污水处理磁悬浮鼓风机的应用

醉清风

一、磁悬浮鼓风机简介及特点

1.  磁悬浮鼓风机简介

    磁悬浮离心鼓风机（magnetic levitation blower）是采用磁悬浮轴承的透平设备的一种。其主要结构是鼓风机叶轮直接安装在点击轴延伸端上，而转子被垂直悬浮于主动式磁性轴承控制器上。不需要增速器及联轴器，实现由高速电机直接驱动，由变频器来调速的单机高速离心鼓风机。该类风机采用一体化设计，其高速电机、变频器、磁性轴承控制系统和配有微处理器控制盘等均采用一体设计和集成。其核心是磁悬浮轴承和永磁电机技术。结构示意图如下

    （1）节能高效：采用磁悬浮轴承，无接触损失和机械损失，实现了高转速无极变转速调节，使得风机运行效率可高达84.5%。

    （2）噪音低，安装方便：由于采用整体箱式结构，风机噪音在80dB以下，机体震动极小，无需做安装基础。

    （3）系统集成性高：进口过滤器、冷却系统、全自动防喘震系统、停电和故障保护系统等，用户无需采购其它部件。实时显示的中文触摸屏，为操作工人带来方便及减少操作事故的发生。

    （4）冷却效率高：冷却系统采用风冷和水冷结合的方式，能够有效保护电机，可实现风机的随时启停。

    （5）远程控制：采用了 PLC+GPRS。不但可由中心控制室控制，若风机出现故障，还可以实施远程维修调试。

二、磁悬浮鼓风机主要生产企业及同类产品对比

1.  国外主要制造企业

    （1）德国Piller Power Systems GmbH公司：主要生产用于下列领域的风机：通用设备制造、化学工业工业焚烧炉、电站/钢铁工业、排蒸汽压缩机、石化工业、污水处理工业、标准产品系列等。

    （2）芬兰艾伯斯集团(简称ABS)：  ABS集团是全球污水解决方案供应商，能够提供泵、搅拌器、搅拌机、曝气系统、鼓风机、控制和监视系统以及服务等完整的水处理设备的业务组合。ABS 的 HST 高速磁悬浮离心鼓风机是其曝气鼓风机，主要用于污水处理厂和工业低压工艺。性能范围：流量700-10,000m³/h；升压范围：  40-125 kPa；

    （3）日本川崎：川崎HST高速磁悬浮离心鼓风机由上海清泰公司代理。其高速磁悬浮鼓风机有：2500、6000、9000三个系列；性能范围：流量：800-10600 m³/h；升压范围：40-130 kPa； 。

2.  国内主要制造企业

    南京磁谷科技有限公司，是南京市和江苏省民营科技型企业，获得过省市和国家的产学研创新项目支持。该公司依托南京航空航天大学磁悬浮应用技术研究所的科研力量与863计划的科研成果，主要从事磁悬浮轴承技术的研究、开发、应用、推广及其产业化。主要产品有磁悬浮轴承技术的相关设备、试验仪器。2009年，南京磁谷自主研发的国内首台磁悬浮离心鼓风机在污水处理厂成功连续运行。其主要参数见下表

3.  相关参数对比

    现有的磁悬浮鼓风机入口流量均小于180 m³/min； 主要应用于小城镇污水处理的曝气鼓风机。实际上，当前市场上主流的曝气鼓风机有：罗茨鼓风机、低速多级离心鼓风机、单级高速离心鼓风机、空气悬浮离心鼓风机、磁悬浮离心鼓风机五大类，市场竞争激烈。以下对各类曝气鼓风机的主要项目进行比较：

以 HV-TURBO 为代表的单级高速离心鼓风机在污水处理行业取得了设计院和市政管理部门的认可，是前曝气鼓风机的主流产品，同时随着 GD、SPENCER国外先进的多级离心鼓风机在国内市场认可度的逐步提高也将会增加市场竞争程度，同时，变频调节技术的推广和应用也将提高该类产品竞争力。空气悬浮离心鼓风机自 2002 年进入我国市场，现已有100余台套业绩，在并逐步取得市场认可。磁悬浮离心鼓风机自2004年进入国内市场，业绩不超过20台套。因此，磁悬浮离心鼓风机仍需要进一步得到市场检验和认可。

