羅茨鼓風機選型中風量和風壓計算方法的探討

1、 羅茨鼓風機選型中風量和風壓計算方法的探討 袁 泉/金科環(huán)保工程有限公司姚 斌/銀川污水處理有限公司摘要：針對污水處理廠羅茨鼓風機在使用狀態(tài)與標準狀態(tài)下，進口溫度、壓力等條件發(fā)生變化時，導致風機的性能也發(fā)生變化這種情況，探討了設計選型時，鼓風機容積流量、出口壓力等的確定方法，結(jié)合工程熱力學原理及羅茨鼓風機的工作原理，推導了流量的計算公式，并通過實際工程中選型設計的計算范例，說明了計算公式的使用方法。關(guān)鍵詞：羅茨鼓風機 設計 選型中圖分類號：TH444 文獻標識碼：B文章編號：1006-8155（2006）06-0023-04Discussion on Calculation Method of

2、 Flow and Pressure in Fan Selection for Roots Blower Abstract: Under the operation and standard condition, the performance of Roots blower in sewage treatment plant is changed with inlet temperature and pressure, aiming at this problem, the method to determine volume flow and outlet pressure of blow

3、er are discussed. Combining with thermodynamics and the operation principle of blower, the calculation formula of flow is derived, and the using method of the calculation formula is explained through example of selection and design in actual engineering. Key words: Roots blower Design Selection1 引言羅

4、茨鼓風機是污水處理工程中常用的充氧設備，在污水廠鼓風機選型時，風機廠家產(chǎn)品樣本上給出的均是標準進氣狀態(tài)下的性能參數(shù)，我國規(guī)定的風機標準進氣狀態(tài):壓力p0=101.3 kPa，溫度T0=20，相對濕度=50%，空氣密度=1.2 kg/m3。然而風機在實際使用中并非標準狀態(tài)，當鼓風機的環(huán)境工況如溫度、大氣壓力以及海拔高度等不同時，風機的性能也將發(fā)生變化，設計選型時就不能直接使用產(chǎn)品樣本上的性能參數(shù)，而需要根據(jù)實際使用狀態(tài)將風機的性能要求，換算成標準進氣狀態(tài)下的風機參數(shù)來選型。2 鼓風機出口壓力的計算2.1 出口壓力的計算方法這里所說的出口壓力為鼓風機標準狀態(tài)和使用狀態(tài)下出口的絕對壓力：p1= p2

5、+p2（1）式中 p1 標準狀態(tài)下風機的出口壓力（絕對壓力），kPap2 使用狀態(tài)下風機進口壓力（環(huán)境大氣壓力），kPap2 使用狀態(tài)下風機的升壓，kPa2.2 出口壓力影響因素的分析羅茨鼓風機1工作過程如圖1所示：在圖1a中，左面為進氣腔，腔內(nèi)壓力與進氣壓力相等；隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)，在圖1b、c、d中，容積V保持不變，V內(nèi)氣體壓力與進氣壓力相等；當運行到圖1e的位置時，V與排氣口相連通，排氣口的高壓氣體迅速回流，與低壓氣體混合，使其壓力由進氣壓力突然躍升到排氣壓力。因此，容積式鼓風機排氣壓力的高低并不取決于風機本身，而是氣體由鼓風機排出后裝置的情況，即所謂“背壓”決定的 2，所以羅茨鼓風機具有強

6、制輸氣的特點。鼓風機銘牌上標出的排氣壓力是風機的額定排氣壓力。實際上，鼓風機可以在低于額定排氣壓力的任意壓力下工作，而且只要強度和排氣溫度允許，也可以超過額定排氣壓力工作。對于污水處理廠而言，排氣系統(tǒng)所產(chǎn)生的絕對壓力（背壓）為管路系統(tǒng)的壓力損失值、曝氣池水深和環(huán)境大氣壓力之和，如圖1所示。若由于某種原因，如曝氣頭或管路堵塞，使管路系統(tǒng)的壓力損失增加，“背壓”也會升高，于是鼓風機的壓力也就相應升高；又若曝氣頭破裂或管路泄漏等原因，管路系統(tǒng)的壓力損失則會減少，“背壓”便不斷降低，鼓風機的壓力也隨之降低。綜上所述，確定羅茨鼓風機壓力時，只需要鼓風機在標準狀態(tài)下所能達到的絕對壓力等于使用狀態(tài)下的大氣壓

