摘要：随着污水处理量的增长，污水处理行业中对离心风机的需求日益增加。本文针对罗茨风机与离心风机的性能及其结构特点进行了分析，结果表明：当流量大于100m3/min时，罗茨风机的效率较低，功率消耗明显大于离心风机，这对于节能减排是十分不利的；当流量增大超过400m3/min时，罗茨风机功率消耗不仅大于离心风机的功耗，其单位流量的投资成本也较离心风机有较大程度的增加，这就大大加大了大中型污水处理企业的投资成本。最后，本文以GRB-300罗茨风机为例，以流量和压力为目标，重新设计获得了单级离心风机，并从经济性的角度考察了在大流量条件下离心风机替代罗茨风机的可行性。
关键词：污水处理 罗茨风机 离心风机 节能减排
1、前言
随着我国城市化进程的加快及工农业的快速发展，城市污水排放量逐年上升，如图1所示的2000-2009年城市污水排放量统计，到2009年我国的城市污水排放量已接近600亿吨。城市污水排放量的增长对污水处理行业带来了压力和挑战，要求污水处理量日益增加，但目前我国的城市污水处理率偏低，与世界一些发达国家相比还存在很大的差距，如图2所示。由此可见，大力发展污水处理行业已刻不容缓。“十一五”期间我国污水处理厂数量年均增长8%，截止2010年9月底，全国建成2630座城镇污水处理厂，日污水处理能力达到1.22亿立方米，“十二五”期间国家将加大投资扩大污水处理规模，污水处理能力将攀上新的高峰。已经投入运营的北京高碑店污水处理厂规模100×104m3/d，类似的许多大型污水处理厂仍在建设当中。
传统的罗茨风机由于其效率低、噪音大已难以满足发展要求，大流量工况下性能优良的离心风机受到人们的青睐。刘胜[1]分析认为离心风机在大流量工况下性价比优于罗茨风机；党彬等人[2]通过在实际应用中发现离心风机具有很好的效率而且能耗低，可以广泛应用于污水处理行业；郭庆英等人[3]对镇江征润州污水处理厂的罗茨风机及离心风机经济性进行比较，发现离心风机一次性投资大，但运行费用低，适合于大中型污水处理厂的发展；赵红星[4]建议罗茨风机由于其效率低、噪音大供气不均匀等原因，应该在污水处理行业中被淘汰；母瑞林等人[5]对国内外污水处理行业曝气系统中的风机的运行进行分析后认为离心风机的设计生产技术已能够达到工艺要求，其性能远优于罗茨风机；段立文等[6]对污水处理中的罗茨风机和离心风机进行了分析，发现大中型污水处理厂更适合采用离心风机来进行鼓风曝气。工程人员主要研究了离心风机在污水处理企业的应用状况，而从设计计算角度来验证离心风机替代罗茨风机的可行性的研究比较少，本文针对某罗茨风机的性能参数，设计获得了具有相同设计参数的单级离心风机，通过比较罗茨风机和单级离心风机的特点及在相同设计流量下的运行状况，考察了离心风机替代罗茨风机的可行性。分析认为在大型污水处理行业中应积极采用离心风机，达到节能减排的目的。
2、离心风机工作原理及其优点
2.1 离心风机工作原理
离心风机属于风机的一种，常有单级与多级之分。风机工作时通过叶轮高速旋转带动气体运动，把机械能转换为气体的动能与压力能，且通过扩压作用使大部分动能转为压力能从而获得较高的压力，进出口的压差又会使源源不断的气体流进流出风机，以达到压缩气体的目的。
2.2 离心风机的优点
相对于罗茨风机，离心风机因具有较高的效率、运行成本较低而广泛应用于大中型污水处理厂，其优点集中表现在：
（1）单级转速高，大流量时体积小，占地面积小；
（2）满负荷工作时效率高，三元流动理论设计的叶轮效率可达82%；
（3）流量调节范围宽，可实现污水处理的变流量工况；
（4）多级离心风机转速较低，运行平稳可靠，寿命长；
（5）易于采用全风冷式设计；
（6）操作维护方便，不需要专业培训人员进行操作，减少后期成本。
3、罗茨风机工作原理及其特点
3.1 罗茨风机工作原理
罗茨风机是一种典型的双转子旋转的容积式机械，其转子由叶轮与轴组合而成，由原动机通过一对同步齿轮驱动，作方向相反的等速旋转运动。当转子旋转时会产生挤压作用，从而使得气体周期性均匀进出气缸达到输送气体的目的。输送的风量与转速成比例关系，受压力变化的影响程度不大，所以对于一定转速的风机其流量比较固定，对于需要不断调整流量来达到工艺要求的一些领域，罗茨风机显示出其不足之处，添加相应设备会添加成本，不利于推广应用。
3.2 罗茨风机的特点
罗茨风机具有如下优点：
（1）具有强制输气的特征，在转速一定时，流量也一定；
（2）无往复运动部件和气阀，易损件少，使用寿命较长；
（3）进气比较均匀，不必设置储气罐；
（4）叶轮之间有间隙，运转时不需要润滑油，可保证气体不含油；
（5）机械效率较高。
但罗茨风机也存在以下缺点：
（1）无内压缩过程，绝热效率较低；
（2）存有间隙会使得气体泄漏；
（3）气流脉动和机械震动的存在使得罗茨风机的噪声较大。
我们知道罗茨风机的进气流量与转速成比例，当进气温度在-18℃变化到38℃时对罗茨风机的流量影响较小，这样即使在气候温度变化时也可以保证污水处理厂每天能有效处理相对固定的污水量。除此之外，罗茨风机的制造成本比较低，同时三叶转子的应用一定程度上降低了罗茨风机的噪声，因此目前还有比较多的罗茨风机应用于中小型污水处理厂。
4、罗茨风机与离心风机的比较
