變頻調速技術在污水處理工程中的應用

陳 宇

（無錫市工業(yè)廢物安全處置有限公司，江蘇無錫 214000）

變頻調速技術在污水處理工程中的應用

陳 宇

（無錫市工業(yè)廢物安全處置有限公司，江蘇無錫 214000）

討論了變頻調速器的原理。闡述了變頻調速技術在污水處理工程中的應用。分析了變頻調速技術的顯著節(jié)能效果，對設備的良好保護作用及具有投資少、見效快的特點。該技術對提高污水處理行業(yè)的經(jīng)濟效益具有一定的意義。

變頻調速技術；污水處理工程；應用

隨著經(jīng)濟改革的不斷深入，全社會環(huán)境保護意識不斷加強，我國把環(huán)境保護作為一項基本國策，把實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展作為一個重大戰(zhàn)略，按照全國環(huán)境保護“十二五”規(guī)劃的目標，到2015年，基本實現(xiàn)所有縣和重點建制鎮(zhèn)具備污水處理能力，污水處理設施負荷率提高到80％以上，城市污水處理率達到85％。要達到國務院規(guī)定的這一目標，全國還要新建1000多座城市污水處理廠，新增城市污水集中處理能力4200萬t/a。在污水處理工程中，風機、泵類設備應用范圍廣泛；其電能消耗占到直接生產(chǎn)運行成本的40％～55％，是一筆不小的生產(chǎn)費用開支。污水處理工程的節(jié)能降耗業(yè)已成為降低生產(chǎn)成本、降低資源消耗的重要手段之一。

20世紀80年代初發(fā)展起來的變頻調速技術——主要體現(xiàn)在變頻調速器上。該調速器開創(chuàng)了智能電機時代，完全適應生產(chǎn)發(fā)展的趨勢和要求。我國“十二五”規(guī)劃綱要主要確立的節(jié)能減排的目標：非石化能源占一次能源消費的比重達11.4％，單位國內生產(chǎn)總值能源消耗降低16％，單位國內生產(chǎn)總值二氧化碳排放降低17％。隨著變頻調速技術已深入我們生活的每個角落，在工業(yè)機器人、自動化出版設備、加工工具、傳輸設備、電梯、壓縮機、軋鋼、風機泵類、電動汽車、起重設備及其它領域中得到廣泛應用，變頻調速技術所能體現(xiàn)出的節(jié)能優(yōu)勢將進一步得到應用和提升。其應用領域還將不斷擴大。

1 變頻調速器原理

變頻調速器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置?，F(xiàn)在使用的變頻調速器主要采用交—直—交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻調速器的基本原理是根據(jù)電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系：

其中，n，f，s，p分別表示轉速、輸入頻率、電機轉差率、電機磁極對數(shù)［1］。

通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉速的目的。變頻調速器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率［2］。

在城市污水處理工藝中，活性污泥法具有投資少、處理效率高、運行經(jīng)驗成熟等特點而被廣泛使用，風機設備主要用于曝氣系統(tǒng)。泵類設備在污水處理工程中同樣有著廣闊的應用空間，污水提升系統(tǒng)、污水循環(huán)處理系統(tǒng)、污泥處理系統(tǒng)、污水提升泵站使用離心泵、軸流泵、螺桿泵、柱塞泵等設備。風機、泵類設備多數(shù)采用異步電動機直接驅動的方式運行，存在起動電流大、機械沖擊、電氣保護特性差等缺點。不僅影響設備使用壽命，而且當負載出現(xiàn)機械故障時不能瞬間動作保護設備，時常出現(xiàn)風機、泵損壞，同時電機也被燒毀的現(xiàn)象。實際運行中，污水的水質、水量及環(huán)境等因素總處在變化之中，而且，根據(jù)不同的污水處理工藝往往采用調整閥、回流閥、截止閥等節(jié)流設備進行流量、壓力、水位等信號的控制。因此，風機、泵類設備在生產(chǎn)運行過程中，不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費和設備損耗。采用變頻調速器調控電機后，風機曝氣系統(tǒng)應能根據(jù)曝氣池溶解氧含量的變化及時調節(jié)電機轉速從而控制供氣量的大小，以保證處理效果，并不致浪費能源；泵類設備根據(jù)污水處理工藝的變化要求及時調節(jié)電機轉速從而控制提升水量的大小和揚程，以保證工藝所需的水量要求，并不致浪費能源。變頻調速器還具有易操作、免維護、控制精度高，并可以實現(xiàn)高功能化等特點。

2 變頻調速器節(jié)能應用分析

2.1 變頻調速器在風機中的應用

變頻調速器在風機中有良好的節(jié)能作用。例如，某污水處理廠裝有電機功率為55kW的羅茨風機，由于水量的變化，風機的供風量也應相應調整，用變頻調速器改變電動機轉速來調節(jié)風量，不僅大大提高了風機運行效率，而且達到節(jié)能目的。把電源的頻率由原來的50Hz調到30Hz進行驅動風機，滿足了生產(chǎn)所需風量。根據(jù)電機學原理，交流異步電動機的轉速為

