空气悬浮鼓风机
在频繁启停工况下的实际应用
作者：马文龙
职位：售前技术工程师
日期：2024年3月1日
摘要：
金士顿空气悬浮鼓风机作为一种新型的鼓风设备，具有高效、节能、低噪音、长寿命等优点，在多个领域得到了广泛应用。在针对精确曝气工艺的污水过程中，鼓风机常常需要面对频繁启停的工况，这对其性能和稳定性提出了挑战。本文通过对金士顿空气悬浮鼓风机在频繁启停工况下的实际应用进行研究，分析其性能表现和适用性，以期为工程师和决策者提供参考。
关键词：空气悬浮鼓风机；频繁启停；实际应用；性能表现；能效评估。
一、金士顿空气悬浮鼓风机的工作原理及技术描述
1.1工作原理概述：
金士顿空气悬浮鼓风机采用空气悬浮轴承技术，已经自主研发并应用到第三代箔片式动压空气轴承，利用高速旋转产生的空气压力实现无接触的悬浮。其主要组成部分包括高速永磁同步电机、空气悬浮轴承、高精航空级叶轮、智能控制策略等。通过中高频变频器闭环控制调整电机转速，实现对风量和风压的精确控制。
传统鼓风机是容积式或通过齿轮加速方式使用的，它需要齿轮，轴承和润滑系统，且机械摩擦产生有极大的能量耗损，机房地面污染,噪音等问题。空气悬浮离心鼓风机解决了这些问题，它有4大核心技术：空气轴承，高速永磁电机、精准变频控制系统，航空铝AL7075材料加表面耐磨抗腐蚀涂层技术的高精度叶轮。
金士顿空气悬浮离心鼓风机，不需要齿轮箱增速器及联轴器，由高速电机直接驱动，电机由变频器来调速。鼓风机叶轮直接与电机结合，因为无物理接触和无需润滑油系统，所以空气悬浮离心鼓风机具有高效，节能，低噪音，运行可靠和长期无需维修保养的特点。
空气悬浮离心鼓风机采用一体化紧凑型设计。叶轮，高速电机，变频器，空气轴承及PLC控制系统集于一体，提高了安装，操作的便利性。大大节省了能源和日常维护费用，提供了清洁的作业环境。具有技术先进，性能可靠，结构简单，体积小，节约能源，维护方便等特点。
1.2风机技术描述
1、产品优势
传统鼓风机是容积式或通过齿轮加速方式使用的，它需要齿轮，轴承和润滑系统，且机械摩擦产生有极大的能量耗损，机房地面污染,噪音等问题。悬浮离心鼓风机解决了这些问题，它有4大核心技术：空气轴承，高速永磁电机及变频系统，铝合金AL7075（航空铝材）精密制造的高精度叶轮。
ZCJSD空气悬浮离心鼓风机，不需要齿轮箱增速器及联轴器，由高速电机直接驱动，电机采用变频器来进行调速驱动。鼓风机离心叶轮与电机直连结合，因为没有物理接触和无需润滑油系统，所以空气悬浮离心鼓风机具有高效，节能，低噪音，运行可靠和长期无需维修保养的特点。
空气悬浮离心鼓风机采用一体化紧凑型设计。叶轮，高速电机，变频器，空气轴承及其控制系统配有CPU微处理器的控制面板集于一体，提高了安装，操作的便利性。为客户大大节省能源和日常维护费用，提供清洁的作业环境。所以具有技术先进，性能可靠，结构简单，体积小，节约能源，维护方便等特点。
（1）节能高效
空气悬浮离心鼓风机使用了动压空气轴承，直联技术，高效叶轮，高速永磁电机，无额外的摩擦。风机根据输出的（风量最大可调范围50-100%）自动调整电机功率的消耗，保持设备运行的高效率。
（2）无振动，低噪音
采用空气轴承及直联技术，无振动产生，风机不需要另外设置隔音装置；设备重量轻，不需设置特别基础，安装布置简单灵活。
（3）无润滑油
风机采用了空气悬浮轴承技术，系统不需要润滑油系统，油性轴承系统的所有弊端已成功解决。
(4）无保养
没有传统风机所必需齿轮箱及油性轴承，我们所采用叶轮与电机直接连接，通过智能控制系统，保证了设备无需保养，降低了用户的维护成本。
（5）运转控制便利
可在个人PC及上位系统中对风机转数，压力，温度，流量等进行自检并定压运转，负荷/无负荷运转，超负荷控制，通过防喘振控制等实现无人操作。风机通过调整叶轮的转数调节流量。根据吸入空气的温度和压力变化，调整转数可以轻易的调节流量。可以自动和手动调整流量。
