变频节能技术在污水处理中的应用*

2010-06-02冯东升张智华张金辉

电机与控制应用 2010年7期

冯东升，张智华，张金辉

(上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司，上海 200063)

0 引言

污水处理是高能耗行业之一，高能耗造成了污水处理设施成本高，同时也一定程度上加剧了我国现阶段的能源危机。发达国家在污水处理节能降耗方面进行了很多研究和实践，而国内污水处理行业目前侧重在设施建设上，对于污水处理的节能降耗及优化还未进行系统的研究，但国内的需要使得大批污水处理厂已经建成投入运营。因此，污水处理的节能降耗已成为行业亟需解决的问题之一。

本文通过应用交流变频节能技术对实际某工程应用中的污水处理工艺的鼓风机、进水泵等工艺设备进行控制调节。该技术使各系统风量、水流量等负荷工况参数按负荷情况得到适时调节，不但能改善系统的调节品质，达到阀门、风门节/回流调节等落后调节方式所不能相比的调节性能，更能节省大量电能。

1 变频控制节能原理分析

污水处理中有较多的风机和水泵类负载。变频调速在风机和泵类负载上的应用具有显著的节能效果，并且具有无冲击起动和软停机的优良控制特性。因此，变频调速在风机、水泵的控制领域得到了广泛应用。

1.1 变频调速的原理

交流异步电动机的转速为

式中:n——电机转速;

np——极对数;

f——定子供电频率;

s——转差率。

由式(1)可知，异步电动机的供电频率f与电机的转速n呈线性关系。三相交流电动机磁通与转矩也是关键指标，决定于供电电压和频率的比值U/f。因此，在电机的调速过程中，既要调节供电频率，同时还要调节供电电压。

1.2 节能原理

风机、水泵都是典型的平方减转矩负载，下面以风机的工作特性来分析节能原理。

风机的电动机轴功率Pw与其流量Q、风压p之间的关系如下:

当电动机的转速为n1、n2时，流量由Q1变化到Q2，此时Q、p、Pw相对于转速的关系如下:

由式(3)～(5)可看出，调节电机转速即可调节流量，风压与转速的2次方成正比，风机轴功率(功率输出)与转速的3次方成正比。从理论上讲，速度降低10%时会带来约30%的功率下降，由于功率的大幅度降低，可获得显著的节能效果。调速后与调速前的功率理论比值如表1所示。

表1 调速后与调速前功率理论比值

图1(a)显示了风机压力与流量的关系曲线，图1(b)为转矩与电机速度的关系曲线，从中可以看出:当采用变频调速时，可以根据需要调节电动机转速，改变风机的性能曲线，使风机满足工艺要求。

图1 风机变频调速相关曲线

2 变频节能技术的应用

2.1 实例分析

污水处理的一般过程为污水先进入提升泵站，然后依次通过曝气沉砂、氧化沟、二沉池，把水和污泥彻底分离，处理过的水打到排污口。其简单的示意图如图2所示。

图2 污水处理流程示意图

某污水处理厂，根据厂区实际工况，首先用2台90 kW和1台37 kW的污水提升泵将污水提升到8 m的高度，进行污水处理;曝气池采用3台200 kW的单级离心式鼓风机通过进风口风门调节曝气量;回流污泥通过2台30 kW潜水泵已经变频运行，其具体主要设备技术参数分别如表2～4所示。

表2 曝气鼓风机技术参数

表3 提升泵技术参数

表4 回流污泥泵技术参数

设备运行情况为:曝气鼓风机目前采用软起动器实现软起动，一般使用两台曝气风机运行，根据需要的曝气量人工调节进风口风门;提升泵目前90 kW采用软起动器实现软起动，37 kW直接起动，每日污水处理量50 000 m3/d，根据需要液位传感器的反馈值控制电机起停，保证水池水位基本恒定;回流污泥泵目前已经采用变频器自动变频调节，可以根据工艺需求调节水泵转速。通过运行情况分析，曝气池通过检测池内氧含量来调节曝气风机，根据氧含量设置和检测得到的氧含量信号控制曝气量。目前污水处理达不到节能的要求，需对曝气鼓风机和提升泵环节进行变频技术改造。

2.2 变频节能技术控制方案

考虑该厂情况，对于曝气鼓风机，采用200 kW变频器对3台曝气鼓风机实现一拖一变频控制，控制原理示意图如图3所示。人工选择任一台电机变频运行，起动系统后，人工根据需要调节调节器，改变电机运行频率，根据需求起停工频运行风机。变频器检修时可切换到现有系统运行，保证生产。

一拖一控制系统的优点在于运行平稳，软起软停;变频运行的调节范围广，避免水泵变频时最低频率限制产生的工变频切换引起的阶跃，造成系统运行产生跳跃的情况;系统的所有电机均运行在变频状态，节能效果相当明显。

图3 提升水泵变频一拖一控制示意图

3 节能效果分析

系统风机变频调速的节能分析及风口风门调节的鼓风机变频调速节能计算如下。

系统在工频运行情况下，由于电网电压不变，改造前采用进风口风门调节，因此风机的进风和出风的压差保持不变，可推导出公式为

式中:Pw节流——节流运行时的电功率;

Pwe——电机额定功率;

I2——节流运行时的电机电流;

Ie——电机额定电流。

系统在变频运行情况下，由于频率的变化，使风机转速发生变化来保证输出的流量，变频后进风口风门全开，只要保证出口流量达到变频前的流量即可，此时频率变化，流量、压力都在变化。由此可得到采用变频后的耗电功率和采用变频前的耗电功率比值为

式中:Pw变频——变频运行时的电功率;

Pw节流——节流运行时的电功率;

I2——节流运行时的电机电流;

Ie——电机额定电流。

因此可得节电率为

根据实测的数据和节能分析，对曝气鼓风机的节能理论分析计算如下。

对于曝气鼓风机，在风机阀门开度为20%的情况下，变频运行后进风口风门全开，运行输出工况保持目前状态，且考虑额定电流为365 A，在实际运行下余量的要求，需要满足额定电流的1.2倍系数范围内，即电流为365/1.1=304 A。按照鼓风机满负载工况时电机运行电流为304 A计算，故鼓风机变频改造后的计算节电率为:1－(219/304)2=51.9%。通过变频改造后对系统节电效果检测，实际节电率达到45%。变频节能改造后不但节电效果比较明显，而且满足了工艺要求。