電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能EMCA電機(jī)與控制應(yīng)用2010.37 (7)變頻節(jié)能技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用馮東升，張智華，張金輝. (上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)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(jié)能技術(shù)在污水處理領(lǐng)域的應(yīng)用,闡述了變頻節(jié)能技術(shù)的節(jié)能原理。實際應(yīng)用表明，該技術(shù)具有先進(jìn).節(jié)能效果顯著等優(yōu)點,在電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能領(lǐng)城具有廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞:變頻調(diào)速;節(jié)能;污水處理;曝氣風(fēng)機(jī)中圖分類號: TM 921.51文獻(xiàn)標(biāo)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(jié)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(jī)和水泵類負(fù)載。變污水處理設(shè)施成本高,同時也一定程度上加劇了頻調(diào)速在風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載上的應(yīng)用具有顯著的節(jié)我國現(xiàn)階段的能源危機(jī)。發(fā)達(dá)國家在污水處理節(jié)能效果,并且具有無沖擊起動和軟停機(jī)的優(yōu)良控能降耗方面進(jìn)行了很多研究和實踐,而國內(nèi)污水制特性。因此,變頻調(diào)速在風(fēng)機(jī)、水泵的控制領(lǐng)域處理行業(yè)目前側(cè)重在設(shè)施建設(shè)上,對于污水處理得到了廣泛應(yīng)用。的節(jié)能降耗及優(yōu)化還未進(jìn)行系統(tǒng)的研究,但國內(nèi)l.1 變頻調(diào)速的原理的需要使得大批污水處理廠已經(jīng)建成投人運營。交流異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為因此,污水處理的節(jié)能降耗已成為行業(yè)亟需解決n =60f(1 -s)/np(1)的問題之一。式中:n一-電機(jī)轉(zhuǎn)速;本文通過應(yīng)用交流變頻節(jié)能技術(shù)對實際某工n,-極對數(shù);程應(yīng)用中的污水處理工藝的鼓風(fēng)機(jī)、進(jìn)水泵等工f一定子供電頻率; .藝設(shè)備進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。該技術(shù)使各系統(tǒng)風(fēng)量、水s-轉(zhuǎn)差率。流量等負(fù)荷工況參數(shù)按負(fù)荷情況得到適時調(diào)節(jié),由式(1)可知,異步電動機(jī)的供電頻率f與電不但能改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì),達(dá)到閥門、風(fēng)門節(jié)/機(jī)的轉(zhuǎn)速n呈線性關(guān)系。三相交流電動機(jī)磁通與回流調(diào)節(jié)等落后調(diào)節(jié)方式所不能相比的調(diào)節(jié)性轉(zhuǎn)矩也是關(guān)鍵指標(biāo),決定于供電電壓和頻率的比能,更能節(jié)省大量電能。中國煤化工中,既要調(diào)節(jié)供電頻"FHCNMHG●基金項目:上海市科學(xué)技術(shù)委員會資助(08DZ1201001 )一60-電機(jī)與控制應(yīng)用2010,37 (7)電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能‘EMCA1.2節(jié)能原理圖1(b)為轉(zhuǎn)矩與電機(jī)速度的關(guān)系曲線,從中可以風(fēng)機(jī)、水泵都是典型的平方減轉(zhuǎn)矩負(fù)載,下面看出:當(dāng)采用變頻調(diào)速時，可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)電動以風(fēng)機(jī)的工作特性來分析節(jié)能原理。機(jī)轉(zhuǎn)速,改變風(fēng)機(jī)的性能曲線,使風(fēng)機(jī)滿足工藝要風(fēng)機(jī)的電動機(jī)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(zhuǎn)速mz時轉(zhuǎn)速n時當(dāng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為n、n時，流量由Q,變化阻力曲線到Q2,此時Qp、P.相對于轉(zhuǎn)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(jī)壓力與流量的關(guān)系曲線由式(3) ~(5)可看出,調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速即可調(diào)節(jié)流量,風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的2次方成正比,風(fēng)機(jī)軸功率功率R(功率輸出)與轉(zhuǎn)速的3次方成正比。