（6）设备安装空间小
ZCJSD空气悬浮鼓风机设备重量轻，设备尺寸小，安装简便，可以大量地节省用户的建筑及辅助电气控制系统投资。节省空间，最小的风机房面积；设备重量轻，基础施工简单，安装时不需起吊装置；同时，可以根据需要选用方便的布置方式，比如可以直接在曝气池上设鼓风机房，可节省管道投资，减少管道阻力损失。
（7）可远程监控
主控制柜（协调柜）可以选配各种通讯协议，提供通讯口，可实现与工厂自控系统并网运行，操控设备投入生产，配合工厂自控系统完成上位机画面程序编写，提供相应的程序数据或数据。
另外，ZCJSD空气悬浮鼓风机含有更多特性：
1）操作简便
风机本身对转速、压力、温度、流量等进行自检，有防止喘振功能等，可实现无人操作；在风机的工作区域内，根据外部控制信号自由调节风机风量、风压的输出。
风机房不需要单独配备就地控制柜、软启动柜，风机本身集成了就地控制系统；风机房设立的主控制盘通过电脑CPU可以自动连续调整压力、流量、控制开启、问题报警等，实现单台、多台同时联动自动控制作业。同时也可由远程中央控制室控制。
相关的技术人员经过简单培训，根据操作手册的程序设置，风机即可自动投入运行并实现无人操作。
2)设备可靠性高
采用两大领先科技技术，动压空气轴承及高速永磁电机技术（去除由于变速箱、油路润滑系统、复杂的控制系统故障）；高速永磁电机，关键部件选用钛合金的材料；通过标准生产出厂检测，确保设备的高效性能、可靠性高。
2、各部件介绍
空气悬浮离心鼓风机是应用动压空气轴承，叶轮，永磁高速电机，变频器，控制器，冷却系统等多项技术的压缩空气生产系统，是一种单级离心式鼓风机，与由变频器驱动的永磁同步电动机相连的产品。以下是各部件的详细介绍。
（1）主机
箔片式动压空气轴承支撑的高效高速永磁电机与叶轮采用直连的型式，变频调速，侧向水平进风，蜗壳上出风，电机采用箱体外散热的风冷结构，配置完整，每台鼓风机风量可由50%~100%范围内进行调节。
（2）叶轮
叶轮为半开式后弯结构，并采用三元流理论设计而成，有效的抑制了边界层分离和流动损失，压缩效率可达92%，工作可调范围为50%-100%，同时叶轮选材为航空级高强度铝合金AL7075，由五轴加工中心精密加工而成，设计使用寿命20年。
（3）电动机
空气悬浮离心鼓风机配有高速永磁同步电机（PMSM），高速永磁电机与传统电励磁电机相比结构简单，体积小，重量轻，损耗少。电机功率大于整个设计工况范围内的最大负荷值的10%，以保证鼓风机工作的任何工况点均不会过载。电机适合电源为3相380V/50Hz，绝缘等级为H级，防护等级为IP55，实测效率达到97%。高速永磁电机转子采用实心钐钴磁钢避免高温退磁。钛合金护套，降低转子重量。
高速永磁电机定子采用超薄低损耗硅钢片、C级耐电晕变频电机专用电磁线加工而成。定子两端设置端板一方面形成冷却通道，另外一方面保证定子形成较短的端部。合理设计定子各部位磁通密度及电流密度，保证高速永磁电机低温升低噪音稳定运行。
（4）箔片式动压空气轴承
箔片式动压空气轴承包括径向轴承和止推轴承组件，作为一种以柔性表面为支撑的自作用式动压气体轴承，利用动压空气的粘度和楔形效应，在转子和轴承之间自动产生稳定的气膜，具有运转速度高、抗冲击能力强、承载能力高、运行寿命长、稳定性好等特点。箔片结构具有的良好弹性使得轴承表面能够根据施加在箔片表面上的载荷做出相应的调整，形成相应的润滑气膜，对轴系不对中有很强的适应能力，体现出气体箔片轴承较强的自适应性。由于气体润滑具有极小的摩擦力矩，使得气体箔片轴承工作时转子回转轻巧；气体介质特性稳定，耐寒耐热，适合于恶劣的环境下工作，具有零污染的特点；结构简单、没有额外的附加设备、重量轻等诸多优点。此外，箔片结构中波纹箔片与平箔片和轴承座之间的阻尼能够消耗掉部分振动能量，有效地抑制了轴承-转子系统涡动，对保持系统稳定性起到了重要作用。对外界的干扰具有足够的抵抗力，无需通过主动控制的方式来调节和平衡外界负载，也无需通过振动传感器监测轴系稳定性来保证设备正常运行。