三、磁悬浮轴承透平应用的现状1.  电磁悬浮轴承产生的背景

    随着现代工业的发展，对旋转机械提出了各种越来越苛刻的性能要求。特别在能源化工机械中，要求转子的旋转速度和精度越来越高、转子和定子之间的间隙越小越好以追求更高的运行效率。而对另一些工作在极端高温或低温环境下的军工、航空航天  领域的旋转机械来说，除了要求能够承受严酷的环境考验之外，对于支承的可控性、安全及可靠性的考虑往往是第一位的。能够同时满足上述要求，可投入实际工程应用的支承技术根据当前研究首推主动磁悬浮轴承。

2.  磁悬浮轴承的基本原理

    磁悬浮轴承从原理上可分为两种，一种是主动磁悬浮轴承（  active  magnetic bearing ） ，简称  AMB ；另一种是被动磁悬浮轴承（  passive magnetic bearing  ） ，简称  PMB ，工业应用主要采用前者。主动磁悬浮轴承其结构原理见下图。

磁悬浮轴承系统主要由被悬浮物体、传感器、控制器和执行器四大部分组成 ,中执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。电磁铁绕组上的电流为  I ， 它对被悬浮物体产生的吸力和被悬浮物体本身的重力相平衡，被悬浮物体处于悬浮的平衡位置，这个位置也称为参考位置。假设在参考位置上，被悬浮物体受到一个向下的扰动，它就会偏离其参考位置向下运动，此时传感器检测出被悬浮物体偏离其参考位置的位移，控制器将这一位移信号变换成控制信号，功率放大器使流过电磁绕组上的电流变大，因此，电磁铁的吸力也变大，从而驱动被悬浮物体返回到原来的平衡位置。如果被悬浮物体受到一个向上的扰动并向上运动，此时控制器和功率放大器使流过电磁铁绕组上的电流变小，因此，电磁铁的吸力也变小，被悬浮物体也能返回到原来的平衡位置。

磁悬浮轴承

3.  国内外发展情况

    （1）国外现状

    西方国家已有十几家电磁悬浮轴承的研发制造公司，瑞士的MECOS公司、加拿大的REVOLVE公司、法国的S2M公司、德国的LEViTEC公司、芬兰的High Speed公司、俄罗斯的 OKBM、美国的 NASA、Waukesha 公司和日本的精工等。已有几十家公司在生产与电磁悬浮轴承有关的产品，并且这些公司都有产品向中国市场应用，在磁悬浮轴承技术领域，国外的领先公司主要有S2M公司和瑞士的Mecos公司。  S2M公司的电磁悬浮轴承在压缩机领域内电驱动装置的重要性日益增强， 用于天然气处理的各个阶段的透平机均可使用电磁悬浮轴承，包括：用于天然气处理的透平膨胀机；用于天然气输送的压缩机；用于天然气储存的压缩机；用于发电的透平机；用于乙烯生产的膨胀透平机等。  对于透平机械运转的速度、负荷、温度无油的实现，电磁悬浮轴承是解决办法之一。S2M公司已经在250多台大型透平机械上安装了电磁悬浮轴承。该公司已被SKF公司收购。  Mecos 公司是世界数字控制主动磁轴承的一流供应商，具有17 年的磁轴承设计历史。其产品主要包括：透平鼓风机，透平增压泵、透平发电机、透平分子泵上的主动磁悬浮轴承。

    （2）国内现状

     国内对电磁悬浮轴承的研究工作起步较晚落后国外约 20 年。电磁悬浮轴承的相关研究一直在清华大学，西安交通大学，南京航空航天大学，上海大学等高校开展，并在理论分析方面取得了许多研究成果，但工业应用目前较少。 南京航空航天大学是目前国内电磁悬浮轴承研究领域中的取得研究成果较多的

高校，研究方向主要集中在高温磁轴承上，从事过航空发动机、钻床电主轴和无轴承电机、医药工业中高速离心机（非全悬浮）的研究。磁谷公司就是依托南京航空航天大学的研究成果而进行了磁悬浮离心鼓风机的研制开发工作，并与 2009 年试制成功。 清华大学也是我国最早从事磁轴承研究的单位之一。主要从事工业应用型电磁轴承的研究。该校的磁悬浮轴承已在 10MW 高温气冷堆氦气透平发电项目中应用。该透平压缩机的工作转速为15000r/min,功率为2500kW。浙江飞旋科技有限公司就是以清华大学核能与新能源技术研究院为技术后盾，在国内率先研发成功了一种适用于集成电路装备应用的5自由度控制分子泵磁轴承。 西安交通大学轴承研究所从 1985 年开始从事磁悬浮技术的研究，主要进行工业应用型磁力轴承的研究。西安交通大学的科研人员认为，在电磁悬浮轴承的技术上没有实质性的困难。