從理論上轉(zhuǎn)矩T|功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比講,速度降低10%時會帶來約30%的功率下降，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的由于功率的大幅度降低,可獲得顯著的節(jié)能效果。平方成正比調(diào)速后與調(diào)速前的功率理論比值如表1所示。表1調(diào)速后與調(diào)速前功宰理論比值100%轉(zhuǎn)速n2/nyP2/P.節(jié)電率/%(b)轉(zhuǎn)矩與電機(jī)速度的關(guān)系曲線100.00.09(73.0圖1風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速 相關(guān)曲線38.6851.049.0734.066.02變頻節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用6C21.678.42.1實例分析5013.0污水處理的一般過程為污水先進(jìn)人提升泵站,然后依次通過曝氣沉砂.氧化溝、二沉池,把水圖1(a)顯示了風(fēng)機(jī)壓力與流量的關(guān)系曲線，和污泥徹底分離,處理過的水打到排污口。其簡.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(jī)系統(tǒng)節(jié)能. EMCA電機(jī)與控制應(yīng)用2010.37 (7)某污水處理廠,根據(jù)廠區(qū)實際工況，首先用2調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器,改變電機(jī)運行頻率,根據(jù)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(jī)。變頻器檢修時可切換到現(xiàn)有系統(tǒng)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(jī)通過進(jìn)風(fēng)口風(fēng)門調(diào)一拖一控制 系統(tǒng)的優(yōu)點在于運行平穩(wěn),軟起節(jié)曝氣量;回流污泥通過2臺30 kW潛水泵已經(jīng)軟停;變頻運行的調(diào)節(jié)范圍廣, 避免水泵變頻時最變頻運行,其具體主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)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(tǒng)運行產(chǎn)生跳躍的情況;系統(tǒng)的所有電機(jī)均運.行在變頻狀態(tài),節(jié)能效果相當(dāng)明顯。表2曝氣鼓風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)額定功額定電額定電額定轉(zhuǎn)速/風(fēng)壓進(jìn)風(fēng)風(fēng)1 電流/率/kW壓/V/A (r.min~") /kPa 開度/(%) AAC380V/50Hz20803652 9747219接DCS變頻器交頻器交頻器工變頻]原軟起動柜轉(zhuǎn)換控制表3提升泵技術(shù)參數(shù)定t額定功額定電額定電額定轉(zhuǎn)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(shù)額定功額定電額定電額定轉(zhuǎn)速/ 流量/3節(jié)能效果分析率/kW壓/V 流/A (r.min-') (m' .h-I)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速的節(jié)能分析及風(fēng)口風(fēng)門調(diào)3062970 900-1200 5節(jié)的鼓風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能計算如下。系統(tǒng)在工頻運行情況下,由于電網(wǎng)電壓不變,設(shè)備運行情況為:曝氣鼓風(fēng)機(jī)目前采用軟起改造前采用進(jìn)風(fēng)口風(fēng)門調(diào)節(jié),因此風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)和動器實現(xiàn)軟起動,一般使用兩臺曝氣風(fēng)機(jī)運行,根出風(fēng)的壓差保持不變,可推導(dǎo)出公式為據(jù)需要的曝氣量人工調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)口風(fēng)門;提升泵目前90 kW采用軟起動器實現(xiàn)軟起動,37 kW直接P.燃.蘭(6)Pe“T。起動，每日污水處理量50 000 m'/d, 根據(jù)需要液式中:P.就一節(jié)流運行時的電功率;位傳感器的反饋值控制電機(jī)起停保證水池水位-電機(jī)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12-節(jié) 流運行時的電機(jī)電流;變頻調(diào)節(jié),可以根據(jù)工藝需求調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。通I.一-電機(jī)額定電流。過運行情況分析,曝氣池通過檢測池內(nèi)氧含量來系統(tǒng)在變頻運行情況下,由于頻率的變化,使調(diào)節(jié)曝氣風(fēng)機(jī),根據(jù)氧含量設(shè)置和檢測得到的氧風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化來保證輸出的流量,變頻后進(jìn)含量信號控制曝氣量。