其中，n為電機轉速，s為轉差率，p為定子極對數(shù)，f為電源頻率［3］。

從式（2）中可以看出，在保持p，s不變的條件下，若均勻地改變f，則可以平滑地改變電機的轉速。由風機的比例定律可知，風機風量與轉速及軸功率的關系為

其中，Q1，Q2為風量，p1，p2為軸功率，n1，n2為轉速［4］。

安裝變頻調速器后，電動機的實際功率為35.8kW功率減少了19.2kW，年可節(jié)約電能約1618萬kWh，節(jié)能效果十分明顯，經(jīng)濟效益顯著。

2.2 變頻調速器在水泵中的應用

水泵房是污水處理工程的一類用戶，也是其主要用電設備之一。水泵電機功率較大，水泵起動時起動電流大，嚴重影響同電網(wǎng)電氣設備的使用。即使我們采用Y/△轉換，自耦降壓，磁控降壓等方式起動限流，但仍存在許多問題：如起動瞬間電流尖峰沖擊，負載適應性較差，接觸器等起動設備維護量大而且水泵受到的機械沖擊較大，容易造成水泵軸承、葉輪的損壞。采用變頻調速器起動，可實現(xiàn)水泵無級調速起動，起動電流小，起動輸出力矩恒定，無較大的機械沖擊，大大減少水泵的維護和材料的投入。例如，某污水處理廠原有水泵房，水泵型號為D-85-45×7，流量為85m3/h，電機型號為Y315M1-2，功率為132kW，選用型號為MM-120變頻調速器驅動。雖然污水處理廠的水量大小與管網(wǎng)設施、氣候條件及工藝等因素有關，但無水廠一年四季基本上都是正常進水。水泵選型設計時為了保證水泵穩(wěn)定工作，水泵的初始揚程Ho與實際揚程之間必須滿足HsY≤0.9Ho。因此在滿足水泵足夠揚程條件下，可通過變頻調速器調速來降低能耗。且在不同時所需水量不同，就可以通過變頻調速器來調節(jié)水量實現(xiàn)節(jié)能，公式為：

其中，△P為節(jié)約的電功率，P為額定轉速時電機輸入功率，n為電機額定轉速，n′為變頻后的轉速，η為實際節(jié)電效率［4-5］。

根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，該水泵用變頻調速器驅動一年可節(jié)約電能9萬kWh左右。同時，由于減少泵的起動和停止次數(shù)，減少了起動停機電耗，降低了水泵的維護費用，效益十分可觀。

3 結束語

上文介紹了變頻調速器在污水處理工程應用的一些事例。其實，變頻調速器在污水處理行業(yè)乃至其它行業(yè)都得到了十分廣泛的應用。采用變頻調速技術，實現(xiàn)節(jié)能運行是我國節(jié)能的一項重點推廣技術，受到國家和各級政府的普遍重視，《中華人民共和國節(jié)約能源法》第39條就把它列為通用技術加以推廣。實踐證明，變頻調速器用于風機、泵類設備驅動控制場合取得了顯著的節(jié)電效果，是一種理想的調速控制方式。既提高了設備效率，又滿足了生產(chǎn)工藝要求，并且因此而大大減少了設備維護、維修費用，還降低了停產(chǎn)周期。直接和間接經(jīng)濟效益十分明顯，設備一次性投資通常可以在9個月到16個月的生產(chǎn)中全部收回。只要合理地選擇合適的變頻調速器，科學地應用變頻調速器，一定可以取得良好的經(jīng)濟效益。

［1］張燕賓.變頻調速應用實踐［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2000：138-145.

［2］許振茂.變頻調速裝置及其調試、運行與維修［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，1994：89-98.

［3］中國航空工業(yè)規(guī)劃研究院.工業(yè)與民用配電設計手冊［M］.第3版.北京：中國電力出版社，2005.

［4］李志明.變頻器的應用［M］.北京：中國機械出版社，1998.

［5］付家才.電氣控制工程實踐技術［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2004.

〔責任編輯 李?！?/p>

Application of Frequency Conversion and Speed Control Technology in Sewage Treatment Works

CHEN Yu
（Wuxi Industrial Waste Disposal Co.Ltd.Wuxi Jiangsu，214000）

This paper discusses the principle of frequency conversion and speed contral regulator，elaborated the frequency conversion and speed control technology in sewage treatment works，prores the technology has the obvious energy saving effect，the equipment in good protection function and needs less investment with quick returns.The technology will improve the economic efficiency of sewage treatment industry thus has a certain significance.

frequency conversion and speed control technology；sewage treatment works；application

TN344.6

A

1674-0874（2012）06-0023-03

2012-09-15

陳宇（1978-），男，江蘇無錫人，工程師，研究方向：電氣工程。

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