變頻技術(shù)在紹興污水處理廠泵機(jī)運(yùn)行中的節(jié)能改造應(yīng)用

作者：蔡宇翔、蔡芝斌

摘要：紹興污水處理廠于2001年開(kāi)始運(yùn)行，其處理工藝中需實(shí)現(xiàn)污水的提升，變頻技術(shù)在水泵的控制中應(yīng)用十分廣泛。本文對(duì)變頻器的原理及在紹興污水處理廠運(yùn)行中所起作用和節(jié)能改造方面進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹和討論。

關(guān)鍵詞：紹興污水處理廠，水泵，變頻器應(yīng)用

水處理公司概況

紹興污水處理廠是浙江省重點(diǎn)工程，是市、縣兩級(jí)政府為改善紹興水質(zhì)，提高經(jīng)濟(jì)運(yùn)行質(zhì)量，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展而建設(shè)的大型基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，是實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)“一控雙達(dá)標(biāo)”工作的重要實(shí)施內(nèi)容之一。

紹興污水處理廠是目前國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的印染廢水處理廠，也是國(guó)內(nèi)年CODcr削減量最多的污水處理廠。設(shè)計(jì)處理規(guī)模為100萬(wàn)噸/日，一期30萬(wàn)噸/日于2001年6月份投運(yùn)，處理工藝采用厭氧水解一好氧活性污泥一混凝沉淀法，分預(yù)處理、生化處理、物化處理、污泥脫水填埋等四個(gè)工段。二期工程設(shè)計(jì)30萬(wàn)噸/日采用意大利全生化延時(shí)曝氣工藝，于2003年底投入試運(yùn)行，經(jīng)過(guò)半年多的調(diào)試，已達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行。三期工程計(jì)劃啟動(dòng)20萬(wàn)噸/日的曹娥江工程和20萬(wàn)噸/日的錢(qián)塘江工程及錢(qián)塘江永久性排放管線和污泥發(fā)電工程。

紹興污水處理工程的實(shí)施，對(duì)于減輕錢(qián)塘江流域的污染，改善紹興的投資環(huán)境，推進(jìn)紹興市縣的城市化進(jìn)程，提高人民生活質(zhì)量和生存環(huán)境，都具有十分重要的作用。

水泵及變頻器在污水處理廠中的作用

2.1 水泵的作用

紹興污水處理廠目前負(fù)責(zé)60萬(wàn)噸污水的處理，其中水泵在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中起著不可估量的作用，主要用于進(jìn)水的提升，污水的回流，剩余污泥的排放和處理污水的外排等，其中20KW以上的水泵如下表：

2.2 變頻器的作用

在所有大于20KW水泵的控制中，共計(jì)采用36臺(tái)變頻器，正因?yàn)樽冾l器在污水處理中起了重要的作用，在二期工程中全部水泵均采用變頻控制，變頻控制的主要作用有以下幾點(diǎn)：

• 采用變頻器控制泵機(jī)的轉(zhuǎn)速，取消閥門(mén)調(diào)節(jié)，降低了設(shè)備的故障率，節(jié)電效果顯著；

• 采用變頻器控制泵機(jī)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，避免了對(duì)電網(wǎng)的沖擊；

• 泵機(jī)在低于額定轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下運(yùn)行，減少了噪聲對(duì)環(huán)境的影響；

• 采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的全自動(dòng)控制，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性；

• 具有過(guò)載、過(guò)壓、過(guò)流、欠壓、電源缺相等自動(dòng)保護(hù)功能及聲光報(bào)警功能；

• 自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單，且可與壓力、液位、閥門(mén)等其它自控裝置進(jìn)行電氣聯(lián)鎖。

水泵變頻調(diào)速原理

紹興污水處理廠雖采用了多種變頻器，但其控制原理是一致的，變速調(diào)速也稱為變頻調(diào)速系統(tǒng)，它主要由變頻器和控制器兩大部分組成。變頻調(diào)速的基本原理是根據(jù)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與輸入頻率成比例的關(guān)系，通過(guò)改變供給電動(dòng)機(jī)三相電源的頻率值來(lái)達(dá)到改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

