羅茨鼓風(fēng)機(jī)選型中風(fēng)量和風(fēng)壓計(jì)算方法的探討

1、 羅茨鼓風(fēng)機(jī)選型中風(fēng)量和風(fēng)壓計(jì)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(fēng)機(jī)在使用狀態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，進(jìn)口溫度、壓力等條件發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的性能也發(fā)生變化這種情況，探討了設(shè)計(jì)選型時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)容積流量、出口壓力等的確定方法，結(jié)合工程熱力學(xué)原理及羅茨鼓風(fēng)機(jī)的工作原理，推導(dǎo)了流量的計(jì)算公式，并通過實(shí)際工程中選型設(shè)計(jì)的計(jì)算范例，說明了計(jì)算公式的使用方法。關(guān)鍵詞：羅茨鼓風(fēng)機(jī) 設(shè)計(jì) 選型中圖分類號：TH444 文獻(xiàn)標(biāo)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(fēng)機(jī)是污水處理工程中常用的充氧設(shè)備，在污水廠鼓風(fēng)機(jī)選型時(shí)，風(fēng)機(jī)廠家產(chǎn)品樣本上給出的均是標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)氣狀態(tài)下的性能參數(shù)，我國規(guī)定的風(fēng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(fēng)機(jī)在實(shí)際使用中并非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)的環(huán)境工況如溫度、大氣壓力以及海拔高度等不同時(shí)，風(fēng)機(jī)的性能也將發(fā)生變化，設(shè)計(jì)選型時(shí)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(shí)際使用狀態(tài)將風(fēng)機(jī)的性能要求，換算成標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)氣狀態(tài)下的風(fēng)機(jī)參數(shù)來選型。2 鼓風(fēng)機(jī)出口壓力的計(jì)算2.1 出口壓力的計(jì)算方法這里所說的出口壓力為鼓風(fēng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下風(fēng)機(jī)的出口壓力（絕對壓力），kPap2 使用狀態(tài)下風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力（環(huán)境大氣壓力），kPap2 使用狀態(tài)下風(fēng)機(jī)的升壓，kPa2.2 出口壓力影響因素的分析羅茨鼓風(fēng)機(jī)1工作過程如圖1所示：在圖1a中，左面為進(jìn)氣腔，腔內(nèi)壓力與進(jìn)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(jìn)氣壓力相等；當(dāng)運(yùn)行到圖1e的位置時(shí)，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(jìn)氣壓力突然躍升到排氣壓力。因此，容積式鼓風(fēng)機(jī)排氣壓力的高低并不取決于風(fēng)機(jī)本身，而是氣體由鼓風(fēng)機(jī)排出后裝置的情況，即所謂“背壓”決定的 2，所以羅茨鼓風(fēng)機(jī)具有強(qiáng)

6、制輸氣的特點(diǎn)。鼓風(fēng)機(jī)銘牌上標(biāo)出的排氣壓力是風(fēng)機(jī)的額定排氣壓力。實(shí)際上，鼓風(fēng)機(jī)可以在低于額定排氣壓力的任意壓力下工作，而且只要強(qiáng)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(fēng)機(jī)的壓力也就相應(yīng)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(fēng)機(jī)的壓力也隨之降低。綜上所述，確定羅茨鼓風(fēng)機(jī)壓力時(shí)，只需要鼓風(fēng)機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下所能達(dá)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(fēng)機(jī)空氣流量的計(jì)算在計(jì)算污水處理的需氧量時(shí)，其結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下所需氧的質(zhì)量流量qm（kg/min），再將其換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下所需空氣的容積流量qv1（m3/min），如果鼓風(fēng)機(jī)的使用狀態(tài)不是標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)機(jī)所供應(yīng)的空氣容積流量與標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)致供氧量不足。因此，必須計(jì)算出能供應(yīng)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(shí)，環(huán)境大氣壓力也會發(fā)生變化，壓力比相應(yīng)升高，那么，羅茨鼓風(fēng)機(jī)的泄漏流量qvb則會增大，這將導(dǎo)致鼓風(fēng)機(jī)所供應(yīng)的空氣容積流量減少，也可能造成供氧

8、量不足。因此，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮使用條件發(fā)生變化時(shí)各種因素的影響，以保證風(fēng)機(jī)所供應(yīng)的實(shí)際空氣流量能夠滿足使用要求，并需計(jì)算出換算流量qv2和泄漏流量qvb2，其計(jì)算方法在流量計(jì)算實(shí)例中將詳細(xì)說明。3.1 換算流量qv2的計(jì)算公式設(shè)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下所需空氣的的容積流量為qv1、進(jìn)氣溫度為T1、進(jìn)氣壓力為p1，鼓風(fēng)機(jī)在使用狀態(tài)的進(jìn)氣溫度為T2、進(jìn)氣壓力為p2，則換算成使用狀態(tài)下鼓風(fēng)機(jī)的容積流量為（2）式中 下標(biāo)“1”標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，下同 下標(biāo)“2”使用狀態(tài)，下同q2換算為使用狀態(tài)下所需鼓風(fēng)機(jī)的容積流量，換算流量，m3/minT2使用狀態(tài)下的進(jìn)氣溫度（環(huán)境溫度），Ts=273+Ts，Kp2使用狀態(tài)下的進(jìn)氣壓力（環(huán)境

