變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)在水處理裝置中的應(yīng)用

陳曉玲

(中國(guó)石化催化劑有限公司齊魯分公司 設(shè)備工程部，山東 淄博 255300)

隨著中國(guó)石化催化劑有限公司齊魯分公司生產(chǎn)能力的不斷提高及環(huán)保形勢(shì)的日益嚴(yán)峻，公司水處理裝置無(wú)論是處理水的總量還是循環(huán)回用水量都有了非常大的提高。目前裝置流程中所使用的離心泵和鼓風(fēng)機(jī)的處理能力也相應(yīng)比較大，這些設(shè)備大都耗能較高，電機(jī)功率一般為75kW，生化鼓風(fēng)機(jī)的功率為200kW。因此，針對(duì)水處理裝置中大型設(shè)備，探索節(jié)能技術(shù)對(duì)于我公司的節(jié)能降耗和創(chuàng)建綠色企業(yè)工作有著非常重要的意義。

無(wú)論鼓風(fēng)機(jī)還是離心泵都是使用三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，配備的電機(jī)一般都是根據(jù)整個(gè)裝置最大負(fù)荷來(lái)進(jìn)行選型的，所以選擇的電機(jī)功率較正常運(yùn)行時(shí)所需功率要高出許多。而在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，由于處理水量總是在不斷變化或生產(chǎn)來(lái)水量低于裝置設(shè)計(jì)能力，要對(duì)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。在未采用節(jié)能技術(shù)前，我們一般通過(guò)調(diào)節(jié)離心泵出口閥門的開度或?qū)θ~輪進(jìn)行切削加工來(lái)控制離心泵的流量或揚(yáng)程。這種方式雖然也能夠?qū)崿F(xiàn)泵的流量控制，但是因?yàn)轭~外增加了一部分管路阻力，使得電機(jī)消耗的功率增加,造成了能源浪費(fèi)，不符合現(xiàn)代企業(yè)能源管理體系對(duì)節(jié)能生產(chǎn)的要求；另外，采用對(duì)葉輪進(jìn)行切削的方式不僅降低了離心泵的效能，也不適合流量變化頻繁的場(chǎng)所，無(wú)法做到對(duì)流量進(jìn)行隨意調(diào)節(jié)。隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展以及企業(yè)對(duì)節(jié)能技術(shù)的要求日益提高，利用變頻調(diào)節(jié)技術(shù)來(lái)提高離心泵的利用率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果，在企業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

1 變頻調(diào)速的基本原理

我們知道，變頻調(diào)速是通過(guò)調(diào)整三相交流電的頻率來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速[1]，其關(guān)系如公式(1)所示：

n=60f(1-s)/p

(1)

其中：n——電機(jī)轉(zhuǎn)速；

f——為電源頻率；

s——轉(zhuǎn)差率；

p——電機(jī)極對(duì)數(shù)。

由公式(1)可以看出，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，因此可以通過(guò)改變電源頻率來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n，從而改變泵的流量和揚(yáng)程。

根據(jù)離心泵的特性曲線和管路特性曲線圖[2]，如圖1所示,n0表示管路中閥門開度不變時(shí)，水泵在額定轉(zhuǎn)速下?lián)P程與流量之間的關(guān)系曲線，稱為揚(yáng)程特性曲線。R1表示水泵轉(zhuǎn)速不變時(shí)，全揚(yáng)程與流量之間的關(guān)系曲線，稱為管阻特性曲線。當(dāng)兩條曲線交叉時(shí)，水泵運(yùn)行既滿足揚(yáng)程特性又滿足管阻特性，此時(shí)供水系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 水泵調(diào)速時(shí)的H-Q曲線

使用管道閥門控制時(shí)，如果想降低流量，就必須減少閥門開度，比如當(dāng)要求流量從QA減小到QB時(shí)，供水管道的阻力變大，管阻特性曲線從R1移到R2，揚(yáng)程則從HA上升到HB，運(yùn)行工況點(diǎn)從A點(diǎn)移到B點(diǎn)。

使用變頻調(diào)速控制時(shí)，由于閥門開度不變，管道的阻力不變，此時(shí)水泵的特性主要取決于其轉(zhuǎn)速。同樣當(dāng)要求流量從QA減小到QB時(shí)，速度從n0降到n1，運(yùn)行工況點(diǎn)從A點(diǎn)移到C點(diǎn)，揚(yáng)程從HA下降到HC。

根據(jù)離心泵特性曲線公式：P=(Q·H·ρ)/(102 ·η)

(2)

