變頻節能技術(shù)在污水處理中的應用

電機系統節能EMCA電機與控制應用2010.37 (7)變頻節能技術(shù)在污水處理中的應用馮東升，張智華，張金輝. (上海電機系統節能工程技術(shù)研究中心有限公司,上海200063)摘要:介紹了變頻節能技術(shù)在污水處理領(lǐng)域的應用,闡述了變頻節能技術(shù)的節能原理。實(shí)際應用表明，該技術(shù)具有先進(jìn).節能效果顯著(zhù)等優(yōu)點(diǎn),在電機系統節能領(lǐng)城具有廣闊的應用前景。關(guān)鍵詞:變頻調速;節能;污水處理;曝氣風(fēng)機中圖分類(lèi)號: TM 921.51文獻標志碼:A 文章 編號:1673-6540( 2010)07 00604Application of Variable Frequency Energy SavingTechnology in Sewage TreatmentFENG Dong-sheng，ZHANG Zhi-hua，ZHANG Jin-hui .(Shanghai Engineering Research Center of Molor System Energy Saving Co. ,Lud. ,Shanghai 200063 ,China)Abstract: Application of variable frequency energy eficiencey tchnology in sewage treatment field was into-duced, and the variable frequency principal was expounded. As indicated, the technology is advanced , and the ener-gry conservation is effective ，has broad application prospects on energy conservation of the motor system.Key words: variable frequency speed regulation; energy saving; sewage treatment; aeration fan)引言1變頻控制節能原理分析污水處理是高能耗行業(yè)之一,高能耗造成了污水處理中有較多的風(fēng)機和水泵類(lèi)負載。變污水處理設施成本高,同時(shí)也一定程度上加劇了頻調速在風(fēng)機和泵類(lèi)負載上的應用具有顯著(zhù)的節我國現階段的能源危機。發(fā)達國家在污水處理節能效果,并且具有無(wú)沖擊起動(dòng)和軟停機的優(yōu)良控能降耗方面進(jìn)行了很多研究和實(shí)踐,而國內污水制特性。因此,變頻調速在風(fēng)機、水泵的控制領(lǐng)域處理行業(yè)目前側重在設施建設上,對于污水處理得到了廣泛應用。的節能降耗及優(yōu)化還未進(jìn)行系統的研究,但國內l.1 變頻調速的原理的需要使得大批污水處理廠(chǎng)已經(jīng)建成投人運營(yíng)。交流異步電動(dòng)機的轉速為因此,污水處理的節能降耗已成為行業(yè)亟需解決n =60f(1 -s)/np(1)的問(wèn)題之一。式中:n一-電機轉速;本文通過(guò)應用交流變頻節能技術(shù)對實(shí)際某工n,-極對數;程應用中的污水處理工藝的鼓風(fēng)機、進(jìn)水泵等工f一定子供電頻率; .藝設備進(jìn)行控制調節。該技術(shù)使各系統風(fēng)量、水s-轉差率。流量等負荷工況參數按負荷情況得到適時(shí)調節,由式(1)可知,異步電動(dòng)機的供電頻率f與電不但能改善系統的調節品質(zhì),達到閥門(mén)、風(fēng)門(mén)節/機的轉速n呈線(xiàn)性關(guān)系。三相交流電動(dòng)機磁通與回流調節等落后調節方式所不能相比的調節性轉矩也是關(guān)鍵指標,決定于供電電壓和頻率的比能,更能節省大量電能。中國煤化工中,既要調節供電頻"FHCNMHG●基金項目:上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì )資助(08DZ1201001 )一60-電機與控制應用2010,37 (7)電機系統節能‘EMCA1.2節能原理圖1(b)為轉矩與電機速度的關(guān)系曲線(xiàn),從中可以風(fēng)機、水泵都是典型的平方減轉矩負載,下面看出:當采用變頻調速時(shí)，可以根據需要調節電動(dòng)以風(fēng)機的工作特性來(lái)分析節能原理。機轉速,改變風(fēng)機的性能曲線(xiàn),使風(fēng)機滿(mǎn)足工藝要風(fēng)機的電動(dòng)機軸功率P。與其流量Q、風(fēng)壓p求。之間的關(guān)系如下:P.