污水處理廠的變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用探討

胡清云

（南昌高新工程管理有限公司，江西 南昌330096）

1 概述

隨著城市化、工業(yè)化進(jìn)程加快，因工業(yè)生產(chǎn)和城市集聚產(chǎn)生的污水量迅速增加，水環(huán)境污染成為需急待解決的問(wèn)題。目前全國(guó)各地建設(shè)了一大批污水處理廠，由于電費(fèi)、藥劑、人力費(fèi)用的不斷上漲，使在運(yùn)行的污水處理廠的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用也不斷增加，從某種程度上阻礙了污水處理廠的正常運(yùn)營(yíng)，使得一大批污水處理不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。為此，解決污水廠運(yùn)行能耗問(wèn)題，合理配置能源勢(shì)在必行。經(jīng)大量統(tǒng)計(jì)分析污水處理廠能耗主要集中在曝氣風(fēng)機(jī)和進(jìn)水提升泵上面，約占整個(gè)污水處理廠能耗的50～70%，如何降低污水處理廠曝氣風(fēng)機(jī)、進(jìn)水提升泵能耗系實(shí)現(xiàn)污水處理廠節(jié)能、降低運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的有效途經(jīng)。

2 污水處理廠應(yīng)用變頻調(diào)速節(jié)能原理

2.1 變頻器調(diào)速原理與特性

隨著電子科技的不斷發(fā)展，新型電力電子元器件不斷出現(xiàn)，微機(jī)控制技術(shù)日益成熟，變頻調(diào)速技術(shù)得以迅猛發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)廣泛運(yùn)用在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。通過(guò)變頻調(diào)速技術(shù)來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，可以比以往直接采用機(jī)械控制方式運(yùn)行大幅減少能量損耗。

根據(jù)交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式；

式中；f-電動(dòng)機(jī)的電源頻率（Hz)；

p-電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)；

s-電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率。

從式中得出理論上，在p、s 不改變的情況下，只要改變電動(dòng)機(jī)的電源頻率f,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n 也將作相應(yīng)改變。相對(duì)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，電動(dòng)機(jī)軸功率也相應(yīng)減少，輸出功率也相應(yīng)隨之減少，從而實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的節(jié)能功能。

2.2 污水處理廠應(yīng)用變頻調(diào)速的節(jié)能分析

污水處理廠運(yùn)行期間，由于污水流量等因素的變化，理論上風(fēng)機(jī)、水泵的流量、壓力也應(yīng)相應(yīng)改變，符合運(yùn)行要求。傳統(tǒng)方式系采用控制管路閥門(mén)的方式來(lái)使流量、壓力符合運(yùn)行值，采用該法風(fēng)機(jī)、水泵始終處在額定運(yùn)行狀態(tài)，造成巨大能源浪費(fèi)。如何實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)、水泵隨之變量、變壓實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的呢？采用變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)是一種高效的變量、變壓調(diào)節(jié)方式。

根據(jù)風(fēng)機(jī)、水泵的特性曲線分析：

圖1 風(fēng)機(jī)、水泵特性曲線圖

從圖1 分析可知風(fēng)機(jī)、水泵一般輸送流量減少，壓力升高。在運(yùn)行時(shí)，當(dāng)流量從Q1減至Q2時(shí)，風(fēng)機(jī)，水泵的揚(yáng)程從H1升至H2，運(yùn)行工況從A 點(diǎn)到B 點(diǎn)，而根據(jù)水力計(jì)算，在管徑不變的情況下，流速減少，管阻也相應(yīng)減少，原則上應(yīng)降低運(yùn)行揚(yáng)程。

傳統(tǒng)的控制系通過(guò)人工調(diào)節(jié)閥門(mén)等機(jī)械方式來(lái)增加管阻從而減少流量，采用這種控制方式雖然可調(diào)節(jié)流量，水泵仍處于滿負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行，水泵特性曲線不變，電動(dòng)機(jī)輸入功率沒(méi)有減少，大量的能量浪費(fèi)在調(diào)節(jié)閥門(mén)在壓降上，并不能實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。采用變頻調(diào)速技術(shù)可實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)、水泵變壓力、流量運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能目的。

圖2 風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)運(yùn)行特性曲線圖

污水處理廠風(fēng)機(jī)節(jié)能分析，按照運(yùn)行工藝曝氣池的溶氧量的需求，運(yùn)行時(shí)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量將會(huì)改變。當(dāng)采用人工調(diào)節(jié)控制閥門(mén)時(shí)，風(fēng)機(jī)從最大工況點(diǎn)A 變至工況點(diǎn)B，管路曲線由R1變?yōu)镽，風(fēng)壓從H1升至H2。而采用變頻調(diào)速技術(shù)，風(fēng)機(jī)從最大工況點(diǎn)A 變至工況點(diǎn)C，由此可見(jiàn)在滿足同樣風(fēng)量Q2時(shí)，風(fēng)壓也隨之大幅下降，降至H變，功率也隨之減少。