（5）变频器
本系统鼓风机启动采用变频启动方式，采用变频控制方式调节和控制运行参数，变频器品牌为国际知名品牌。
（6）冷却装置
鼓风机配备主动式外循环风冷结构，风冷叶轮安装于电机转子上，风机在正常运转过程中，即可实现对风机定、转子部位的降温，无需额外动力，并通过管道将高温空气排放到箱体外部，避免了风机进口温度过高，提高了风机效率。该风冷结构具有结构紧凑、安全系数高、降温效果显著等特点，出口温度≤90℃（20℃进口温度）。
（7）空气过滤装置
鼓风机配置内置式空气过滤器。外层滤棉选材为合成纤维，过滤精度100微米，具有阻燃、抗氧化等特性，可以水洗并多次使用；内层初效过滤器为框架式结构，过滤精度10微米，过滤效率≥95%，具有通风量高、初阻力低、容尘量大、使用周期长、更换简便等优点。
（8）气动放空阀
每台鼓风机相配置气动放空阀，放空阀所要求的驱动气压低于0.3kgf/cm2，能利用鼓风机自身具有的高于0.3kgf/cm2 风压驱动该气动放空阀。放空系统的设计为：停机-安全、失电-安全。每台鼓风机出口旁通管上的放空阀配有消音器 （风云系列消音器在隔音罩内） ，其外壳由碳钢制造，内部装有吸音材料。
（9）出口弹性接管
每台鼓风机出口配有不锈钢出口弹性接管，弹性接管与风机出口采用法兰连接，可对管道安装进行一定的尺寸补偿，并降低由热膨胀引起的管道力和气流引起的管道振动，弹性接管所能承受的极限压力≥1.0Mpa，所能承受的极限温度≥250℃。
（10）逆止阀
在出风管路提供一个法兰对夹式蝶形逆止阀，其构造适合于空气流体的使用及操作， 逆止阀的连接符合ISO标准， 压力等级不低于1.0Mpa，在鼓风机额定流量出风时其压损不大于1000Pa。止回阀阀体、阀板及铰链材质为不锈钢，阀密封为金属密封，阀板以铰链来支撑。阀体采用夹式且阀两侧为平面装于两法兰间，阀可承受鼓风机出口压力及高达150℃的温度。
（11）控制系统性能
1.就地控制面板HMI
为使用者操作简便，操作面板显示风机工作的一切运转数据，具有手动操作功能、并设有报警装置。为了保持最佳的运转状态，在风机内部设有风量和压力自动、手动调节系统，并设防喘振功能等保护功能。
2.变频智能调速控制系统
风机内部集成的高精度压力传感器与PID调节系统共同作用，通过模糊控制的方式，使风机运行在最经济的运行状态，并且通过主控柜系统的配合，实现单台至多台风机的组合控制。
3.机体内置气动放空阀
风机采用机体内置气动放空阀，无需附加压缩空气，可确保风机在断电或非正常情况下安全停机，美观大方。可使风机在无负载情况下实现一键启动。
4.变频器
全球领先的变频调速技术，本体采用数码显示面板，面版可以输入数码信息。
（1）就地控制
就地控制柜与设备为一体化安装，为使用者操作简单。就地操作面板显示工作的一切运转数据，具有手动操作功能，并设有报警装置。为了保持最佳的运转状态，在风机内部设有风量和压力自动，手动调节系统，并设防喘振功能等保护功能。扩展远程控制接口，方便接入中央控制器。Modbus为使用最广泛的通讯协议，通讯介质为 5类双绞线（CAT5）。Modbus协议支持典型的RS232/RS485/RS422装置和最近开发的以太网装置。所以，现在大部分产业用装置(PLC,DCS, HMI,仪器等)使用Modbus作为通信标准。本设备也支持使用RS485(2线式)的ModbusRTU协议，还支持使用以太网链接的ModbusTCP协议。设备的IP地址，可以根据网络来设定，而且可以确认电气连接状态。