∞Qxp(2)壓力t轉速mz時(shí)轉速n時(shí)當電動(dòng)機的轉速為n、n時(shí)，流量由Q,變化阻力曲線(xiàn)到Q2,此時(shí)Qp、P.相對于轉速的關(guān)系如下:HFQ2 =Q x(n2/n)(3)H2Pz =p x (n2/n)(4)22 QPa =P。x (n2/n)'(5)(a)風(fēng)機壓力與流量的關(guān)系曲線(xiàn)由式(3) ~(5)可看出,調節電機轉速即可調節流量,風(fēng)壓與轉速的2次方成正比,風(fēng)機軸功率功率R(功率輸出)與轉速的3次方成正比。從理論上轉矩T|功率與轉速的立方成正比講,速度降低10%時(shí)會(huì )帶來(lái)約30%的功率下降，轉矩與轉速的由于功率的大幅度降低,可獲得顯著(zhù)的節能效果。平方成正比調速后與調速前的功率理論比值如表1所示。表1調速后與調速前功宰理論比值100%轉速n2/nyP2/P.節電率/%(b)轉矩與電機速度的關(guān)系曲線(xiàn)100.00.09(73.0圖1風(fēng)機變頻調速 相關(guān)曲線(xiàn)38.6851.049.0734.066.02變頻節能技術(shù)的應用6C21.678.42.1實(shí)例分析5013.0污水處理的一般過(guò)程為污水先進(jìn)人提升泵站,然后依次通過(guò)曝氣沉砂.氧化溝、二沉池,把水圖1(a)顯示了風(fēng)機壓力與流量的關(guān)系曲線(xiàn)，和污泥徹底分離,處理過(guò)的水打到排污口。其簡(jiǎn).單的示意圖如圖2所示。格柵曝勹池二級沉淀消毒池赦提升泵沉砂池回流污泥C回流泵中國煤化工圖2污水處理流程示MHCNMHG-61一電機系統節能. EMCA電機與控制應用2010.37 (7)某污水處理廠(chǎng),根據廠(chǎng)區實(shí)際工況，首先用2調節調節器,改變電機運行頻率,根據需求起停I臺90kW和1臺37 kW的污水提升泵將污水提頻運行風(fēng)機。變頻器檢修時(shí)可切換到現有系統運升到8 m的高度,進(jìn)行污水處理;曝氣池采用3臺行,保證生產(chǎn)。200 kW的單級離心式鼓風(fēng)機通過(guò)進(jìn)風(fēng)口風(fēng)門(mén)調一拖一控制 系統的優(yōu)點(diǎn)在于運行平穩,軟起節曝氣量;回流污泥通過(guò)2臺30 kW潛水泵已經(jīng)軟停;變頻運行的調節范圍廣, 避免水泵變頻時(shí)最變頻運行,其具體主要設備技術(shù)參數分別如表低頻率限制產(chǎn)生的工變頻切換引起的階躍,造成2 ~4所示。系統運行產(chǎn)生跳躍的情況;系統的所有電機均運.行在變頻狀態(tài),節能效果相當明顯。表2曝氣鼓風(fēng)機技術(shù)參數額定功額定電額定電額定轉速/風(fēng)壓進(jìn)風(fēng)風(fēng)1 電流/率/kW壓/V/A (r.min~") /kPa 開(kāi)度/(%) AAC380V/50Hz20803652 9747219接DCS變頻器交頻器交頻器工變頻]原軟起動(dòng)柜轉換控制表3提升泵技術(shù)參數定t額定功額定電額定電額定轉速/流量/揚程/率/kW壓/V 流/A (r.min~') (m' .h-")9C18735 1 600-2700 8由由電3738074970 600-1 200圖3提升水泵變頻- 拖一控制示意圖表4回流污泥泵技術(shù)參數額定功額定電額定電額定轉速/ 流量/3節能效果分析率/kW壓/V 流/A (r.min-') (m' .h-I)系統風(fēng)機變頻調速的節能分析及風(fēng)口風(fēng)門(mén)調3062970 900-1200 5節的鼓風(fēng)機變頻調速節能計算如下。系統在工頻運行情況下,由于電網(wǎng)電壓不變,設備運行情況為:曝氣鼓風(fēng)機目前采用軟起改造前采用進(jìn)風(fēng)口風(fēng)門(mén)調節,因此風(fēng)機的進(jìn)風(fēng)和動(dòng)器實(shí)現軟起動(dòng),一般使用兩臺曝氣風(fēng)機運行,根出風(fēng)的壓差保持不變,可推導出公式為據需要的曝氣量人工調節進(jìn)風(fēng)口風(fēng)門(mén);提升泵目前90 kW采用軟起動(dòng)器實(shí)現軟起動(dòng),37 kW直接P.燃.蘭(6)Pe“T。起動(dòng)，每日污水處理量50 000 m'/d, 根據需要液式中:P.就一節流運行時(shí)的電功率;位傳感器的反饋值控制電機起停保證水池水位-電機額定功率;基本恒定;回流污泥泵目前已經(jīng)采用變頻器自動(dòng)12-節 流運行時(shí)的電機電流;變頻調節,可以根據工藝需求調節水泵轉速。通I.一-電機額定電流。過(guò)運行情況分析,曝氣池通過(guò)檢測池內氧含量來(lái)系統在變頻運行情況下,由于頻率的變化,使調節曝氣風(fēng)機,根據氧含量設置和檢測得到的氧風(fēng)機轉速發(fā)生變化來(lái)保證輸出的流量,變頻后進(jìn)含量信號控制曝氣量。