3.1 變頻器

變頻器的作用是將所接收的三相電源（如380V，50Hz）轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)節(jié)的三相電源。變頻器根據(jù)其變頻的原理分為直接變頻和間接變頻。直接變頻為交—交變頻；間接變頻為交—直—交變頻。間接變頻是指將交流經(jīng)整流器后變?yōu)橹绷?，然后再?jīng)逆變器調(diào)制為頻率可調(diào)的交流電。

交—直—交變頻器由順變器、中間濾波器和逆變器三部分組成。順變器就是整流器，它是一個(gè)晶閘管橋式電路，其作用為將定壓定頻的交流電變換為可調(diào)直流電，然后作為逆變器的直流供電電源；中間濾波器由電抗器或電容組成，其作用是對(duì)整流后的電壓或電流進(jìn)行濾波；逆變器也是三相橋式整流電路，但它的作用與順變器相反，綜將直流電變換（調(diào)制）為可調(diào)頻率的交流電，它是變頻器的主要部分。

紹興污水處理廠主要采用交—直—交頻器。

3.2 控制器

控制器是根據(jù)變頻調(diào)速的不同方式產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，控制逆變器中各功率開(kāi)關(guān)元件的工作狀態(tài)，使逆變器輸出預(yù)定頻率和預(yù)定電壓的交流電源?？刂破饔卸N控制方式：一種是以各種集成電路構(gòu)成的模擬控制方式；另一種是以單片機(jī)、微處理器構(gòu)成的數(shù)字控制方式。市場(chǎng)銷(xiāo)售的微電腦變頻器，就是使用單片微機(jī)或微處理器為控制核心的變頻器。

決定功率開(kāi)關(guān)器件（如晶閘管）動(dòng)作順序和時(shí)間分配規(guī)律的控制方法稱為脈寬調(diào)制（PWM）方法。用這種方法通過(guò)改變矩形脈沖的寬度可以控制逆變器輸出交流基波電壓的幅值；通過(guò)改變調(diào)制矩形脈沖波形的頻率（或周期）可以控制交流基波電壓的頻率。控制器輸出一組等幅而脈沖寬度隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化的矩形脈沖，用此脈沖電壓去觸發(fā)逆變器中的功率開(kāi)關(guān)器件，起到了功率放大作用。由于各個(gè)矩形脈沖波下的面積接近于正弦波下的面積，因此，逆變器的輸出電壓就接近于正弦波，這樣就能滿足變頻調(diào)速對(duì)電壓與頻率協(xié)調(diào)控制的要求。

變頻水泵在紹興污水處理廠的節(jié)能效果     

變頻調(diào)速取代傳統(tǒng)的閥門(mén)控制，可以達(dá)到節(jié)能效果，其過(guò)程主要由閥門(mén)的調(diào)節(jié)特性和變頻器調(diào)速來(lái)實(shí)現(xiàn)，以下對(duì)閥門(mén)特性和變頻調(diào)整進(jìn)行敘述。

4.1 閥門(mén)特性及變頻調(diào)速節(jié)能原理

紹興污水處理廠的泵機(jī)閥門(mén)均為電動(dòng)或手動(dòng)蝶閥，閥門(mén)的開(kāi)啟角度與管網(wǎng)壓力，流量的關(guān)系示意圖如下圖：

當(dāng)電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速n₀運(yùn)行，閥門(mén)角度以 P₀（全開(kāi)），a ，a1 變化時(shí)管道壓力與流量只能是沿A ，B ，C ，點(diǎn)變化。即若想減小管道流量到Q1 ，則必須減小閥門(mén)開(kāi)度到a1 ，這使得閥前壓力由原來(lái)的 P₀提高到Pq ，實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制后，閥后壓力由原來(lái)的 P₀降到Ph 。

閥前閥后存在一個(gè)較大的壓差△P=Pq-Ph 。如果讓閥門(mén)全開(kāi)（開(kāi)度為a0 ），采用變頻調(diào)速，使水泵轉(zhuǎn)速至n1 ，且流量等于Q1 ，壓力等于Ph ，那么在工藝上則與閥門(mén)調(diào)節(jié)一樣，達(dá)到控制的要求。而在電機(jī)的功耗上則大不一樣。水泵的軸功率與流量和揚(yáng)程或壓力的成績(jī)成正比。在流量為Q1 ，用閥門(mén)節(jié)流時(shí)，令電動(dòng)機(jī)的功率為Nf=KPh×Q1 。用變頻調(diào)速比閥門(mén)節(jié)流節(jié)省的電能為：Nj-Nf =K×(Pq -Ph)×Q1=Q1×△P 。

