变频器在污水处理中的节能改造

摘要：本文对中山污水处理厂一期氧化沟曝气机设备的节能改造进行了分析，阐述了变频器的应用和节能效果。

关键词：污水处理；变频控制；节能改造

中图分类号： U664.9+2 文献标识码： A 文章编号：

随着经济快速发展，能源约束矛盾日益突出，已经成为经济和社会发展的重要制约因素之一。一方面能源供应紧张，另一方面由于经济粗放型增长，能源利用效率低，浪费大，污染重。节能降耗、挖潜增效已成为当今社会的主流。

作为一个能源短缺的国家，节能显得尤为重要。污水处理厂是一个耗电大户,合理的搞好设备的节能降耗工作，对自身将带来良好的经济效益,同时可缓解社会用电紧张的问题。厂内主要的用电设备包括：进水提升泵；生化处理系统的曝气鼓风机；污泥处理系统的加药泵，污泥输送泵；螺旋离心脱水机；排架式紫外消毒器；排泥系统的刮泥机和回流污泥泵等设备。在污水处理厂采用变频调速技术，既可实现无级调速，满足污水处理工艺过程中各项指标对电机速度控制的要求，保证工艺流程的相对稳定，又可实现节约能源、减少相关设备的开停次数，延长设备使用寿命，可解决由于工程实际运行规模与设计规模不一致带来的运行过程的偏差，对协调各工艺流程之间匹配关系起到重要的调节作用，因此变频调速技术在污水处理厂的生产过程中得到越来越广泛的应用。

一、变频节能的原理

根据风机的性能特性曲线，风机属于平方转矩负载，使用转速控制时，可选择变频器恒V/f输出模式，根据流体力学原理，流量Q、扬程H、轴功率P和转速N的关系如下：

Q/Q1=N/N1 H/H1=（N/N1）2 P/P1=（N/N1）3

其中：

P为电动机的轴功率 Q1:使用工况点的流量

P1为电动机的额定功率 Q：使用变频时的流量

N为电机的转速 H1：使用工况点的扬程

N1为电机额定转速。 H：使用变频时的扬程

交流感应电动机的调速原理频率与转速的关系：N=60f(1-s)/p

f:电机的电源频率p：电机的磁极对数s：电机转差率

由上述关系式可得出：

通过改变电机电源的频率f，就可以改变电机的转速N，就可以将轴功率以转速N的三次方的关系下降，效果将十分明显，在不影响工艺要求的前提下，适当降低转速N，可以达到较好的节能效果。

二、改造前的基本情况

在污水处理过程中，生化环节的曝气系统是污水处理的核心，其耗能在整个污水厂中所占比重较大，我厂一期有两个生化反应池，每个池配有三台150KW曝气机，所有曝气机均具有高低速两组线圈，可分别实现高低速旋转，并配备软启动器。曝气机有一个直径约4米的大叶轮，叶轮约有0.5米浸在水面以下，当叶轮旋转时四周溅起很大的水花，将空气中的氧气溶解在水花里，叶轮的转速越高，污水中溶解的氧气就会越多，这样为污水里的活性污泥中的微生物提供氧气。在正常生产中，根据总进水量和出水口的溶解氧的含量决定曝气机的运行速度，当进水量较大，污水中所需要的氧气相对增多，就需要曝气机高速运行，反之低速运行；当进水量变化较小，由于曝气机是工频恒速运行，工艺上为了将污水出水口的溶解氧含量（DO）控制在2mg/L,靠调节出水堰门的高度，改变曝气机叶轮浸没水中的深度，从而改变曝气量；当进水量不稳定，水量变化较大时，就需要频繁对机器进行高低速转换；这种控制方式，不仅浪费电能，而且操作强度较大，减少机器的使用寿命。