目前污水處理達不到節能風(fēng)口風(fēng)門(mén)全開(kāi),只要保證出口流量達到變頻前的的要求,需對曝氣鼓風(fēng)機和提升泵環(huán)節進(jìn)行變頻流量即可,此時(shí)頻率變化,流量、壓力都在變化。技術(shù)改造。由此可得到采用變頻后的耗電功率和采用變頻前2.2變頻節 能技術(shù)控制方案考慮該廠(chǎng)情況，對于曝氣鼓風(fēng)機,采用的耗電功率比值為中國煤化工200 kW變頻器對3臺曝氣鼓風(fēng)機實(shí)現一拖一變(7)頻控制,控制原理示意圖如圖3所示。人工選擇YHCNMHG任一臺電機變頻運行,起動(dòng)系統后,人工根據需要式中:P.交頻-變頻運行時(shí)的電功率;一62-電機與控制應用2010.37 (7)電機系統節能' EMCAP.彼一-節流運行時(shí)的電功率;改造后不但節電效果比較明顯,而且滿(mǎn)足了工藝1,--節 流運行時(shí)的電機電流;要求。I.- -電 機額定電流。4結語(yǔ)因此可得節電率為實(shí)踐證明變頻節能技術(shù)在風(fēng)機水泵控制領(lǐng)域Po.-P=1-(8)Pw節巍-(部的應用,可使傳統的電力、電子設備工作在最佳狀根據實(shí)測的數據和節能分析,對曝氣鼓風(fēng)機態(tài),使設備處于高效節能的工作狀態(tài),不但延長(cháng)設的節能理論分析計算如下。備的使用壽命,而月改善現有設備的運行工況、對于曝氣鼓風(fēng)機,在風(fēng)機閥門(mén)開(kāi)度為20%的提高系統的安全可靠性和設備利用率,使之在污情況下,變頻運行后進(jìn)風(fēng)口風(fēng)門(mén)全開(kāi),運行輸出工水處理行業(yè)有著(zhù)廣闊的市場(chǎng)前景,值得大力推廣況保持目前狀態(tài),且考慮額定電流為365 A,在實(shí)與應用。際運行下余量的要求,需要滿(mǎn)足額定電流的1.2[參考文獻]倍系數范圍內,即電流為365/1.1=304 A。按照鼓風(fēng)機滿(mǎn)負載工況時(shí)電機運行電流為304 A計[1] 張燕賓.變頻器應用教程[ M].北京:機械工業(yè)出版算,故鼓風(fēng)機變頻改造后的計算節電率為:1 -社2007. .(219/304)2=51. 9%。通過(guò)變頻改造后對系統2] 陳偉.機泵選用[ M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.收稿日期:2010-06 -08節電效果檢測,實(shí)際節電率達到45%。變頻節能.(上接第59頁(yè))改造,采用與現有管路系統阻力特性相匹配的泵4系統優(yōu)化案例替代原有泵。4.1工業(yè)循環(huán)冷卻水 系統改造前泵運行的總功率為79.5 kW,改造后新業(yè)藥業(yè)循環(huán)冷卻水系統由3臺160kW和為43.5kW,節能率為45%,兩年內即可收回1臺75 kW泵組成,主要服務(wù)于制冷機和全廠(chǎng)工投資。藝冷卻。經(jīng)過(guò)全面的系統測試，發(fā)現系統泵與系5.結語(yǔ)統阻力不匹配,泵的運行效率低,制冷機壓降為正常水平的2倍多。根據系統分析,所采用的改造中國電機及電機驅動(dòng)系統節能改造已列人我技術(shù)如下:國經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展“十- - 五規劃”。要求在“十一(1)根據系統阻力特性重新配置泵;五"期間逐步實(shí)現電動(dòng)機、風(fēng)機、泵類(lèi)設備和系統(2)水處理解決機組壓降過(guò)大問(wèn)題;的經(jīng)濟運行,發(fā)展電機調速節電技術(shù)。上海新亞(3)集中控制解決系統負荷變化問(wèn)題。藥業(yè)有限公司循環(huán)冷卻水系統和上海市第七人民改造前泵運行平均功率200 kW ,改造后經(jīng)過(guò)醫院中央空調水系統,具有泵系統應用的普遍性3年運行其平均運行功率只要60 kW就能滿(mǎn)足系和典型性,這兩個(gè)系統的節能改造,體現了系統技統需求,節電率達70%。術(shù)整合的優(yōu)勢,取得了比單一設備改造更高的節4.2醫院中央空調 系統能效益,在泵系統節能改造中具有復制可行性。上海市第七人民醫院中央空調系統由2臺溴化鋰制冷機組、3臺55 kW冷卻泵和3臺30 kW冷媒泵組成，正常運行情況下,1臺制冷主機和[1] 中國電機系統節能項目組.中國電機系統能源效率1臺冷卻泵、1臺冷媒泵運行。測試發(fā)現:冷卻泵中國煤化工[業(yè)出版社,00.和冷媒泵的流量揚程與系統的阻力特性曲線(xiàn)不匹YHCNMH G:2010 -05 -25配。根據制冷機組的額定需求,對泵系統進(jìn)行了一.63一