由圖可見(jiàn)，流量越低，閥門(mén)前后壓差越大，也就是說(shuō)用變頻調(diào)速在流量小，轉(zhuǎn)速低時(shí)，節(jié)能效果更好。目前絕大多數(shù)水泵控制系統(tǒng)中的流量調(diào)節(jié)都是通過(guò)閥門(mén)實(shí)現(xiàn)的，這種流量調(diào)節(jié)方式不但使水泵的效率降低，也使很多能量白白消耗在閥板上。為了節(jié)約電能，增加經(jīng)濟(jì)效益，采用變頻調(diào)速系統(tǒng)取代低效高能耗的閥門(mén)擋板，已成為單位節(jié)能改造的重點(diǎn)。

4.2 變頻調(diào)速的節(jié)能意義

水泵類負(fù)載多是根據(jù)滿負(fù)荷工作需用量來(lái)選型，實(shí)際應(yīng)用中大部分時(shí)間并非工作于滿負(fù)荷狀態(tài)，由于交流電機(jī)調(diào)速很困難。常用閥門(mén)的開(kāi)/停機(jī)，來(lái)調(diào)節(jié)流量，同時(shí)大電機(jī)在工頻狀態(tài)下頻繁開(kāi)/停比較困難，電力沖擊較大，勢(shì)必造成電能損耗和開(kāi)/停機(jī)時(shí)的電流沖擊。

采用變頻器直接控制水泵負(fù)載是一種最科學(xué)的控制方法，當(dāng)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速的80%運(yùn)行時(shí)，理論上其消耗的功率為額定功率的（80%）3 ，即51.2%，去除機(jī)械損耗電機(jī)銅、鐵損等影響。節(jié)能效率也接近40%，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)恒壓控制，節(jié)能效率將進(jìn)一步提高。

由于變頻器可實(shí)現(xiàn)大的電動(dòng)機(jī)的軟停、軟起，避免了啟動(dòng)時(shí)的電壓沖擊，減少電動(dòng)機(jī)故障率，延長(zhǎng)使用壽命，同時(shí)也降低了對(duì)電網(wǎng)的容量要求和無(wú)功損耗。為達(dá)到節(jié)能目的推廣使用變頻器已成為各地節(jié)能工作部門(mén)以及各單位節(jié)能工作的重點(diǎn)。

4.3 紹興污水處理廠變頻水泵節(jié)能估算

正因?yàn)樽冾l具備的最大好處是節(jié)能，紹興污水處理廠自設(shè)計(jì)就考慮到變頻器的應(yīng)用，并在一、二期工程予以實(shí)施，按照目前運(yùn)行的36臺(tái)變頻水泵來(lái)估算，總負(fù)荷達(dá)到5676KW，按泵機(jī)在額定轉(zhuǎn)速的80%運(yùn)行時(shí)，節(jié)能效率也接近40%，同時(shí)去除備用負(fù)荷和多臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行的能耗，計(jì)算一半負(fù)荷為2800KW，電費(fèi)為平均0.54元/度，節(jié)能計(jì)算為：

P₀＝2800×0.54×40%×24×30＝43.56萬(wàn)元/月，全年節(jié)電為500萬(wàn)元

紹興污水處理廠全年用電費(fèi)用為8000萬(wàn)元，在變頻器節(jié)能上占總用電費(fèi)用的6.3%。

變頻系統(tǒng)在紹興污水處理廠改造實(shí)例

在紹興污水處理廠一期工程中，經(jīng)調(diào)節(jié)池到厭氧池的污水由6臺(tái)軟啟動(dòng)泵控制，只能對(duì)幾種水量進(jìn)行提升，不能實(shí)現(xiàn)水量的連續(xù)調(diào)節(jié)，滿足不了工藝的要求，對(duì)生化處理效果產(chǎn)生一定的影響。尤其在二期工程建成投運(yùn)后，進(jìn)廠污水需實(shí)施來(lái)多少、處理多少的生產(chǎn)模式，導(dǎo)致生產(chǎn)中水量的調(diào)節(jié)存在一定的困難。而且由于潛污泵的設(shè)計(jì)余量較大，水泵的工作效率較低，在一定程度上會(huì)增加能耗，因此對(duì)進(jìn)水提升泵房的改造目前已有必要實(shí)施。

