動，不需要軟啟動柜。
其特點是直流調(diào)速系統(tǒng)可以保證風(fēng)機(jī)在其工作范圍內(nèi)自由的調(diào)節(jié)，sbr工藝需要的任何工作點，該風(fēng)機(jī)都能滿足，使運行最節(jié)能?？刂葡到y(tǒng)簡單，可靠性高。

4 空氣懸浮鼓風(fēng)機(jī)的控制
空氣懸浮鼓風(fēng)機(jī)一般作為污水處理廠生化系統(tǒng)的氣源、工業(yè)方面的氣體輸送及分體輸送設(shè)備的空氣供給源，也可以使用在其他領(lǐng)域。空氣懸浮鼓風(fēng)機(jī)都可以滿足各種系統(tǒng)的要求?？諝鈶腋」娘L(fēng)機(jī)電氣一次系統(tǒng)圖與普通電機(jī)電氣一次系統(tǒng)圖相似，只是電機(jī)為直流電機(jī)，調(diào)速系統(tǒng)為直流（見圖2）。為了一目了然地了解鼓風(fēng)機(jī)的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，采用了圖表lcd顯示。隨時可以看到傳感器提供的情報及性能數(shù)據(jù)等等。利用啟動及停止按鈕使操作更為簡便。鼓風(fēng)機(jī)的運轉(zhuǎn)是通過lan（local area network）通訊，可以使鼓風(fēng)機(jī)lan控制，又可以在現(xiàn)場通過lcd顯示裝置使鼓風(fēng)機(jī)就地控制（local）。還可以通過接點使鼓風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程（remote）控制。

圖2 空氣懸浮鼓風(fēng)機(jī)電氣一次系統(tǒng)圖

4.1 lcp現(xiàn)場就地控制
lcp為現(xiàn)場監(jiān)視控制屏，有l(wèi)cd操作顯示面板。
包括有顯示界面、環(huán)境設(shè)置按鈕、啟動按鈕（包含準(zhǔn)備指示燈）、停止按鈕（包含報警指示燈）、負(fù)荷/無負(fù)荷轉(zhuǎn)換按鈕（包含運轉(zhuǎn)狀態(tài)指示燈）。
在lcp上可實現(xiàn)現(xiàn)場控制（包括調(diào)速）及顯示。
4.2 遠(yuǎn)程控制
空氣懸浮離心鼓風(fēng)機(jī)采用接點信號及模擬信號可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。
4.3 mcp控制
在營口污水處理項目中，mcp主控制屏專門用于自動監(jiān)控四臺 kturbo鼓風(fēng)機(jī)的運行。mcp主控制器為了連接外部設(shè)備，由plc組成，見圖3（空氣懸浮風(fēng)機(jī)二次控制原理圖）。

圖3 空氣懸浮風(fēng)機(jī)二次控制原理圖

mcp主控制器有如下信號:
（1）中心控制室接口
輸出mcp狀態(tài)情報（準(zhǔn)備/故障/動作/運轉(zhuǎn)狀態(tài)）
輸出鼓風(fēng)機(jī)狀態(tài)情報（鼓風(fēng)機(jī)n#運轉(zhuǎn)及故障狀態(tài)）
輸入運轉(zhuǎn)命令（啟動/停止，解除故障，輸入運轉(zhuǎn)設(shè)定值）
通信（ethernet）
（2）鼓風(fēng)機(jī)接口
輸入鼓風(fēng)機(jī)狀態(tài)情報（運轉(zhuǎn)準(zhǔn)備/運轉(zhuǎn)中/故障狀態(tài)）
鼓風(fēng)機(jī)運轉(zhuǎn)命令（運轉(zhuǎn)開始/整備，負(fù)荷/無負(fù)荷，設(shè)定運轉(zhuǎn)）
輸入鼓風(fēng)機(jī)動作狀態(tài)（運轉(zhuǎn)現(xiàn)在值—供給空氣量）
通信（ethernet）
4.4 mcp運轉(zhuǎn)方式
（1）總流量設(shè)定方式
把總流量適當(dāng)分配到每臺鼓風(fēng)機(jī)的運轉(zhuǎn)方式，采用開環(huán)控制。即mcp按照每臺鼓風(fēng)機(jī)的最大、最小值適當(dāng)?shù)胤峙淞髁俊?BR>（2）do（溶解氧）含量自動控制方式
為了保持從溶解氧傳感器測定的值，自動控制空氣量的方式，采用閉環(huán)反饋控制。

5 結(jié)束語
《電機(jī)學(xué)》及《自動控制系統(tǒng)》等書中均講到，直流調(diào)速起步的時間很早，技術(shù)成熟，由于新工藝（如利用波音公司技術(shù)）、新材料的出現(xiàn)，確實改變了以前直流電動機(jī)比交流電動機(jī)難維護(hù)的狀況。直流調(diào)速原理較交流調(diào)速簡單，調(diào)速器和鼓風(fēng)機(jī)一體化。在控制方面使用的技術(shù)及器件，確實比我們幾年里應(yīng)用交流調(diào)速的鼓風(fēng)機(jī)或利用角型電動執(zhí)行其調(diào)出口風(fēng)門的鼓風(fēng)機(jī)簡單得多，也先進(jìn)得多。誠然，國內(nèi)一直重視交流調(diào)速技術(shù)，但是和方興未艾的交流調(diào)速技術(shù)一樣，直流調(diào)速技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展并沒有削弱，在國外一直很受重視。八十年代我們也用過直流調(diào)速的電動計量泵(鞍山供水項目)，十幾年過去了，其運行依然穩(wěn)定、可靠，精度高。
在幾個污水項目中設(shè)計并選用了空氣懸浮鼓風(fēng)機(jī)，經(jīng)過幾年運行的實踐證明，確實有顯著的優(yōu)點和節(jié)能效益，并且具有體積小、重量輕，控制先進(jìn)、可靠、簡單的特點。在這里做主要介紹，為的是和同行們共同學(xué)習(xí)，相信隨著我們對這種鼓風(fēng)機(jī)的了解和認(rèn)識進(jìn)一步全面、深入，空氣懸浮鼓風(fēng)機(jī)會在污水處理廠得到進(jìn)一步的廣泛應(yīng)用，并且會發(fā)揮出更大的作用。