控制电盘安装设备电控箱内，符合 GB T 25295-2010《电气设备安全设计导则》、GB50054-2011《低压配电设计规范》、GB52261-2008《机械安全机械电气设备》的相关规范。控制盘结构简单紧凑，全部采用模块化设计，便于保养与维修。所用部件全部通过CE、UL认证。
（2）主要由以下几个部分组成：
CPU 模块 -(西门子S7 自带1个以太网通讯口，对外一个 485 接口模块)
AI/AO 模块 - (西门子S7 支持4路模拟输入，2 路模拟电流信号输出)
RTD 模块 -(西门子S7支持4路PT100接入)
摩莎以太网交换机(5口百兆交换机)
IOLINK 继电器模组(4 路继电器模组)
HUBA 差压传感器(瑞士富巴高精度差压变送器)
NAP 滤波器
DC24V 开关电源
德力西或同等档次国内品牌隔离变压器(AC380V-AC220V)
霍尼韦尔或同等档次品牌 2P 断路器
设备就地控制面板采用繁易-7寸真彩HMI ，全中文图型显示界面，界面友好，能实时的显示当前的风量、风压、进出口温度、电机温度及一切风机运行参数，实时故障显示提醒及记录功能有效帮助客户发现并解决问题，且提供多种可选控制模式，包括：恒定风量、恒定风压、恒定转速等控制模式；喘振保护；电机过载保护；电机温度显示；出口放空阀控制；故障信号显示；故障信号输出；报警功能；故障停机等；对低液位（水位小于1m）运行保护控制；设备本地控制柜提供PLC工业以太网接口；设备采用三相、AC380V、50HZ工频供电，设备上、下均留有进线孔方便上、下进出电源线。设备变频器采用国际知名品牌高速大功率变频器，能满足不同地区的各种使用环境。符合相关EC、UL、RCM、EMC认证。控制盘供电采用隔离变压器加开关电源的方式，AC380V先经过隔离变压器耦合为AC220V，供给开关电源转换为DC24V。控制盘所有的PLC、按钮、开关、控制均为DC24V供电，并且高低压隔离、动力与信号线隔离，能有效保障人身及设备安全。紧急停止按钮用于设备出现紧急情况需要立刻停机时使用，正常断电不会对设备造成任何影响，停电再来电之后设备处于待机状态，不会自己重新启动。设备本体所有的柜门均采用优质密封条密封，能有效的防止灰尘及异物进入,所有电缆接头均浸锡处理及绝缘处理，有效防止电缆接头发生氧化。
5.主控制柜（协调柜）
柜体外观美观，结构合理。配以西门子S7系列或同等品牌控制器对风机电控柜进行集中联动控制。所提供的主控柜（协调柜）能自动控制鼓风机的启动、停车，并能根据鼓风机供气总管的压力控制进行自动调节控制。在实现无人值守控制的同时，自动分配能源需求，达到工艺要求的同时，满足节能需求。
主控制柜（协调柜）上设有每台鼓风机的启动程序选择开关、控制设定值调节和就地/远距离转换开关，所有这些装置均安装在控制柜面板上，控制柜面板上的显示屏为中文显示。
主控制柜（协调柜）上设有反映每台鼓风机运行状态的指示灯：鼓风机远距离控\鼓风机运行\报警等指示灯。
主控制柜（协调柜）通过内部可编程序控制器接受来自主供气管的4~20mA压力信号，以确认是要增加还是减少空气量。控制器将根据制造商的标准控制逻辑来控制鼓风机运行数量的增减和调节鼓风机的空气流量。控制结果是使得在整个风量范围内使总供气量得以逐步增加或减少。如果一台鼓风机因故障而停车，另一台处于预备状态的鼓风机会自动投入运行。以确保生产的正常进行。
主控制柜（协调柜）可以选配各种通讯协议，提供通讯口，可实现与工厂自控系统并网运行，操控设备投入生产，配合工厂自控系统完成上位机画面程序编写，提供相应的程序数据或数据。
可提供包括但不仅限于如下信号给客户端：
每台鼓风机主电机的运行信号；
每台鼓风机主电机的电流信号；
每套鼓风机的各类故障信号；
每套鼓风机的就地手动/自动状态信号；
每套鼓风机的开/停命令。
二、金士顿空气悬浮鼓风机在频繁启停工况的技术突破
2.1总述