5.1進(jìn)水提升泵房現(xiàn)狀

進(jìn)水提升泵房目前設(shè)置六臺(tái)水泵，其中4臺(tái)160KW，2臺(tái)75KW，其額定流量分別為：3750m3/h和1875m3/h，其基本參數(shù)如下表：

六臺(tái)泵全部為軟啟動(dòng)控制，在閥門(mén)開(kāi)度一定的情況下，進(jìn)水量是分如下表：

5.2 改造實(shí)施的目的和效果

從現(xiàn)有的技術(shù)條件來(lái)看，在進(jìn)水提升泵房安裝變頻器，可以通過(guò)對(duì)潛污泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)流量。根據(jù)目前實(shí)際生產(chǎn)情況，在進(jìn)水提升泵房采用變頻器可達(dá)到以下四個(gè)目的：

• 可對(duì)進(jìn)水提升泵房采用變頻器調(diào)節(jié)潛污泵轉(zhuǎn)速，能實(shí)現(xiàn)在0－30萬(wàn)m3/天的平穩(wěn)調(diào)節(jié)，以達(dá)到對(duì)生化處理水量的平穩(wěn)調(diào)節(jié)；

• 在使用變頻器后潛污泵減速運(yùn)行，可大大減小機(jī)械損耗，延長(zhǎng)葉輪、軸承等運(yùn)行部件的使用壽命和維護(hù)周期；

• 具有節(jié)能效果，主要體現(xiàn)在二個(gè)方面：節(jié)能效果由于目前使用的潛污泵設(shè)計(jì)余量較大，潛污泵未在調(diào)試區(qū)運(yùn)行，使運(yùn)行效率降低，采用變頻器后可以改變其機(jī)械特性，使其在高效區(qū)域運(yùn)行，提高泵機(jī)效率。根據(jù)相關(guān)公式估算，當(dāng)流量的降低與功率消耗的降低大致呈平方比關(guān)系，因此減小流量后的節(jié)能效率較好；

• 根據(jù)進(jìn)水量的多少及液位的高低，可實(shí)現(xiàn)水量的自動(dòng)穩(wěn)定提升。

5.3 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)以上分析，我們?cè)谶@次實(shí)施變頻器改造首先應(yīng)在滿足第一個(gè)目的基礎(chǔ)上再來(lái)實(shí)現(xiàn)其后目的。為此我們可以制定如下兩個(gè)方案：

第一套方案：一套“一控二”，“一控二”切換的方式為一臺(tái)變頻器對(duì)兩臺(tái)中任何一臺(tái)160KW的大泵進(jìn)行調(diào)速控制。（如下圖）

第二套方案：三套“一控二”，三套“一控二”切換的方式對(duì)三臺(tái)變頻器對(duì)四臺(tái)160KW的大泵和二臺(tái)75KW的小泵分別進(jìn)行調(diào)速控制。（如下圖）

5.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

節(jié)能與投資回報(bào)率的計(jì)算公式如下：　　

年節(jié)能估算：▽P1＝160KW×24h×365天×0.54元/度×節(jié)能百分比×2臺(tái)

投資回報(bào)率：N＝▽P1/總投資

此次變頻改造的數(shù)據(jù)如下表：

5.4.1第一種方案：加一臺(tái)變頻器投資最小，可實(shí)現(xiàn)流量平穩(wěn)調(diào)節(jié)。在低水量情況下效果較好，在正常處理水量時(shí)節(jié)能效果欠佳。但如不能確定其它幾種方案的實(shí)施效果，可作為其它幾種方案實(shí)施的第一步進(jìn)行實(shí)施。在三種典型狀態(tài)下其節(jié)能效果估算如下（總投資按方案下浮值165000元算）：

