空氣懸浮鼓風機
在頻繁啟停工況下的實際應用
作者：馬文龍
職位：售前技術工程師
日期：2024年3月1日
摘要：
金士頓空氣懸浮鼓風機作為一種新型的鼓風設備，具有高效、節能、低噪音、長壽命等優點，在多個領域得到了廣泛應用。在針對精確曝氣工藝的污水過程中，鼓風機常常需要面對頻繁啟停的工況，這對其性能和穩定性提出了挑戰。本文通過對金士頓空氣懸浮鼓風機在頻繁啟停工況下的實際應用進行研究，分析其性能表現和適用性，以期為工程師和決策者提供參考。
關鍵詞：空氣懸浮鼓風機；頻繁啟停；實際應用；性能表現；能效評估。
一、金士頓空氣懸浮鼓風機的工作原理及技術描述
1.1工作原理概述：
金士頓空氣懸浮鼓風機采用空氣懸浮軸承技術，已經自主研發并應用到第三代箔片式動壓空氣軸承，利用高速旋轉產生的空氣壓力實現無接觸的懸浮。其主要組成部分包括高速永磁同步電機、空氣懸浮軸承、高精航空級葉輪、智能控制策略等。通過中高頻變頻器閉環控制調整電機轉速，實現對風量和風壓的精確控制。
傳統鼓風機是容積式或通過齒輪加速方式使用的，它需要齒輪，軸承和潤滑系統，且機械摩擦產生有極大的能量耗損，機房地面污染,噪音等問題。空氣懸浮離心鼓風機解決了這些問題，它有4大核心技術：空氣軸承，高速永磁電機、精準變頻控制系統，航空鋁AL7075材料加表面耐磨抗腐蝕涂層技術的高精度葉輪。
金士頓空氣懸浮離心鼓風機，不需要齒輪箱增速器及聯軸器，由高速電機直接驅動，電機由變頻器來調速。鼓風機葉輪直接與電機結合，因為無物理接觸和無需潤滑油系統，所以空氣懸浮離心鼓風機具有高效，節能，低噪音，運行可靠和長期無需維修保養的特點。
空氣懸浮離心鼓風機采用一體化緊湊型設計。葉輪，高速電機，變頻器，空氣軸承及PLC控制系統集于一體，提高了安裝，操作的便利性。大大節省了能源和日常維護費用，提供了清潔的作業環境。具有技術先進，性能可靠，結構簡單，體積小，節約能源，維護方便等特點。
1.2風機技術描述
1、產品優勢
傳統鼓風機是容積式或通過齒輪加速方式使用的，它需要齒輪，軸承和潤滑系統，且機械摩擦產生有極大的能量耗損，機房地面污染,噪音等問題。懸浮離心鼓風機解決了這些問題，它有4大核心技術：空氣軸承，高速永磁電機及變頻系統，鋁合金AL7075（航空鋁材）精密制造的高精度葉輪。
ZCJSD空氣懸浮離心鼓風機，不需要齒輪箱增速器及聯軸器，由高速電機直接驅動，電機采用變頻器來進行調速驅動。鼓風機離心葉輪與電機直連結合，因為沒有物理接觸和無需潤滑油系統，所以空氣懸浮離心鼓風機具有高效，節能，低噪音，運行可靠和長期無需維修保養的特點。
空氣懸浮離心鼓風機采用一體化緊湊型設計。葉輪，高速電機，變頻器，空氣軸承及其控制系統配有CPU微處理器的控制面板集于一體，提高了安裝，操作的便利性。為客戶大大節省能源和日常維護費用，提供清潔的作業環境。所以具有技術先進，性能可靠，結構簡單，體積小，節約能源，維護方便等特點。
（1）節能高效
空氣懸浮離心鼓風機使用了動壓空氣軸承，直聯技術，高效葉輪，高速永磁電機，無額外的摩擦。風機根據輸出的（風量最大可調范圍50-100%）自動調整電機功率的消耗，保持設備運行的高效率。
（2）無振動，低噪音
采用空氣軸承及直聯技術，無振動產生，風機不需要另外設置隔音裝置；設備重量輕，不需設置特別基礎，安裝布置簡單靈活。
（3）無潤滑油
風機采用了空氣懸浮軸承技術，系統不需要潤滑油系統，油性軸承系統的所有弊端已成功解決。
(4）無保養
沒有傳統風機所必需齒輪箱及油性軸承，我們所采用葉輪與電機直接連接，通過智能控制系統，保證了設備無需保養，降低了用戶的維護成本。
（5）運轉控制便利
可在個人PC及上位系統中對風機轉數，壓力，溫度，流量等進行自檢并定壓運轉，負荷/無負荷運轉，超負荷控制，通過防喘振控制等實現無人操作。風機通過調整葉輪的轉數調節流量。根據吸入空氣的溫度和壓力變化，調整轉數可以輕易的調節流量。可以自動和手動調整流量。
