變頻器與PLC在污水曝氣風機中的技改及應用

史亞豐

（創利皮革（揚州）有限公司，江蘇 揚州 225131）

引言

污水處理越來越受到我國地方各級政府的重視，對污水處理方面的投資建設也不斷加大。但是，大多數污水處理設備還是傳統的機電設備。隨著變頻調速技術在機電控制方面不斷發展應用，無論從節能還是對機電設備的精細化控制來說，都迫切需要利用變頻技術對傳統的污水處理設備進行升級改造。現以我公司利用變頻調速技術對生化池曝氣風機風量進行精細化控制為例，詳細說明介紹變頻器在風機中的應用。生化池是制革污水處理的核心，池內存活著大量活性污泥，每天在生化池曝氣階段，利用測氧儀每隔2 小時測氧1 次，嚴格控制生化池的DO（Dissolved oxygen 溶解氧）在2～5 mg/L 之間，既不能過量（生化池DO＞5 mg/L），也不能欠量（生化池DO＜2mg/L）。如果生化池溶解氧DO 過高，將造成好氧菌大量繁殖，而好氧菌是消耗堿度的，從而使生化池的堿被消耗掉，造成酸堿不平衡，使最終處理出水達不到國家排放標準；生化池DO 偏低，將抑制池內微生物的生長、繁殖，造成微生物的減少，從而影響制革污水處理的效果。我公司生化池2 臺110KW 曝氣風機改造前利用常規擋板風門控制方式對生化池曝氣進行氣量控制，不但不能精確控制生化池的DO（溶解氧），而且浪費了大量電能。后來采用變頻器變頻調速的方法對2 臺風機風量進行控制，結合生化池曝氣階段的DO（溶解氧）監測傳感器，采用變頻器變頻調速的方法對風機風量進行控制，之前采用手動調節風門的開度來調節風量，測量進線電流為185A,采用變頻器控制后，風門保持在最大開度位置，通過設定頻率調節電動機轉速來控制風量。結果，在所需曝氣量與未改造之前相同，進線電流只有150A,將運行頻率設為35 Hz,經過1 年多試運行，2 臺風機的年用電量比原來下降了25%左右，節約了電能。由于變頻調速能夠精確控制生化池曝氣量，保證生化池曝氣階段DO（溶解氧）在2～5 mg/L 的正常范圍，所以生化池微生物的生長、繁殖及生化性比改造前要好，污水處理效果比以前有了明顯改善。

1 變頻調速技術簡介

變頻器（英文全稱為Variable-frequency Drive，中文意思為可改變頻率的驅動器，簡稱VFD，行業內也常用詞語Inverter 來表示）是通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的輸出轉速的裝置。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成。

1.1 變頻調速的方法

交流異步電動機的輸出轉速可由下式確定：

式中，n為電機的輸出轉速，f為輸入電源頻率，s為電機的轉差率，p為電機的極對數。由此可見，改變頻率f就能改變轉速n.

1.2 節能的原理

1.2.1 調速節能

通過流體力學的基本定律可知：風機(或水泵)類設備均屬平方轉矩負載，其轉速n與流量Q、壓力(揚程)H以及軸功率P具有如下關系：

式中，Q1、H1、P1分別為風機(或水泵)在n1轉速時的流量、壓力(或揚程)、軸功率，Q2、H2、P2則分別表示風機(或水泵)在n2轉速時相似工況條件下的流量、壓力(或揚程)、軸功率。

由公式(2)、(3)、(4)可知，風機的流量與其轉速成正比，壓力(或揚程)與其轉速的平方成正比，軸功率與其轉速的立方成正比。根據公式(4)可知，在其它運行條件不變的情況下，理論上講，通過下調電機的運行速度，其節電效果是與轉速降落成立方的關系，因此，其節電效果非常明顯。

假設設定運行頻率是40Hz,其工作轉速約為額定轉速的80%。這時羅茨鼓風機消耗的功率為：PL=PLM.0.83=0.512 PLM,即：由于轉速的下降而節能48.8%。當轉速下降到原轉速的1/2 時，省電87.5%。

1.2.2 改善功率因數，降低無功損耗

無功功率的定義就是作了沒有用的功。從企業能源管理要求，提倡使用能耗等級低的設備。通過能量守恒定律，無用功會轉換成熱能而最終消失，從而增加線路損耗和電機的發熱，更主要的是功率因數的降低導致電網有功功率的降低，大量的無功電能消耗在線路當中，設備使用效率低下，浪費嚴重。

前面介紹風機(或水泵)類設備屬平方轉矩負載，風機的耗能跟轉速的1.7 次方成正比，電機的轉矩及負載成平方比下降，節能效果明顯。

采用變頻器后，其進線側的功率因數在0.95 以上，而電動機的功率因數為0.85。功率因數的提高對羅茨風機消耗功率并無影響，但對于電網線路卻非常有意義。以本例來說，當功率因數cos∮=1.0 時，電流I=165A；而cos∮=0.85 的話，則取用電流為：I=165∕0.85=194A，由此可見，功率因數的提高，使曝氣風機向電網少取用了29A 的電流。