目前污水處理達(dá)不到節(jié)能風(fēng)口風(fēng)門全開,只要保證出口流量達(dá)到變頻前的的要求,需對曝氣鼓風(fēng)機(jī)和提升泵環(huán)節(jié)進(jìn)行變頻流量即可,此時頻率變化,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(jié) 能技術(shù)控制方案考慮該廠情況，對于曝氣鼓風(fēng)機(jī),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(jī)實現(xiàn)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(jī)變頻運行,起動系統(tǒng)后,人工根據(jù)需要式中:P.交頻-變頻運行時的電功率;一62-電機(jī)與控制應(yīng)用2010.37 (7)電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能' EMCAP.彼一-節(jié)流運行時的電功率;改造后不但節(jié)電效果比較明顯,而且滿足了工藝1,--節(jié) 流運行時的電機(jī)電流;要求。I.- -電 機(jī)額定電流。4結(jié)語因此可得節(jié)電率為實踐證明變頻節(jié)能技術(shù)在風(fēng)機(jī)水泵控制領(lǐng)域Po.-P=1-(8)Pw節(jié)巍-(部的應(yīng)用,可使傳統(tǒng)的電力、電子設(shè)備工作在最佳狀根據(jù)實測的數(shù)據(jù)和節(jié)能分析,對曝氣鼓風(fēng)機(jī)態(tài),使設(shè)備處于高效節(jié)能的工作狀態(tài),不但延長設(shè)的節(jié)能理論分析計算如下。備的使用壽命,而月改善現(xiàn)有設(shè)備的運行工況、對于曝氣鼓風(fēng)機(jī),在風(fēng)機(jī)閥門開度為20%的提高系統(tǒng)的安全可靠性和設(shè)備利用率,使之在污情況下,變頻運行后進(jìn)風(fēng)口風(fēng)門全開,運行輸出工水處理行業(yè)有著廣闊的市場前景,值得大力推廣況保持目前狀態(tài),且考慮額定電流為365 A,在實與應(yīng)用。際運行下余量的要求,需要滿足額定電流的1.2[參考文獻(xiàn)]倍系數(shù)范圍內(nèi),即電流為365/1.1=304 A。按照鼓風(fēng)機(jī)滿負(fù)載工況時電機(jī)運行電流為304 A計[1] 張燕賓.變頻器應(yīng)用教程[ M].北京:機(jī)械工業(yè)出版算,故鼓風(fēng)機(jī)變頻改造后的計算節(jié)電率為:1 -社2007. .(219/304)2=51. 9%。通過變頻改造后對系統(tǒng)2] 陳偉.機(jī)泵選用[ M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.收稿日期:2010-06 -08節(jié)電效果檢測,實際節(jié)電率達(dá)到45%。變頻節(jié)能.(上接第59頁)改造,采用與現(xiàn)有管路系統(tǒng)阻力特性相匹配的泵4系統(tǒng)優(yōu)化案例替代原有泵。4.1工業(yè)循環(huán)冷卻水 系統(tǒng)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(tǒng)由3臺160kW和為43.5kW,節(jié)能率為45%,兩年內(nèi)即可收回1臺75 kW泵組成,主要服務(wù)于制冷機(jī)和全廠工投資。藝?yán)鋮s。經(jīng)過全面的系統(tǒng)測試，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)泵與系5.結(jié)語統(tǒng)阻力不匹配,泵的運行效率低,制冷機(jī)壓降為正常水平的2倍多。根據(jù)系統(tǒng)分析,所采用的改造中國電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)節(jié)能改造已列人我技術(shù)如下:國經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展“十- - 五規(guī)劃”。要求在“十一(1)根據(jù)系統(tǒng)阻力特性重新配置泵;五"期間逐步實現(xiàn)電動機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備和系統(tǒng)(2)水處理解決機(jī)組壓降過大問題;的經(jīng)濟(jì)運行,發(fā)展電機(jī)調(diào)速節(jié)電技術(shù)。上海新亞(3)集中控制解決系統(tǒng)負(fù)荷變化問題。藥業(yè)有限公司循環(huán)冷卻水系統(tǒng)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)過醫(yī)院中央空調(diào)水系統(tǒng),具有泵系統(tǒng)應(yīng)用的普遍性3年運行其平均運行功率只要60 kW就能滿足系和典型性,這兩個系統(tǒng)的節(jié)能改造,體現(xiàn)了系統(tǒng)技統(tǒng)需求,節(jié)電率達(dá)70%。術(shù)整合的優(yōu)勢,取得了比單一設(shè)備改造更高的節(jié)4.2醫(yī)院中央空調(diào) 系統(tǒng)能效益,在泵系統(tǒng)節(jié)能改造中具有復(fù)制可行性。上海市第七人民醫(yī)院中央空調(diào)系統(tǒng)由2臺溴化鋰制冷機(jī)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(jī)和[1] 中國電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能項目組.中國電機(jī)系統(tǒng)能源效率1臺冷卻泵、1臺冷媒泵運行。測試發(fā)現(xiàn):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(tǒng)的阻力特性曲線不匹YHCNMH G:2010 -05 -25配。根據(jù)制冷機(jī)組的額定需求,對泵系統(tǒng)進(jìn)行了一.63一