三、变频节能效果

1.变频器通过调节水泵电机转速的快慢来调节供水量，使其始终运行在高效节能状态。

2.变频器具有软起功能，减少了启动时大电流对设备的冲击，提高了工况质量，维护和维修量大幅度降低，降低了成本。

3.变频器具有欠压、缺相、过载、输出短路保护等功能。

四、结语

综上所述，随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展，生产工艺的改进及功率半导体器件价格的降低，变频调速越来越被工业上所采用。实践证明，利用变频器控制设备进行系统调试可以实现稳定达标运行，在低于设计负荷情况下实现正常运行和节能。一是满足了工艺上的要求，进一步减少了污水外排量，给用户带来了很大的实惠，取得了良好的社会和经济效益。

控制设计过程及改造方案

我厂的这种曝气方式在工艺上称为“表面曝气”，工程上为了便于运行管理，从宏观上控制曝气效果，减小盲目性，引入了“溶解氧（DO）”这一中间参数，溶解氧参数可以通过仪表在线监测。对于连续流的曝气池，无论水质、水量、水温等扰动如何变化，只要污水在曝气池出口的溶解氧浓度保持在某一设定值(如2mg/l)，就能从宏观上恰当地满足菌胶团繁殖、有机物分解的需要，保持污泥活性，实现污水的连续处理。曝气系统采用DO控制模式， 它是一种闭环调节的自动控制模式，即在控控器内先设定好污水中所需的溶解氧值，根据溶解氧探头反馈的溶氧值与设定值的偏差来调整曝气机的曝气量（见图1）。从风量理论分析，溶解氧值偏小，转速需要调高，溶解氧值偏大，转速调低。 在实际控制中，溶解氧设定值为工艺理论值，同溶解氧反馈信号比较后，根据偏差实时调节溅起水量的增减，最终使污水的溶解氧值稳定在设定值。这种模式可以在现有条件下实现关于水量、水质的最优控制，曝气效果较佳，节能效果显著。

鉴于上述分析，我们在一期两个生化池各选了一台曝气机进行节能改造，在原有的软启动柜旁加装了一台变频控制柜，原有的软启动柜作为备用，正常情况下使用变频柜，系统的可编程逻辑控制器和触摸屏均使用原先配有的。根据工艺和参数的要求，我们以生化池出水口处溶解氧探头测得的污水中溶解氧含量为反馈信号，在控制屏上设定需要的溶氧值（一般为2mg/L）,实现闭环控制。

控制系统由以下几部分组成:两个曝气池上各一套哈希SC100溶解氧检测仪，信号上传至曝气系统的控制装置；两套施耐德的Altivar71-200kw无速度反馈的U/f可调的变频器；控制系统选用美国A-B公司ControlLogix系列控制器，实时采集溶解氧信号，比较其与设定信号的偏差，根据偏差对鼓风机频率进行PID调节。

图（1） 改造后原理意图

PLC标签

PLC程序

PID组态

溶解氧不仅受曝气量的影响，同时还受进水水质及进水量的变化影响，我厂进水水质基本趋于稳定。进水量是不断变化的，为了增强控制的精度与响应速度,根据进水水量我把PID分为三个档次，即不同的进水量采用不同的比例控制、积分时间及微分时间。从而降低了进水量对溶解氧的影响。

改造后运行效果分析

曝气机安装变频调速装置后，节电效果非常明显。经过在相同条件下对安装前后实际测量，安装变频器前两台机月平均用电量为196990kw.h，改造后月平均用电量为179851kw.h，月平均节电约17139 kw.h，节电率约8.7%,电价按0.8元/ kw.h计算,每月可节约电费1.37万元。同时由于变频启动和调速，减少了设备启停的次数，延长了使用寿命。

由上述分析可知，变频调速技术的应用具有明显的节能效果，一般年内可收回全部投资，大力应用变频调速技术有很好的经济效益和社会效益。实践证明采用变频调速技术，不仅节约能源，而且对于提高整个系统的自动化水平，减轻工人的劳动强度，降低维修费用，延长设备使用寿命和检修周期，减轻电动机频繁起动对电网的冲击等各个方面都有显著的效果。

参考文献

[1] 韩安荣.通用变频器及其应用.北京:机械工业业版社