其中：P——為泵使用的工況點(diǎn)軸功率

Q——為使用工況點(diǎn)的流量；

H——為使用工況點(diǎn)的揚(yáng)程；

ρ——為輸出介質(zhì)的密度；

η——為使用工況點(diǎn)的泵的效率。

由公式(2)可以得出，在使用閥門調(diào)節(jié)時(shí),水泵在B點(diǎn)的軸功率和用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)水泵在C點(diǎn)的軸功率之差為：(B、C兩工況點(diǎn)輸出介質(zhì)流量Q相等)

PB=(QB·HB·ρ)/(102 ·η)

PC=(QC·HC·ρ)/(102 ·η)

ΔP=PB-PC=QB·(HB-HC)·ρ/(102 ·η)

(3)

由公式3可以看到，當(dāng)要求流量相同時(shí)，使用兩種不同的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，使用閥門調(diào)節(jié)與使用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)相比，有部分功率(即ΔP)被浪費(fèi)了。

由此可以看出，在離心泵的流量調(diào)節(jié)過(guò)程中，采用不同的調(diào)節(jié)方式，泵的軸功率不同，同樣將流量由QA調(diào)至QB時(shí)，采用變頻調(diào)速比調(diào)節(jié)出口閥開度消耗的軸功率要小，即Pc

Q2/Q1=N2/N1,H2/H1=(N2/N1)2,P2/P1=(N2/N1)3

流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降1/2，則流量下降1/2，揚(yáng)程下降3/4，軸功率下降7/8。因此，通過(guò)變頻調(diào)速來(lái)進(jìn)行離心泵的流量調(diào)節(jié)，在一定頻率運(yùn)行范圍內(nèi)，能夠大大節(jié)約電能消耗。采用變頻調(diào)速來(lái)控制流量時(shí)，離心泵的主要參數(shù)和軸功率變化[4]如表1所示。

表1 離心泵的主要參數(shù)和軸功率變化關(guān)系

2 變頻調(diào)速節(jié)能的應(yīng)用效果分析

目前我公司運(yùn)行的污水預(yù)處理裝置是在原有預(yù)處理裝置的基礎(chǔ)上新建投用的，此次新建裝置污水泵、二沉轉(zhuǎn)水泵、生化轉(zhuǎn)水泵、均質(zhì)池轉(zhuǎn)水泵和生化鼓風(fēng)機(jī)都采用了變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)，變頻前后泵的節(jié)電情況分析如表2所示。

表2 變頻調(diào)速節(jié)能效果分析

通過(guò)表2數(shù)據(jù)可以看出，采用變頻調(diào)速技術(shù)后，大大提高了泵的工作效率，降低了電耗，節(jié)約了生產(chǎn)運(yùn)行成本。按每年設(shè)備運(yùn)行365天，電價(jià)0.62元/千瓦時(shí)計(jì)算，每年可節(jié)約電量550萬(wàn)千瓦時(shí)，節(jié)約費(fèi)用341萬(wàn)元。同時(shí)，應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，延長(zhǎng)了機(jī)泵運(yùn)行壽命和檢修周期，減少了機(jī)泵故障，保障了生產(chǎn)正常運(yùn)行。目前，公司已將未采用變頻技術(shù)的4臺(tái)切渣泵列為2021年攻關(guān)項(xiàng)目，實(shí)施后將年節(jié)約用電約168萬(wàn)千瓦時(shí)，節(jié)約費(fèi)用約104萬(wàn)元。

3 變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用的注意事項(xiàng)及優(yōu)勢(shì)

(1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)摸索，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，系統(tǒng)效率下降比較明顯，一般低于額定轉(zhuǎn)速的40%～50%時(shí)，節(jié)能效果變差，因此應(yīng)避免因轉(zhuǎn)速過(guò)低導(dǎo)致的效率過(guò)低。

(2)對(duì)于自冷式電機(jī)，由于當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速也同時(shí)下降，若電機(jī)散熱不及時(shí)，將導(dǎo)致溫升升高損壞設(shè)備，因此要盡量保持電機(jī)轉(zhuǎn)速在一定范圍之內(nèi)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，一般應(yīng)保持在額定轉(zhuǎn)速的70%以上進(jìn)行調(diào)速。

(3)不通過(guò)調(diào)節(jié)閥來(lái)實(shí)現(xiàn)流量控制，在一定程度上可消除調(diào)節(jié)閥附加阻力的多余動(dòng)力消耗，從而起到節(jié)能的作用。

(4)采用變頻調(diào)速技術(shù)，改善機(jī)泵的運(yùn)行條件，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，減少維護(hù)費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)了裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行。

(5)采用變頻調(diào)速技術(shù)，在一定程度上減低了裝置噪音(特別是羅茨鼓風(fēng)機(jī))，改善了工作環(huán)境。