变频节能技术在污水处理中的应用

电机系统节能EMCA电机与控制应用2010.37 (7)变频节能技术在污水处理中的应用冯东升，张智华，张金辉. (上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司,上海200063)摘要:介绍了变频节能技术在污水处理领域的应用,阐述了变频节能技术的节能原理。实际应用表明，该技术具有先进.节能效果显著等优点,在电机系统节能领城具有广阔的应用前景。关键词:变频调速;节能;污水处理;曝气风机中图分类号: TM 921.51文献标志码:A 文章 编号: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变频控制节能原理分析污水处理是高能耗行业之一,高能耗造成了污水处理中有较多的风机和水泵类负载。变污水处理设施成本高,同时也一定程度上加剧了频调速在风机和泵类负载上的应用具有显著的节我国现阶段的能源危机。发达国家在污水处理节能效果,并且具有无冲击起动和软停机的优良控能降耗方面进行了很多研究和实践,而国内污水制特性。因此,变频调速在风机、水泵的控制领域处理行业目前侧重在设施建设上,对于污水处理得到了广泛应用。的节能降耗及优化还未进行系统的研究,但国内l.1 变频调速的原理的需要使得大批污水处理厂已经建成投人运营。交流异步电动机的转速为因此,污水处理的节能降耗已成为行业亟需解决n =60f(1 -s)/np(1)的问题之一。式中:n一-电机转速;本文通过应用交流变频节能技术对实际某工n,-极对数;程应用中的污水处理工艺的鼓风机、进水泵等工f一定子供电频率; .艺设备进行控制调节。该技术使各系统风量、水s-转差率。流量等负荷工况参数按负荷情况得到适时调节,由式(1)可知,异步电动机的供电频率f与电不但能改善系统的调节品质,达到阀门、风门节/机的转速n呈线性关系。三相交流电动机磁通与回流调节等落后调节方式所不能相比的调节性转矩也是关键指标,决定于供电电压和频率的比能,更能节省大量电能。中国煤化工中,既要调节供电频"FHCNMHG●基金项目:上海市科学技术委员会资助(08DZ1201001 )一60-电机与控制应用2010,37 (7)电机系统节能‘EMCA1.2节能原理图1(b)为转矩与电机速度的关系曲线,从中可以风机、水泵都是典型的平方减转矩负载,下面看出:当采用变频调速时，可以根据需要调节电动以风机的工作特性来分析节能原理。机转速,改变风机的性能曲线,使风机满足工艺要风机的电动机轴功率P。与其流量Q、风压p求。之间的关系如下:P.∞Qxp(2)压力t转速mz时转速n时当电动机的转速为n、n时，流量由Q,变化阻力曲线到Q2,此时Qp、P.相对于转速的关系如下:HFQ2 =Q x(n2/n)(3)H2Pz =p x (n2/n)(4)22 QPa =P。x (n2/n)'(5)(a)风机压力与流量的关系曲线由式(3) ~(5)可看出,调节电机转速即可调节流量,风压与转速的2次方成正比,风机轴功率功率R(功率输出)与转速的3次方成正比。从理论上转矩T|功率与转速的立方成正比讲,速度降低10%时会带来约30%的功率下降，转矩与转速的由于功率的大幅度降低,可获得显著的节能效果。平方成正比调速后与调速前的功率理论比值如表1所示。表1调速后与调速前功宰理论比值100%转速n2/nyP2/P.节电率/%(b)转矩与电机速度的关系曲线100.00.09(73.0图1风机变频调速 相关曲线38.6851.049.0734.066.02变频节能技术的应用6C21.678.42.1实例分析5013.0污水处理的一般过程为污水先进人提升泵站,然后依次通过曝气沉砂.氧化沟、二沉池,把水图1(a)显示了风机压力与流量的关系曲线，和污泥彻底分离,处理过的水打到排污口。其简.单的示意图如图2所示。格栅曝勹池二级沉淀消毒池赦提升泵沉砂池回流污泥C回流泵中国煤化工图2污水处理流程示MHCNMHG-61一电机系统节能. EMCA电机与控制应用2010.37 (7)某污水处理厂,根据厂区实际工况，首先用2调节调节器,改变电机运行频率,根据需求起停I台90kW和1台37 kW的污水提升泵将污水提频运行风机。变频器检修时可切换到现有系统运升到8 m的高度,进行污水处理;曝气池采用3台行,保证生产。200 kW的单级离心式鼓风机通过进风口风门调一拖一控制 系统的优点在于运行平稳,软起节曝气量;回流污泥通过2台30 kW潜水泵已经软停;变频运行的调节范围广, 避免水泵变频时最变频运行,其具体主要设备技术参数分别如表低频率限制产生的工变频切换引起的阶跃,造成2 ~4所示。系统运行产生跳跃的情况;系统的所有电机均运.行在变频状态,节能效果相当明显。