變頻調速節能技術在水處理裝置中的應用

陳曉玲

(中國石化催化劑有限公司齊魯分公司 設備工程部，山東 淄博 255300)

隨著中國石化催化劑有限公司齊魯分公司生產能力的不斷提高及環保形勢的日益嚴峻，公司水處理裝置無論是處理水的總量還是循環回用水量都有了非常大的提高。目前裝置流程中所使用的離心泵和鼓風機的處理能力也相應比較大，這些設備大都耗能較高，電機功率一般為75kW，生化鼓風機的功率為200kW。因此，針對水處理裝置中大型設備，探索節能技術對于我公司的節能降耗和創建綠色企業工作有著非常重要的意義。

無論鼓風機還是離心泵都是使用三相異步電動機進行驅動，配備的電機一般都是根據整個裝置最大負荷來進行選型的，所以選擇的電機功率較正常運行時所需功率要高出許多。而在實際生產運行中，由于處理水量總是在不斷變化或生產來水量低于裝置設計能力，要對設備的運行參數進行調整。在未采用節能技術前，我們一般通過調節離心泵出口閥門的開度或對葉輪進行切削加工來控制離心泵的流量或揚程。這種方式雖然也能夠實現泵的流量控制，但是因為額外增加了一部分管路阻力，使得電機消耗的功率增加,造成了能源浪費，不符合現代企業能源管理體系對節能生產的要求；另外，采用對葉輪進行切削的方式不僅降低了離心泵的效能，也不適合流量變化頻繁的場所，無法做到對流量進行隨意調節。隨著變頻技術的不斷發展以及企業對節能技術的要求日益提高，利用變頻調節技術來提高離心泵的利用率，實現節能效果，在企業中的應用越來越廣泛。

1 變頻調速的基本原理

我們知道，變頻調速是通過調整三相交流電的頻率來改變電動機的轉速[1]，其關系如公式(1)所示：

n=60f(1-s)/p

(1)

其中：n——電機轉速；

f——為電源頻率；

s——轉差率；

p——電機極對數。

由公式(1)可以看出，轉速n與頻率f成正比，因此可以通過改變電源頻率來調節電動機的轉速n，從而改變泵的流量和揚程。

根據離心泵的特性曲線和管路特性曲線圖[2]，如圖1所示,n0表示管路中閥門開度不變時，水泵在額定轉速下揚程與流量之間的關系曲線，稱為揚程特性曲線。R1表示水泵轉速不變時，全揚程與流量之間的關系曲線，稱為管阻特性曲線。當兩條曲線交叉時，水泵運行既滿足揚程特性又滿足管阻特性，此時供水系統處于平衡狀態，系統穩定運行。

圖1 水泵調速時的H-Q曲線

使用管道閥門控制時，如果想降低流量，就必須減少閥門開度，比如當要求流量從QA減小到QB時，供水管道的阻力變大，管阻特性曲線從R1移到R2，揚程則從HA上升到HB，運行工況點從A點移到B點。

使用變頻調速控制時，由于閥門開度不變，管道的阻力不變，此時水泵的特性主要取決于其轉速。同樣當要求流量從QA減小到QB時，速度從n0降到n1，運行工況點從A點移到C點，揚程從HA下降到HC。

根據離心泵特性曲線公式：P=(Q·H·ρ)/(102 ·η)

(2)

其中：P——為泵使用的工況點軸功率

Q——為使用工況點的流量；

H——為使用工況點的揚程；

ρ——為輸出介質的密度；

η——為使用工況點的泵的效率。

由公式(2)可以得出，在使用閥門調節時,水泵在B點的軸功率和用轉速調節時水泵在C點的軸功率之差為：(B、C兩工況點輸出介質流量Q相等)

PB=(QB·HB·ρ)/(102 ·η)

PC=(QC·HC·ρ)/(102 ·η)

ΔP=PB-PC=QB·(HB-HC)·ρ/(102 ·η)

(3)

由公式3可以看到，當要求流量相同時，使用兩種不同的方式進行調節，使用閥門調節與使用轉速調節相比，有部分功率(即ΔP)被浪費了。

由此可以看出，在離心泵的流量調節過程中，采用不同的調節方式，泵的軸功率不同，同樣將流量由QA調至QB時，采用變頻調速比調節出口閥開度消耗的軸功率要小，即Pc

Q2/Q1=N2/N1,H2/H1=(N2/N1)2,P2/P1=(N2/N1)3

流量與轉速成正比，揚程與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。當轉速下降1/2，則流量下降1/2，揚程下降3/4，軸功率下降7/8。因此，通過變頻調速來進行離心泵的流量調節，在一定頻率運行范圍內，能夠大大節約電能消耗。采用變頻調速來控制流量時，離心泵的主要參數和軸功率變化[4]如表1所示。

表1 離心泵的主要參數和軸功率變化關系

2 變頻調速節能的應用效果分析

目前我公司運行的污水預處理裝置是在原有預處理裝置的基礎上新建投用的，此次新建裝置污水泵、二沉轉水泵、生化轉水泵、均質池轉水泵和生化鼓風機都采用了變頻調速節能技術，變頻前后泵的節電情況分析如表2所示。

表2 變頻調速節能效果分析

通過表2數據可以看出，采用變頻調速技術后，大大提高了泵的工作效率，降低了電耗，節約了生產運行成本。按每年設備運行365天，電價0.62元/千瓦時計算，每年可節約電量550萬千瓦時，節約費用341萬元。同時，應用變頻調速技術，延長了機泵運行壽命和檢修周期，減少了機泵故障，保障了生產正常運行。目前，公司已將未采用變頻技術的4臺切渣泵列為2021年攻關項目，實施后將年節約用電約168萬千瓦時，節約費用約104萬元。

3 變頻調速技術應用的注意事項及優勢

(1)通過實驗摸索，當轉速較低時，系統效率下降比較明顯，一般低于額定轉速的40%～50%時，節能效果變差，因此應避免因轉速過低導致的效率過低。

(2)對于自冷式電機，由于當電機轉速下降時，風扇轉速也同時下降，若電機散熱不及時，將導致溫升升高損壞設備，因此要盡量保持電機轉速在一定范圍之內進行運轉，一般應保持在額定轉速的70%以上進行調速。

(3)不通過調節閥來實現流量控制，在一定程度上可消除調節閥附加阻力的多余動力消耗，從而起到節能的作用。

(4)采用變頻調速技術，改善機泵的運行條件，延長了設備的使用壽命，減少維護費用，實現了裝置的長周期運行。

(5)采用變頻調速技術，在一定程度上減低了裝置噪音(特別是羅茨鼓風機)，改善了工作環境。