7、力、曝氣池水深、管路損失之和。3 鼓風機空氣流量的計算在計算污水處理的需氧量時，其結(jié)果為標準狀態(tài)下所需氧的質(zhì)量流量qm（kg/min），再將其換算成標準狀態(tài)下所需空氣的容積流量qv1（m3/min），如果鼓風機的使用狀態(tài)不是標準狀態(tài)，例如在高原地區(qū)使用，則空氣密度、含濕量會發(fā)生變化，鼓風機所供應的空氣容積流量與標準狀態(tài)是相同的，而所供空氣的質(zhì)量流量將減少，有可能導致供氧量不足。因此，必須計算出能供應相同質(zhì)量流量的容積流量，即換算流量qv2。在高原地區(qū)使用時，環(huán)境大氣壓力也會發(fā)生變化，壓力比相應升高，那么，羅茨鼓風機的泄漏流量qvb則會增大，這將導致鼓風機所供應的空氣容積流量減少，也可能造成供氧

8、量不足。因此，設計時必須考慮使用條件發(fā)生變化時各種因素的影響，以保證風機所供應的實際空氣流量能夠滿足使用要求，并需計算出換算流量qv2和泄漏流量qvb2，其計算方法在流量計算實例中將詳細說明。3.1 換算流量qv2的計算公式設標準狀態(tài)下所需空氣的的容積流量為qv1、進氣溫度為T1、進氣壓力為p1，鼓風機在使用狀態(tài)的進氣溫度為T2、進氣壓力為p2，則換算成使用狀態(tài)下鼓風機的容積流量為（2）式中 下標“1”標準狀態(tài)，下同 下標“2”使用狀態(tài)，下同q2換算為使用狀態(tài)下所需鼓風機的容積流量，換算流量，m3/minT2使用狀態(tài)下的進氣溫度（環(huán)境溫度），Ts=273+Ts，Kp2使用狀態(tài)下的進氣壓力（環(huán)境

9、大氣壓力），kPaq1標準狀態(tài)下所需空氣的容積流量，m3/minT1標準狀態(tài)下的進氣溫度，20，T0=293 Kp1標準狀態(tài)下的進氣壓力，p1=101.33 kPad2使用狀態(tài)下空氣的含濕量，kg水蒸氣/kg干空氣，d空氣的含濕量，kg水蒸氣/kg干空氣相對濕度，其數(shù)值介于0和1之間，%p飽和濕空氣中水蒸氣分壓3，kPa3.2 計算公式的推導鼓風機在環(huán)境大氣中無論是標準狀態(tài)或使用狀態(tài)，輸送的介質(zhì)均為含有水蒸氣的濕空氣，空氣中的水蒸氣的分壓力很低（0.0030.004 MPa），一般處于過熱狀態(tài)，因此，可作為理想氣體計算。設絕對壓力為p(kPa)，絕對溫度為T(K)，則理想氣體狀態(tài)方程式3為 （

10、3）式中 R氣體常數(shù)，J/kgK比容積(單位質(zhì)量物體所占的容積)，m3/kg= qv / qm （4）qv容積流量，m3/minqm質(zhì)量流量，kg/min設標準狀態(tài)下濕空氣的質(zhì)量流量為qm1，干空氣的質(zhì)量流量為qm1，使用狀態(tài)下濕空氣的質(zhì)量流量為qm2，干空氣的質(zhì)量流量為qm2，有：qm1= qm1(1+d1)（5）qm2= qm2 (1+d2)（6）則 （7）（8）將式（7）、（8）分別代入式（4），則（9）（10）在根據(jù)污水處理工藝計算確定需氧量后，無論是在標準狀態(tài)，還是在使用狀態(tài)，均需要鼓風機所輸送的干空氣的質(zhì)量流量是相等的，令qm1= qm2，將式（8）、（9）代入式（2），得（11）

11、經(jīng)計算標準狀態(tài)空氣的含濕量為0.0073，忽略不計，可以將式（11）簡化為3.3 使用狀態(tài)下泄漏流量（qvb2）的計算4（12）4 鼓風機功率的計算使用狀態(tài)下風機的軸功率與標準狀態(tài)下的關(guān)系為5（13）5 鼓風機選型參數(shù)計算舉例寧夏某市，海拔高度1112m，大氣壓力89.05 kPa，最高氣溫35，相對濕度=69%，經(jīng)計算，標準狀態(tài)下污水處理廠需要空氣的容積流量為58 m3/min，曝氣池水深加管路及曝氣器的壓力損失之和為49.05 kPa。針對長沙鼓風機廠的產(chǎn)品，用上述公式進行選型計算，確定應選用的鼓風機在使用狀態(tài)下所需的出口壓力和實際流量qvs2。5.1 出口壓力的計算p1= p2+p2 =