表2曝气鼓风机技术参数额定功额定电额定电额定转速/风压进风风1 电流/率/kW压/V/A (r.min~") /kPa 开度/(%) AAC380V/50Hz20803652 9747219接DCS变频器交频器交频器工变频]原软起动柜转换控制表3提升泵技术参数定t额定功额定电额定电额定转速/流量/扬程/率/kW压/V 流/A (r.min~') (m' .h-")9C18735 1 600-2700 8由由电3738074970 600-1 200图3提升水泵变频- 拖一控制示意图表4回流污泥泵技术参数额定功额定电额定电额定转速/ 流量/3节能效果分析率/kW压/V 流/A (r.min-') (m' .h-I)系统风机变频调速的节能分析及风口风门调3062970 900-1200 5节的鼓风机变频调速节能计算如下。系统在工频运行情况下,由于电网电压不变,设备运行情况为:曝气鼓风机目前采用软起改造前采用进风口风门调节,因此风机的进风和动器实现软起动,一般使用两台曝气风机运行,根出风的压差保持不变,可推导出公式为据需要的曝气量人工调节进风口风门;提升泵目前90 kW采用软起动器实现软起动,37 kW直接P.燃.兰(6)Pe“T。起动，每日污水处理量50 000 m'/d, 根据需要液式中:P.就一节流运行时的电功率;位传感器的反馈值控制电机起停保证水池水位-电机额定功率;基本恒定;回流污泥泵目前已经采用变频器自动12-节 流运行时的电机电流;变频调节,可以根据工艺需求调节水泵转速。通I.一-电机额定电流。过运行情况分析,曝气池通过检测池内氧含量来系统在变频运行情况下,由于频率的变化,使调节曝气风机,根据氧含量设置和检测得到的氧风机转速发生变化来保证输出的流量,变频后进含量信号控制曝气量。目前污水处理达不到节能风口风门全开,只要保证出口流量达到变频前的的要求,需对曝气鼓风机和提升泵环节进行变频流量即可,此时频率变化,流量、压力都在变化。技术改造。由此可得到采用变频后的耗电功率和采用变频前2.2变频节 能技术控制方案考虑该厂情况，对于曝气鼓风机,采用的耗电功率比值为中国煤化工200 kW变频器对3台曝气鼓风机实现一拖一变(7)频控制,控制原理示意图如图3所示。人工选择YHCNMHG任一台电机变频运行,起动系统后,人工根据需要式中:P.交频-变频运行时的电功率;一62-电机与控制应用2010.37 (7)电机系统节能' EMCAP.彼一-节流运行时的电功率;改造后不但节电效果比较明显,而且满足了工艺1,--节 流运行时的电机电流;要求。I.- -电 机额定电流。4结语因此可得节电率为实践证明变频节能技术在风机水泵控制领域Po.-P=1-(8)Pw节巍-(部的应用,可使传统的电力、电子设备工作在最佳状根据实测的数据和节能分析,对曝气鼓风机态,使设备处于高效节能的工作状态,不但延长设的节能理论分析计算如下。备的使用寿命,而月改善现有设备的运行工况、对于曝气鼓风机,在风机阀门开度为20%的提高系统的安全可靠性和设备利用率,使之在污情况下,变频运行后进风口风门全开,运行输出工水处理行业有着广阔的市场前景,值得大力推广况保持目前状态,且考虑额定电流为365 A,在实与应用。际运行下余量的要求,需要满足额定电流的1.2[参考文献]倍系数范围内,即电流为365/1.1=304 A。按照鼓风机满负载工况时电机运行电流为304 A计[1] 张燕宾.变频器应用教程[ M].北京:机械工业出版算,故鼓风机变频改造后的计算节电率为:1 -社2007. .(219/304)2=51. 9%。通过变频改造后对系统2] 陈伟.机泵选用[ M].北京:化学工业出版社,2009.收稿日期:2010-06 -08节电效果检测,实际节电率达到45%。变频节能.(上接第59页)改造,采用与现有管路系统阻力特性相匹配的泵4系统优化案例替代原有泵。4.1工业循环冷却水 系统改造前泵运行的总功率为79.5 kW,改造后新业药业循环冷却水系统由3台160kW和为43.5kW,节能率为45%,两年内即可收回1台75 kW泵组成,主要服务于制冷机和全厂工投资。艺冷却。经过全面的系统测试，发现系统泵与系5.结语统阻力不匹配,泵的运行效率低,制冷机压降为正常水平的2倍多。根据系统分析,所采用的改造中国电机及电机驱动系统节能改造已列人我技术如下:国经济和社会发展“十- - 五规划”。要求在“十一(1)根据系统阻力特性重新配置泵;五"期间逐步实现电动机、风机、泵类设备和系统(2)水处理解决机组压降过大问题;的经济运行,发展电机调速节电技术。上海新亚(3)集中控制解决系统负荷变化问题。药业有限公司循环冷却水系统和上海市第七人民改造前泵运行平均功率200 kW ,改造后经过医院中央空调水系统,具有泵系统应用的普遍性3年运行其平均运行功率只要60 kW就能满足系和典型性,这两个系统的节能改造,体现了系统技统需求,节电率达70%。术整合的优势,取得了比单一设备改造更高的节4.2医院中央空调 系统能效益,在泵系统节能改造中具有复制可行性。上海市第七人民医院中央空调系统由2台溴化锂制冷机组、3台55 kW冷却泵和3台30 kW冷媒泵组成，正常运行情况下,1台制冷主机和[1] 中国电机系统节能项目组.中国电机系统能源效率1台冷却泵、1台冷媒泵运行。测试发现:冷却泵中国煤化工[业出版社,00.和冷媒泵的流量扬程与系统的阻力特性曲线不匹YHCNMH G:2010 -05 -25配。根据制冷机组的额定需求,对泵系统进行了一.63一