（6）設備安裝空間小
ZCJSD空氣懸浮鼓風機設備重量輕，設備尺寸小，安裝簡便，可以大量地節省用戶的建筑及輔助電氣控制系統投資。節省空間，最小的風機房面積；設備重量輕，基礎施工簡單，安裝時不需起吊裝置；同時，可以根據需要選用方便的布置方式，比如可以直接在曝氣池上設鼓風機房，可節省管道投資，減少管道阻力損失。
（7）可遠程監控
主控制柜（協調柜）可以選配各種通訊協議，提供通訊口，可實現與工廠自控系統并網運行，操控設備投入生產，配合工廠自控系統完成上位機畫面程序編寫，提供相應的程序數據或數據。
另外，ZCJSD空氣懸浮鼓風機含有更多特性：
1）操作簡便
風機本身對轉速、壓力、溫度、流量等進行自檢，有防止喘振功能等，可實現無人操作；在風機的工作區域內，根據外部控制信號自由調節風機風量、風壓的輸出。
風機房不需要單獨配備就地控制柜、軟啟動柜，風機本身集成了就地控制系統；風機房設立的主控制盤通過電腦CPU可以自動連續調整壓力、流量、控制開啟、問題報警等，實現單臺、多臺同時聯動自動控制作業。同時也可由遠程中央控制室控制。
相關的技術人員經過簡單培訓，根據操作手冊的程序設置，風機即可自動投入運行并實現無人操作。
2)設備可靠性高
采用兩大領先科技技術，動壓空氣軸承及高速永磁電機技術（去除由于變速箱、油路潤滑系統、復雜的控制系統故障）；高速永磁電機，關鍵部件選用鈦合金的材料；通過標準生產出廠檢測，確保設備的高效性能、可靠性高。
2、各部件介紹
空氣懸浮離心鼓風機是應用動壓空氣軸承，葉輪，永磁高速電機，變頻器，控制器，冷卻系統等多項技術的壓縮空氣生產系統，是一種單級離心式鼓風機，與由變頻器驅動的永磁同步電動機相連的產品。以下是各部件的詳細介紹。
（1）主機
箔片式動壓空氣軸承支撐的高效高速永磁電機與葉輪采用直連的型式，變頻調速，側向水平進風，蝸殼上出風，電機采用箱體外散熱的風冷結構，配置完整，每臺鼓風機風量可由50%~100%范圍內進行調節。
（2）葉輪
葉輪為半開式后彎結構，并采用三元流理論設計而成，有效的抑制了邊界層分離和流動損失，壓縮效率可達92%，工作可調范圍為50%-100%，同時葉輪選材為航空級高強度鋁合金AL7075，由五軸加工中心精密加工而成，設計使用壽命20年。
（3）電動機
空氣懸浮離心鼓風機配有高速永磁同步電機（PMSM），高速永磁電機與傳統電勵磁電機相比結構簡單，體積小，重量輕，損耗少。電機功率大于整個設計工況范圍內的最大負荷值的10%，以保證鼓風機工作的任何工況點均不會過載。電機適合電源為3相380V/50Hz，絕緣等級為H級，防護等級為IP55，實測效率達到97%。高速永磁電機轉子采用實心釤鈷磁鋼避免高溫退磁。鈦合金護套，降低轉子重量。
高速永磁電機定子采用超薄低損耗硅鋼片、C級耐電暈變頻電機專用電磁線加工而成。定子兩端設置端板一方面形成冷卻通道，另外一方面保證定子形成較短的端部。合理設計定子各部位磁通密度及電流密度，保證高速永磁電機低溫升低噪音穩定運行。
（4）箔片式動壓空氣軸承
箔片式動壓空氣軸承包括徑向軸承和止推軸承組件，作為一種以柔性表面為支撐的自作用式動壓氣體軸承，利用動壓空氣的粘度和楔形效應，在轉子和軸承之間自動產生穩定的氣膜，具有運轉速度高、抗沖擊能力強、承載能力高、運行壽命長、穩定性好等特點。箔片結構具有的良好彈性使得軸承表面能夠根據施加在箔片表面上的載荷做出相應的調整，形成相應的潤滑氣膜，對軸系不對中有很強的適應能力，體現出氣體箔片軸承較強的自適應性。由于氣體潤滑具有極小的摩擦力矩，使得氣體箔片軸承工作時轉子回轉輕巧；氣體介質特性穩定，耐寒耐熱，適合于惡劣的環境下工作，具有零污染的特點；結構簡單、沒有額外的附加設備、重量輕等諸多優點。此外，箔片結構中波紋箔片與平箔片和軸承座之間的阻尼能夠消耗掉部分振動能量，有效地抑制了軸承-轉子系統渦動，對保持系統穩定性起到了重要作用。對外界的干擾具有足夠的抵抗力，無需通過主動控制的方式來調節和平衡外界負載，也無需通過振動傳感器監測軸系穩定性來保證設備正常運行。