12、 89.05 + 49.05 = 138.10 kPa則所選用鼓風機在標準狀態(tài)下的升壓為p1 = 138.10 101.33 = 36.77 kPa5.2 實際流量qvs1的確定5.2.1 計算換算流量qv2首先計算出使用狀態(tài)下空氣的含濕量那么所應選用的羅茨鼓風機的換算流量為初選ARE-190鼓風機，標準狀態(tài)下實際流量qv1=38.30 m3/min的風機2臺，所選風機的性能見表1。表1 鼓風機選型計算表項目轉(zhuǎn)速n/(r/min)理論流量qvTh/(m3/min)風機出口絕對壓力p/kPa升壓p/kPa實際流量qvs /(m3/min)泄漏流量qvb/(m3/min)軸功率Pa/kW配套電機功

13、率Po/kW標準狀態(tài)125045.80138.1039.20(p)38.30(qv1)7.50(Qb1)34.00(Pa1)45(Po1)使用狀態(tài)125045.80138.1049.05(p 2)36.33(qv2)9.47(Qb2)45.35(Pa2)45(Po2)5.2.2 計算使用狀態(tài)下的泄漏流量（qb2）則風機在使用狀態(tài)的實際流量將變?yōu)閝vs2 = qvTh - qvb2 = 45.809.47 = 36.33 m3/min5.2.3 計算使用狀態(tài)下的軸功率（Pa2）5.2.4 鼓風機選型參數(shù)的確定設計選型時，應選用標準狀態(tài)下的實際流量為38.30 m3/min、升壓為39.20 kP

14、a、配套電機功率為45kW的羅茨鼓風機2臺才能滿足實際使用狀態(tài)的供氧量要求。6 鼓風機供氣流量的變化規(guī)律對于同一臺鼓風機，在冬季和夏季，其容積流量是不會發(fā)生變化的，但因空氣密度的不同質(zhì)量流量會發(fā)生變化，也就是說供氧量會有所不同。由式（8）可知，風機所輸送至曝氣系統(tǒng)的干空氣的質(zhì)量流量為qm2 （14）用FOR表示鼓風機輸送至曝氣池的供氧量，則（15）式中 EA 空氣擴散裝置的氧轉(zhuǎn)移率，%式（15）說明，羅茨鼓風機在標準狀態(tài)與使用狀態(tài)下的容積流量是不變的，但因為空氣密度（）、含濕量（ds）等發(fā)生了變化，導致鼓風機輸送至曝氣池的供氧量（FOR）在冬季溫度降低時增加、夏季溫度升高時降低。例如，某一污水

15、處理廠，選用上述計算例題中的羅茨鼓風機，根據(jù)環(huán)境溫度變化，采用式（15）計算出鼓風機的實際供氧量（FOR），其一年的變化規(guī)律見圖2。在實際運行過程中，由于進水量、水質(zhì)、水溫、MLSS等參數(shù)的變化，系統(tǒng)需氧量（SOR）也會發(fā)生變化，見圖2。從圖2中看出，在夏季，水溫較高，曝氣池需氧量(SOR)增大，但鼓風機的供氧量(FOR)在減少，這是設計時考慮需氧量的最不利工況點，此時，供氧量、需氧量基本相當；在冬季，水溫降低，曝氣池需氧量(SOR)減少，但鼓風機的供氧量(FOR)增大，此時，供氧量較需氧量大出許多。這是由于冬季氣溫降低，空氣密度增加，那么風機所供給的干空氣的質(zhì)量流量較標準狀態(tài)大幅度增加，從而引起供氧量增加，從運行的實際測量情況來看，每年冬季曝氣池的溶解氧較夏季會高出13mg/L。因此，在生產(chǎn)運行過程中，需要針對這種變化對設備進行及時的調(diào)整，使鼓風機的充氧能力與實際運行中的需氧量相適應。對于羅茨鼓風機來說，使用變頻器，通過改變風機轉(zhuǎn)速來調(diào)整供風量是很經(jīng)濟實用的。7 結(jié)論綜上所述，同一臺鼓風機在不同的使用條件下，其性能的變化非常大，所以必須通過嚴謹?shù)挠嬎氵M行選型，通過式（1）確定壓力，通過式（2）和式（12）確定實際流量，通過式（13）確定功率，否則有可能導致生化系統(tǒng)的供氧不足；另外，在