9、大氣壓力），kPaq1標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下所需空氣的容積流量，m3/minT1標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的進(jìn)氣溫度，20，T0=293 Kp1標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的進(jìn)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(jì)算公式的推導(dǎo)鼓風(fēng)機(jī)在環(huán)境大氣中無論是標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算。設(shè)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(shè)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算確定需氧量后，無論是在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，還是在使用狀態(tài)，均需要鼓風(fēng)機(jī)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(jì)算標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)空氣的含濕量為0.0073，忽略不計(jì)，可以將式（11）簡化為3.3 使用狀態(tài)下泄漏流量（qvb2）的計(jì)算4（12）4 鼓風(fēng)機(jī)功率的計(jì)算使用狀態(tài)下風(fēng)機(jī)的軸功率與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的關(guān)系為5（13）5 鼓風(fēng)機(jī)選型參數(shù)計(jì)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(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)機(jī)廠的產(chǎn)品，用上述公式進(jìn)行選型計(jì)算，確定應(yīng)選用的鼓風(fēng)機(jī)在使用狀態(tài)下所需的出口壓力和實(shí)際流量qvs2。5.1 出口壓力的計(jì)算p1= p2+p2 =

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

13、率Po/kW標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算使用狀態(tài)下的泄漏流量（qb2）則風(fēng)機(jī)在使用狀態(tài)的實(shí)際流量將變?yōu)閝vs2 = qvTh - qvb2 = 45.809.47 = 36.33 m3/min5.2.3 計(jì)算使用狀態(tài)下的軸功率（Pa2）5.2.4 鼓風(fēng)機(jī)選型參數(shù)的確定設(shè)計(jì)選型時(shí)，應(yīng)選用標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的實(shí)際流量為38.30 m3/min、升壓為39.20 kP

14、a、配套電機(jī)功率為45kW的羅茨鼓風(fēng)機(jī)2臺才能滿足實(shí)際使用狀態(tài)的供氧量要求。6 鼓風(fēng)機(jī)供氣流量的變化規(guī)律對于同一臺鼓風(fēng)機(jī)，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(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)輸送至曝氣池的供氧量，則（15）式中 EA 空氣擴(kuò)散裝置的氧轉(zhuǎn)移率，%式（15）說明，羅茨鼓風(fēng)機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)與使用狀態(tài)下的容積流量是不變的，但因?yàn)榭諝饷芏龋ǎ?、含濕量（ds）等發(fā)生了變化，導(dǎo)致鼓風(fēng)機(jī)輸送至曝氣池的供氧量（FOR）在冬季溫度降低時(shí)增加、夏季溫度升高時(shí)降低。例如，某一污水

15、處理廠，選用上述計(jì)算例題中的羅茨鼓風(fēng)機(jī)，根據(jù)環(huán)境溫度變化，采用式（15）計(jì)算出鼓風(fēng)機(jī)的實(shí)際供氧量（FOR），其一年的變化規(guī)律見圖2。在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于進(jìn)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(fēng)機(jī)的供氧量(FOR)在減少，這是設(shè)計(jì)時(shí)考慮需氧量的最不利工況點(diǎn)，此時(shí)，供氧量、需氧量基本相當(dāng)；在冬季，水溫降低，曝氣池需氧量(SOR)減少，但鼓風(fēng)機(jī)的供氧量(FOR)增大，此時(shí)，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(fēng)機(jī)所供給的干空氣的質(zhì)量流量較標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)大幅度增加，從而引起供氧量增加，從運(yùn)行的實(shí)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(yùn)行過程中，需要針對這種變化對設(shè)備進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整，使鼓風(fēng)機(jī)的充氧能力與實(shí)際運(yùn)行中的需氧量相適應(yīng)。對于羅茨鼓風(fēng)機(jī)來說，使用變頻器，通過改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)整供風(fēng)量是很經(jīng)濟(jì)實(shí)用的。7 結(jié)論綜上所述，同一臺鼓風(fēng)機(jī)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(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算進(jìn)行選型，通過式（1）確定壓力，通過式（2）和式（12）確定實(shí)際流量，通過式（13）確定功率，否則有可能導(dǎo)致生化系統(tǒng)的供氧不足；另外，在