目前，国内污水处理厂还较多的使用罗茨风机进行鼓风曝气，虽其成本低，但效率低、噪音大且在大流量工况下不具有竞争优势。国外在污水处理系统中已较多地采用离心风机替代罗茨风机，获得了良好的效果。从图3可以看出离心风机的市场占有率远远高于罗茨风机。
图4所示为罗茨风机、单级和多级离心风机的功耗随流量变化的情况。从图可以看出：三者消耗的功率均随流量的增大而增大，当流量达到100m3/min时，罗茨风机消耗的功率明显大于多级离心风机和单级离心风机，这对于污水处理量大于100m3/min且采用罗茨风机的污水处理厂而言，无疑是增大了企业的运行成本。
图5所示为罗茨风机、单级和多级离心风机的单位流量成本随流量的变化情况。由图知，在小流量条件下罗茨风机的单位流量的投资成本相比离心风机具有一定的经济优势；但随着流量的不断增大，当大于400m3/min时，其单位流量的投资成本大幅度攀升，远大于多级离心风机和单级离心风机，这显然不利于那些应用罗茨风机进行鼓风曝气的大中型污水处理厂的运营。
5、算例分析
本文以罗茨风机的性能参数为目标进行单级离心风机设计。离心风机的设计方法主要有效率法、流道法和模化法，其中流道法需要完整的元件试验数据，模化法需以试验获得高效率模型级为基础，而当前的研究主要以理论为主，不具备上述两种方法所要求的条件，因此本设计采用效率法进行设计计算。效率法就是根据已有的设计经验预先给定离心风机的多变效率，并根据经验数据对主要几何参数、气动参数和各元件的型式进行选取，从而得到各部件的结构尺寸。对于离心风机而言，需要设计的主要结构部件有叶轮、扩压器和蜗壳，而叶轮是离心风机的主要做功部件，其性能的优劣对离心风机的影响较大，应给予高度重视。叶轮的热力计算要求分别算出叶轮进口和出口的温度、压力和密度等参数，由于受篇幅的限制，这里仅对叶轮进口的热力参数计算进行阐述。
5.1 叶轮进口热力计算
在离心风机一维热力学设计过程中，根据效率法，首先选定离心风机的多变效率和叶轮转速N，计算获得叶轮出口直径，并根据经验公式分别确定轮缘直径、轮毂直径以及叶轮进口外径。叶轮进口截面面-叶轮进口速度；-叶片数；-叶片前缘厚度；-进口阻塞系数；-叶轮进口密度；-环境温度；-环境压力；-进口静压；-定压比热容；-绝热指数；-气体常数；-进口静温。
由公式（4）-（8）可分别计算出叶轮进口阻塞系数、叶轮进口速度、叶轮进口静温、静压和密度。若与的差值满足精度要求则迭代完成，进而算出温度和压力的数据。
以上为对叶轮进口热力计算的相关阐述，详细计算可参考相关文献[8][9]。
5.2 离心风机计算结果
通过设计计算离心风机在达到指定性能要求的情况下，消耗的功率比罗茨风机低51.48kW，且效率也增大了20%左右。
表1给出了罗茨风机和离心风机在相同流量和风压下功率消耗的对比情况。从表中可知，在获得相同的流量和风压条件下，罗茨风机消耗功率280kW，离心风机为220kW，离心风机消耗的功率比罗茨风机小60kW。
表2给出了罗茨风机和离心风机的运行费用比较，风机的运行按照每天运行24小时，年运行365天计算。根据计算：罗茨风机运行一年耗电量为2452800kw·h，离心风机为1927200kw·h，按照工业用电每度0.8元计算，罗茨风机运行成本为196.224万元，离心风机154.176万元。相比罗茨风机，离心风机每年可节省电量525600kw·h，节省电费42.048万元，从经济性角度验证了离心风机替代罗茨风机是可行的。
6、结语
本文通过对罗茨风机与离心风机进行比较，获得的主要结论如下：
（1）我国在2000-2009年期间的污水排放量成上升趋势，但污水处理率远不及其他发达国家，污水处理曝气用离心风机具有广阔的市场前景。
（2）罗茨风机和离心风机适用的流量条件不同，但随着大型污水处理厂的投入使用，离心风机替代目前现有的罗茨风机成为发展趋势。
（3）通过将设计获得的离心风机与现有的GRB-300罗茨风机进行性能比较，发现离心风机的效率较罗茨风机要高出20%左右。这样，在相同运行条件下，采用离心风机相对于罗茨风机的年运行节约用电525600度，仅电费一项一年就可以节省42.048万元。
参考文献
[1]刘胜.浅析鼓风曝气工艺中的风机选型[J].科技风，2009（11）.
[2]党彬，姚殳，万维光.GM55L型鼓风机在污水处理中的应用[J].石油化工设备，2006，35（3）：58-59.
[3]郭庆英，申菶，徐宝祥.CAST工艺中的鼓风机选型问题[J].中国给水排水，2004，20（6）：62-63.
[4]赵红星.单级高速离心式鼓风机在污水处理工艺中的应用探讨[C].全国污水处理技术研讨会，2009．
[5]母瑞林，唐也平，姜国栋.污水处理用曝气鼓风机的发展趋势[J].风机技术，2002（4）：47-50.
[6]段立文，黄志雄.浅析污水处理处理厂风机选型[J].环境技术，2005（1）：46-48.
[7]GRB三叶罗茨鼓风机，上海川源机械工程有限公司.
[8]徐忠.离心压缩机原理[M].陕西西安：西安交通大学出版社，1996.
[9]商景泰.通风机实用技术手册[M].第二版.北京：机械工业出版社，2011.
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