在18萬(wàn)立方/天流量情況下的節(jié)能估算(控制方式：一臺(tái)變頻大泵和一臺(tái)工頻大泵) ▽P1為38.6萬(wàn)元，投資回報(bào)率：為233%；在21萬(wàn)立方/天流量情況下的節(jié)能估算(控制方式：一臺(tái)變頻大泵和一臺(tái)工頻大泵) ▽P1為17.1萬(wàn)元，投資回報(bào)率：103%；在23萬(wàn)立方/天流量情況下的節(jié)能估算(控制方式：一臺(tái)變頻大泵和一臺(tái)工頻大泵加一臺(tái)工頻小泵) ▽P1為37.3萬(wàn)元，投資回報(bào)率226%。

5.4.2第二種方案：加三臺(tái)變頻器能實(shí)現(xiàn)第二種方案的功能，在節(jié)能水平上有所提高，且大部分狀態(tài)下均為變頻運(yùn)行。其缺點(diǎn)為兩臺(tái)小泵的改造空間位置較難確定(共計(jì)需增加三臺(tái)變頻器控制柜)，投資比第二種增加35%。在三種典型狀態(tài)下其節(jié)能效果估算如下（總投資按方案下浮值465000元算）：

在18萬(wàn)立方/天流量情況下的節(jié)能估算(兩臺(tái)變頻大泵和一臺(tái)變頻小泵) ▽P1為64.4萬(wàn)元，投資回報(bào)率：151%；在21萬(wàn)立方/天流量情況下的節(jié)能估算(兩臺(tái)變頻大泵和一臺(tái)工或變頻小泵) ▽P1為27.37萬(wàn)元，投資回報(bào)率：60%；在23萬(wàn)立方/天流量情況下的節(jié)能估算(兩臺(tái)變頻大泵和一臺(tái)工頻小泵，如三臺(tái)變頻同時(shí)運(yùn)行，按測(cè)算其節(jié)能只有21%，故只開(kāi)兩臺(tái)變頻泵，從而達(dá)到最佳效果31%)▽P1為57.8萬(wàn)元，投資回報(bào)率：124%。

5.5 分析與實(shí)施

通過(guò)綜合因素分析，采用了第一種方案，在招標(biāo)后由浙江有色金屬監(jiān)理有限公司自動(dòng)化分公司中標(biāo)，實(shí)際標(biāo)價(jià)為12.8萬(wàn)元，采用一臺(tái)160KW的三菱變頻器，于2004年年初改造完畢，改造后的實(shí)際運(yùn)行為一臺(tái)160KW變頻水泵和一臺(tái)160KW工頻水泵加一臺(tái)75KW的工頻水泵運(yùn)行。

經(jīng)過(guò)半年多的運(yùn)行，其節(jié)電較為明顯，統(tǒng)計(jì)達(dá)到了14.3萬(wàn)元，實(shí)現(xiàn)了改造前的預(yù)期效果，收回了投資，目前正在考慮實(shí)施第二種方案，為三期工程建設(shè)的20萬(wàn)噸/日的污水處理廠配套，用來(lái)提升50萬(wàn)噸/日的污水，實(shí)現(xiàn)整個(gè)污水處理廠全流程的變頻控制，達(dá)到節(jié)能增效的目的。

今后打算

• 需充分利用其內(nèi)在數(shù)據(jù)如運(yùn)行功率、頻率、電流、電度、運(yùn)行時(shí)間等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析；

• 要合理調(diào)節(jié)變頻器的運(yùn)行頻率，將其設(shè)定在最佳數(shù)值，在多臺(tái)變頻泵開(kāi)并列運(yùn)行時(shí)，優(yōu)化配合運(yùn)行頻率，達(dá)到最佳節(jié)能效果；

• 在一些工區(qū)要優(yōu)化改造，如在進(jìn)行垣壓供水、自動(dòng)控制等方面的探討與改造；

• 對(duì)變頻器進(jìn)行日常維護(hù)與保養(yǎng)：對(duì)配電設(shè)施及時(shí)通風(fēng)散熱，吸附的灰塵定期清理，并在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行清掃與保養(yǎng)；

• 在高壓的設(shè)備啟動(dòng)與運(yùn)行中，償試?yán)米冾l器控制，達(dá)到較大的節(jié)能效果；

• 在今后的三期工程中，考慮全流量的變頻控制，以免資源的浪費(fèi)。

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