（5）變頻器
本系統鼓風機啟動采用變頻啟動方式，采用變頻控制方式調節和控制運行參數，變頻器品牌為國際知名品牌。
（6）冷卻裝置
鼓風機配備主動式外循環風冷結構，風冷葉輪安裝于電機轉子上，風機在正常運轉過程中，即可實現對風機定、轉子部位的降溫，無需額外動力，并通過管道將高溫空氣排放到箱體外部，避免了風機進口溫度過高，提高了風機效率。該風冷結構具有結構緊湊、安全系數高、降溫效果顯著等特點，出口溫度≤90℃（20℃進口溫度）。
（7）空氣過濾裝置
鼓風機配置內置式空氣過濾器。外層濾棉選材為合成纖維，過濾精度100微米，具有阻燃、抗氧化等特性，可以水洗并多次使用；內層初效過濾器為框架式結構，過濾精度10微米，過濾效率≥95%，具有通風量高、初阻力低、容塵量大、使用周期長、更換簡便等優點。
（8）氣動放空閥
每臺鼓風機相配置氣動放空閥，放空閥所要求的驅動氣壓低于0.3kgf/cm2，能利用鼓風機自身具有的高于0.3kgf/cm2 風壓驅動該氣動放空閥。放空系統的設計為：停機-安全、失電-安全。每臺鼓風機出口旁通管上的放空閥配有消音器 （風云系列消音器在隔音罩內） ，其外殼由碳鋼制造，內部裝有吸音材料。
（9）出口彈性接管
每臺鼓風機出口配有不銹鋼出口彈性接管，彈性接管與風機出口采用法蘭連接，可對管道安裝進行一定的尺寸補償，并降低由熱膨脹引起的管道力和氣流引起的管道振動，彈性接管所能承受的極限壓力≥1.0Mpa，所能承受的極限溫度≥250℃。
（10）逆止閥
在出風管路提供一個法蘭對夾式蝶形逆止閥，其構造適合于空氣流體的使用及操作， 逆止閥的連接符合ISO標準， 壓力等級不低于1.0Mpa，在鼓風機額定流量出風時其壓損不大于1000Pa。止回閥閥體、閥板及鉸鏈材質為不銹鋼，閥密封為金屬密封，閥板以鉸鏈來支撐。閥體采用夾式且閥兩側為平面裝于兩法蘭間，閥可承受鼓風機出口壓力及高達150℃的溫度。
（11）控制系統性能
1.就地控制面板HMI
為使用者操作簡便，操作面板顯示風機工作的一切運轉數據，具有手動操作功能、并設有報警裝置。為了保持最佳的運轉狀態，在風機內部設有風量和壓力自動、手動調節系統，并設防喘振功能等保護功能。
2.變頻智能調速控制系統
風機內部集成的高精度壓力傳感器與PID調節系統共同作用，通過模糊控制的方式，使風機運行在最經濟的運行狀態，并且通過主控柜系統的配合，實現單臺至多臺風機的組合控制。
3.機體內置氣動放空閥
風機采用機體內置氣動放空閥，無需附加壓縮空氣，可確保風機在斷電或非正常情況下安全停機，美觀大方。可使風機在無負載情況下實現一鍵啟動。
4.變頻器
全球領先的變頻調速技術，本體采用數碼顯示面板，面版可以輸入數碼信息。
（1）就地控制
就地控制柜與設備為一體化安裝，為使用者操作簡單。就地操作面板顯示工作的一切運轉數據，具有手動操作功能，并設有報警裝置。為了保持最佳的運轉狀態，在風機內部設有風量和壓力自動，手動調節系統，并設防喘振功能等保護功能。擴展遠程控制接口，方便接入中央控制器。Modbus為使用最廣泛的通訊協議，通訊介質為 5類雙絞線（CAT5）。Modbus協議支持典型的RS232/RS485/RS422裝置和最近開發的以太網裝置。所以，現在大部分產業用裝置(PLC,DCS, HMI,儀器等)使用Modbus作為通信標準。本設備也支持使用RS485(2線式)的ModbusRTU協議，還支持使用以太網鏈接的ModbusTCP協議。設備的IP地址，可以根據網絡來設定，而且可以確認電氣連接狀態。