根據(jù)風(fēng)機(jī)比例定律；

由此可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)念~定轉(zhuǎn)速降低至對(duì)應(yīng)工況點(diǎn)時(shí)，流量、風(fēng)壓，軸功率為成倍下降之勢(shì)，這就運(yùn)用變頻調(diào)速技術(shù)大幅節(jié)能的原因。

圖3 水泵變頻調(diào)速運(yùn)行特性圖

污水處理廠進(jìn)水提升泵節(jié)能分析，當(dāng)進(jìn)水流量從最大流量Q1變化到實(shí)際流量Q2時(shí)，當(dāng)通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)方式，管路曲線由R1改變?yōu)镽2，運(yùn)行工況點(diǎn)由A 至B，水泵仍處滿負(fù)荷運(yùn)行，大量能耗用于管阻消耗。而采用變頻調(diào)速技術(shù)，管路曲線R 不變，水泵轉(zhuǎn)速?gòu)膎1調(diào)至n2，水泵特性曲線由（Q-H）1改變?yōu)樽冾l調(diào)速時(shí)水泵特性曲線（Q-H）2，運(yùn)行工況點(diǎn)由A 點(diǎn)移至C 點(diǎn)，揚(yáng)程從H1降至H變。

根據(jù)水泵特性曲線公式；

式中：N-水泵使用工況點(diǎn)軸功率（kw);

Q-水泵使用工況點(diǎn)流量（m3/s）;

H-水泵使用工況點(diǎn)揚(yáng)程（m）;

r-水的密度（kg/m3）;

η-水泵的總效率（%）

工況點(diǎn)C 點(diǎn)與B 點(diǎn)軸功率之差經(jīng)計(jì)算可知；

由此可見(jiàn)相對(duì)用閥門(mén)控制流量方式比較，采用變頻調(diào)頻技術(shù)可降低水泵運(yùn)行能耗，且水泵轉(zhuǎn)速與軸功率成正比三次方關(guān)系，轉(zhuǎn)速下降，軸功率相應(yīng)大幅減少，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。

3 污水處理廠變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用措施

3.1、變頻調(diào)速技術(shù)在污水處理廠曝氣機(jī)上的應(yīng)用

活性污泥法系城市污水處理和有機(jī)性工業(yè)污水的有效生物處理法。活性污泥法實(shí)質(zhì)上是以存在于污水中的有機(jī)物作為培養(yǎng)基，在有氧的條件下，對(duì)各種微生物群進(jìn)行混合連續(xù)培養(yǎng)，通過(guò)凝聚、吸附、氧化分解、沉淀等過(guò)程去除有機(jī)物的一種方法，它受到BOD 負(fù)荷率、溶解氧、水溫、營(yíng)養(yǎng)物平衡、PH 值等環(huán)境因素的影響。在微生物的代謝過(guò)程中，需要將污水中一部分有機(jī)物氧化分解，并自身氧化一部分細(xì)胞物質(zhì)，為其新細(xì)胞的合成以及維持生命活動(dòng)提供能源。這兩部分氧化所需的氧量，一般用下列公式表示；

式中；O2-混合液需氧量(kgO2/d);

a'-代謝每公斤BOD 所需氧量（kg）;

圖4 污水處理廠風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)配置圖

Q-污水流量（m3/d）;

QSr-有機(jī)物降解量（kg/d）

b'-污水自身氧化需氧率（kg）

V-曝氣池總?cè)莘e（V）

VXv-曝氣池中混合液揮發(fā)性懸浮物固體總量（kg）。

從公式（5）可以看出，當(dāng)污水量增大時(shí)，曝氣池的需氧量就需要增多。反之，曝氣池的需氧量就需要減少。

活性污泥法是需氧代謝過(guò)程，當(dāng)曝氣池供氧不足會(huì)引起絲狀菌大量繁殖，導(dǎo)致污泥澎漲。反之供氧過(guò)度，會(huì)使活性污泥生物-營(yíng)養(yǎng)的平衡遭受破壞，使微生物量減少并失去活性，吸附能力降低，一部分絮凝體成為不易沉降的羽狀污泥，處理水質(zhì)渾濁。為了使沉淀分離性能良好，較大絮凝體是所期望的，曝氣池的溶解氧濃度宜保持在2mg/L 左右。污水處理廠在實(shí)際運(yùn)行期間，由于進(jìn)水量等方面的變化，曝氣池的需氧量也在不斷改變。采用變頻調(diào)速技術(shù)，通過(guò)改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速方式，控制曝氣池溶解氧濃度維持在2mg/L 左右（圖4）。