四、永磁电机

1.  永磁测量装置同步电机的工作原理

    同步发电机为了实现能量的转换，需要有一个直流磁场。而产生这个磁场的直流电流，称为发电机的励磁电流。根据励磁电流的供给方式，凡是从其它电源获得励磁电流的发电机，称为他励发电机，从发电机本身获得励磁电源的，则称为自励发电机。

  2.  发电机获得励磁电流的几种方式 　

　1、直流发电机供电的励磁方式：这种励磁方式的发电机具有专用的直流发电机，这种专用的直流发电机称为直流励磁机，励磁机一般与发电机同轴，发电机的励磁绕组通过装在大轴上的滑环及固定电刷从励磁机获得直流电流。这种励磁方式具有励磁电流独立，工作比较可靠和减少自用电消耗量等优点，是过去几十年间发电机主要励磁方式，具有较成熟的运行经验。缺点是励磁调节速度较慢，维护工作量大，故在10MW以上的机组中很少采用。

　　2、交流励磁机供电的励磁方式，现代大容量发电机有的采用交流励磁机提供励磁电流。交流励磁机也装在发电机大轴上，它输出的交流电流经整流后供给发电机转子励磁，此时，发电机的励磁方式属他励磁方式，又由于采用静止的整流装置，故又称为他励静止励磁，交流副励磁机提供励磁电流。交流副励磁机可以是永磁测量装置机或是具有自励恒压装置的交流发电机。为了提高励磁调节速度，交流励磁机通常采用100——200HZ的中频发电机，而交流副励磁机则采用400——500HZ的中频发电机。这种发电机的直流励磁绕组和三相交流绕组都绕在定子槽内，转子只有齿与槽而没有绕组，像个齿轮，因此，它没有电刷，滑环等转动接触部件，具有工作可靠，结构简单，制造工艺方便等优点。缺点是噪音较大，交流电势的谐波分量也较大。

　　3、无励磁机的励磁方式： 　　在励磁方式中不设置专门的励磁机，而从发电机本身取得励磁电源，经整流后再供给发电机本身励磁，称自励式静止励磁。自励式静止励磁可分为自并励和自复励两种方式。自并励方式它通过接在发电机出口的整流变压器取得励磁电流，经整流后供给发电机励磁，这种 　　励磁方式具有结简单，设备少，投资省和维护工作量少等优点。自复励磁方式除设有整流变压外，还设有串联在发电机定子回路的大功率电流互感器。这种互感器的作用是在发生短路时，给发电机提供较大的励磁电流，以弥补整流变压器输出的不足。这种励磁方式具有两种励磁电源，通过整流变压器获得的电压电源和通过串联变压器获得的电流源。

3.  发电机与励磁电流的有关特性

　  1、电压的调节

  自动调节励磁系统可以看成为一个以电压为被调量的负反馈控制系统。无功负荷电流是造成发电机端电压下降的主要原因，当励磁电流不变时，发电机的端电压将随无功电流的增大而降低。但是为了满足用户对电能质量的要求，发电机的端电压应基本保持不变，实现这一要求的办法是随无功电流的变化调节发电机的励磁电流。

　　2、无功功率的调节：

　　发电机与系统并联运行时，可以认为是与无限大容量电源的母线运行，要改变发电机励磁电流，感应电势和定子电流也跟着变化，此时发电机的无功电流也跟着变化。当发电机与无限大容量系统并联运行时，为了改变发电机的无功功率，必须调节发电机的励磁电流。此时改变的发电机励磁电流并不是通常所说的“调压”，而是只是改变了送入系统的无功功率。

　　3、无功负荷的分配：

　　并联运行的发电机根据各自的额定容量，按比例进行无功电流的分配。大容量发电机应负担较多无功负荷，而容量较小的则负提供较少的无功负荷。为了实现无功负荷能自动分配，可以通过自动高压调节的励磁装置，改变发电机励磁电流维持其端电压不变，还可对发电机电压调节特性的倾斜度进行调整，以实现并联运行发电机无功负荷的合理分配。