控制電盤安裝設備電控箱內，符合 GB T 25295-2010《電氣設備安全設計導則》、GB50054-2011《低壓配電設計規范》、GB52261-2008《機械安全機械電氣設備》的相關規范。控制盤結構簡單緊湊，全部采用模塊化設計，便于保養與維修。所用部件全部通過CE、UL認證。
（2）主要由以下幾個部分組成：
CPU 模塊 -(西門子S7 自帶1個以太網通訊口，對外一個 485 接口模塊)
AI/AO 模塊 - (西門子S7 支持4路模擬輸入，2 路模擬電流信號輸出)
RTD 模塊 -(西門子S7支持4路PT100接入)
摩莎以太網交換機(5口百兆交換機)
IOLINK 繼電器模組(4 路繼電器模組)
HUBA 差壓傳感器(瑞士富巴高精度差壓變送器)
NAP 濾波器
DC24V 開關電源
德力西或同等檔次國內品牌隔離變壓器(AC380V-AC220V)
霍尼韋爾或同等檔次品牌 2P 斷路器
設備就地控制面板采用繁易-7寸真彩HMI ，全中文圖型顯示界面，界面友好，能實時的顯示當前的風量、風壓、進出口溫度、電機溫度及一切風機運行參數，實時故障顯示提醒及記錄功能有效幫助客戶發現并解決問題，且提供多種可選控制模式，包括：恒定風量、恒定風壓、恒定轉速等控制模式；喘振保護；電機過載保護；電機溫度顯示；出口放空閥控制；故障信號顯示；故障信號輸出；報警功能；故障停機等；對低液位（水位小于1m）運行保護控制；設備本地控制柜提供PLC工業以太網接口；設備采用三相、AC380V、50HZ工頻供電，設備上、下均留有進線孔方便上、下進出電源線。設備變頻器采用國際知名品牌高速大功率變頻器，能滿足不同地區的各種使用環境。符合相關EC、UL、RCM、EMC認證。控制盤供電采用隔離變壓器加開關電源的方式，AC380V先經過隔離變壓器耦合為AC220V，供給開關電源轉換為DC24V。控制盤所有的PLC、按鈕、開關、控制均為DC24V供電，并且高低壓隔離、動力與信號線隔離，能有效保障人身及設備安全。緊急停止按鈕用于設備出現緊急情況需要立刻停機時使用，正常斷電不會對設備造成任何影響，停電再來電之后設備處于待機狀態，不會自己重新啟動。設備本體所有的柜門均采用優質密封條密封，能有效的防止灰塵及異物進入,所有電纜接頭均浸錫處理及絕緣處理，有效防止電纜接頭發生氧化。
5.主控制柜（協調柜）
柜體外觀美觀，結構合理。配以西門子S7系列或同等品牌控制器對風機電控柜進行集中聯動控制。所提供的主控柜（協調柜）能自動控制鼓風機的啟動、停車，并能根據鼓風機供氣總管的壓力控制進行自動調節控制。在實現無人值守控制的同時，自動分配能源需求，達到工藝要求的同時，滿足節能需求。
主控制柜（協調柜）上設有每臺鼓風機的啟動程序選擇開關、控制設定值調節和就地/遠距離轉換開關，所有這些裝置均安裝在控制柜面板上，控制柜面板上的顯示屏為中文顯示。
主控制柜（協調柜）上設有反映每臺鼓風機運行狀態的指示燈：鼓風機遠距離控\鼓風機運行\報警等指示燈。
主控制柜（協調柜）通過內部可編程序控制器接受來自主供氣管的4~20mA壓力信號，以確認是要增加還是減少空氣量。控制器將根據制造商的標準控制邏輯來控制鼓風機運行數量的增減和調節鼓風機的空氣流量。控制結果是使得在整個風量范圍內使總供氣量得以逐步增加或減少。如果一臺鼓風機因故障而停車，另一臺處于預備狀態的鼓風機會自動投入運行。以確保生產的正常進行。
主控制柜（協調柜）可以選配各種通訊協議，提供通訊口，可實現與工廠自控系統并網運行，操控設備投入生產，配合工廠自控系統完成上位機畫面程序編寫，提供相應的程序數據或數據。
可提供包括但不僅限于如下信號給客戶端：
每臺鼓風機主電機的運行信號；
每臺鼓風機主電機的電流信號；
每套鼓風機的各類故障信號；
每套鼓風機的就地手動/自動狀態信號；
每套鼓風機的開/停命令。
二、金士頓空氣懸浮鼓風機在頻繁啟停工況的技術突破
2.1總述