污水處理廠曝氣變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)、變頻器、軟啟動(dòng)器，小型可編程控制器（PLC）、DO 在線溶氧儀構(gòu)成。在曝氣池內(nèi)設(shè)置DO 在線溶氧儀，通過(guò)DO 在線溶氧儀檢測(cè)曝氣池內(nèi)混合液的溶解氧濃度值，并轉(zhuǎn)換為DC4～24mA 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)給PLC，經(jīng)PLC 運(yùn)算將傳給變頻器，在變頻器上設(shè)定給定值。通過(guò)變頻器內(nèi)置的PID 內(nèi)進(jìn)行運(yùn)算、比較，其結(jié)果改變輸入風(fēng)機(jī)的電源頻率，從而使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變，保持曝氣池內(nèi)溶解氧濃度在2mg/L。當(dāng)溶解氧濃度低于2mg/L 時(shí)，使變頻器輸出頻率增大，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨之升高，曝氣池內(nèi)進(jìn)氣量相應(yīng)增多，池內(nèi)混合液溶解氧濃度隨之升高，反之亦然。當(dāng)變頻器輸出頻率達(dá)50Hz 后，池內(nèi)混合液溶解氧濃度仍低于給定的溶解氧濃度（2mg/L）時(shí)，通過(guò)PLC 轉(zhuǎn)出轉(zhuǎn)出指令通過(guò)變頻器或較啟動(dòng)器增加風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)。反之，當(dāng)在滿足溶解氧給定濃度時(shí)，變頻器輸出頻率降低，降至設(shè)定下限輸出頻率時(shí)，通過(guò)PLC 減少風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)。使曝氣池內(nèi)混合液溶解氧濃度始終維持在2mg/L 左右。

另外，曝氣池系統(tǒng)還可設(shè)置各類與運(yùn)行相關(guān)的傳感器，采集運(yùn)行狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)，經(jīng)PLC 向污水處理廠中央控制室上位控制器系統(tǒng)傳送。并可通過(guò)上位機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行狀況信息、數(shù)據(jù)直接顯示或存儲(chǔ)、打印。并可接受上位控制系統(tǒng)的控制指令。

3.2 變頻器在污水處理廠提升泵上的應(yīng)用

污水處理廠進(jìn)水提升泵的目的系將污水提高水頭，以保證污水可以以重力流方式流過(guò)污水處理廠后續(xù)水工構(gòu)筑物。根據(jù)污水處理廠設(shè)計(jì)時(shí)的水頭損失計(jì)算，污水處理廠進(jìn)水提升泵提升水頭可以是一個(gè)定值。污水進(jìn)水流量和集水井水位發(fā)生變化時(shí)，污水提升泵的提升水頭也隨之變化，當(dāng)污水提升水頭高于所需水頭時(shí)，就產(chǎn)生了不必要的能源浪費(fèi)。采用變頻調(diào)速技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使水泵揚(yáng)程符合水工構(gòu)筑物所需水頭，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

污水處理廠進(jìn)水提升泵變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要由水泵、變頻器、軟啟動(dòng)器、PLC、壓力傳感器構(gòu)成，設(shè)在水泵出水管上的壓力傳感器將檢測(cè)的出水壓力值反饋至PLC、變頻器，經(jīng)與變頻器上設(shè)定值進(jìn)行計(jì)算、比較，其結(jié)果改變變頻器的輸出電源頻率，從而改變水泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，使水泵出水壓力恒定在設(shè)定值。當(dāng)變頻器頻率輸出達(dá)50Hz 時(shí)，出水管壓力仍低于設(shè)定值，則經(jīng)PLC 給出信號(hào)，通過(guò)變頻器或軟啟動(dòng)器增加運(yùn)行水泵。在多泵運(yùn)行時(shí)，某臺(tái)變頻器小于設(shè)定頻率，則減泵運(yùn)行。同時(shí)；可通過(guò)PLC向中央控制室上位控制器傳遞運(yùn)行信息和數(shù)據(jù)，并可接收上位控制系統(tǒng)的運(yùn)行指令。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)污水處理廠風(fēng)機(jī)、水泵采用變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)能的節(jié)能分析，證明在污水處理廠采用變頻調(diào)速技術(shù)是一種效果顯著的節(jié)能措施，值得廣泛推廣應(yīng)用。同時(shí)，對(duì)曝氣風(fēng)機(jī)和污水提升泵運(yùn)用方法及措施做了詳細(xì)介紹，也證明了污水處理廠運(yùn)用變頻技術(shù)的技術(shù)可行性。污水處理廠采用變頻調(diào)速技術(shù)不但具有節(jié)能效果，還具備提高設(shè)備效率，減輕設(shè)備維護(hù)，降低設(shè)備維修費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)效益明顯。