2 污水曝氣風機的技術簡介

三葉羅茨風機是一種雙葉輪同步壓縮機械，每個三葉型轉子用兩個軸承支撐，利用一對同步齒輪，使兩個轉子的相對位置始終保持不變。屬容積式鼓風機，具有強制輸氣特征。三葉羅茨風機作為回轉式機械，具有比較穩定的工作特性，三葉羅茨風機轉子與轉子、轉子與泵體、轉子與側蓋之間都有微小間隙，因而工作腔內沒有摩擦，無接觸磨損部分；三葉羅茨風機還有最大的特點是在使用場合的特定性，比如曝氣、吹塑對氣的潔凈要求很高，不能含油，與空壓機的使用場合就完全不一樣，羅茨風機不需要內部潤滑，輸送的介質不含油等特點。泵轉子的支承采用了可靠的消隙結構，轉動部件作細致的動平衡，并采用高精度的斜齒輪。

工作原理：三葉羅茨鼓風機為容積式風機，輸送的風量與轉數成比例，三葉型葉輪每轉動一次由2 個葉輪進行3 次吸、排氣。與二葉型相比，氣體脈動性小，振動也小，噪聲低。風機2 根軸上的葉輪與橢圓形殼體內孔面，葉輪端面和風機前后端蓋之間及風機葉輪之間者始終保持微小的間隙，在同步齒輪的帶動下風從風機進風口沿殼體內壁輸送到排出的一側。

類型：分為SSR 型三葉羅茨鼓風機、BK 型三葉羅茨鼓風機、LSR 型三葉羅茨鼓風機、3L 型三葉羅茨鼓風機。(本文選用的風機型號為：3L63WD，流量80 立方/分，壓力58.8 Kpa,功率110KW）。

3 變頻改進后的節能效益

3.1 系統運行

圖1 污水風機房平面圖

圖2 羅茨鼓風機工作原理示意圖

圖3 羅茨鼓風機安裝圖

為保證風機可靠運行和改進后的節能效果，我們選用了一臺FUJI 富士公司的FRN110G11S-4CX 變頻器和一臺DELTA 臺達VFD1100F43C 進行對比，對公司2 臺110KW 風機進行改造。2 臺風機變頻器改進安裝后，經過兩年多的運行，變頻器性能運行非常穩定，達到設計要求。設備方面由于變頻具有軟啟動功能避免了電機啟動時對機械部位的沖擊，以及轉速的降低，對風機的葉輪、軸承等壽命得以延長，設備運行狀況良好。

3.2 效益比較

為保證變頻改進后的數據記錄的真實性，所記錄的數據是通過技改前后的兩個自然年度實際運行記錄，變頻改進前后電量計算（如下表電力ERP 管理平臺截取的數據）所示：

改進前：2012 年8 月的功率曲線平均值=216KW(圖4)

圖4 2012 年8 月的功率曲線

改進后：2014 年8 月的功率曲線平均值=151KW(圖5)

圖5 2014 年8 月的功率曲線

從表中可以看出，經變頻改造后，在滿足生化池正常DO（溶解氧）的情況下，風機輸入功率明顯減小，節省了大量電能,污水站2012 年8 月平均負荷216 KW/時，調整后2014 年8 月平均負荷151 KW/時，結算成每個月，一年下來節省的費用相當可觀。

此外，從兩個完整自然年度的實際電表結算用電量的統計數據也有力地證明該績效（見表1）

表1 年度實際電表結算用電量

計算結果如下：

2012 年污水站全年用電量：1809401（度）

2014 年污水站全年用電量：1421700（度）

調整過曝氣量的2014 年比之前2012 年度少用387701 度電，節省費用近30 萬元。從2013 年改造后，共節約30 萬元×7 年=210 萬元。

4 變頻器實現一用一備切換改造實例

與此同時，污水處理設施的正常運行是對生產的順利進行的一個重要保障。為了確保污水的處理質量和預防設備的異常突發情況，于是又接著進行另外一項技術改進:增加一臺變頻器，通過PLC（本案例選用：臺達DVP-40ES）的控制，通過編程，使兩臺變頻器聯動實現一用一備，并加裝溶解氧監測傳感器，以模擬量自動調節風機運行頻率，有效的保障了污水達標處理所需的含氧量。

PLC 的技術簡介：PLC（Programmable Logic Controller）的中文名稱是可編程邏輯控制器，可編程控制的核心就是存儲器，用于其內部存儲系統程序和用戶程序，執行邏輯運算、順序控制、計數器、定時器等面向用戶的指令，并通過數字Digital 或模擬Analog 式輸入Input/輸出Output控制各種類型的機械執行機構。傳統的繼電器控制方式使用了大量的中間繼電器、時間繼電器，由于污水站的易腐蝕環境，經常導致觸點接觸不良，出現故障后不易于故障診斷，增加故障率帶來的停機率。將繼電器改成PLC,代替大量的中間輔助繼電器，僅剩下與輸入input 和輸出output有關的少量硬件元件，接線工作量被PLC 梯形圖取代而大大減少，因中繼觸點接觸不良造成的故障大為減少，使控制柜的設計結構一目了然。

5 技改中問題的解決

在增加二期曝氣池后，困擾半年的風機超負荷跳閘問題得到了解決。問題分析：風機額定升壓58.8 KPa,而實際的氣壓經過測量為75 KPa，遠遠高于其風機的額定升壓，導致氣憋在里面，而產生超電流報警。

圖6 污水曝氣風機的變頻器一用一備改造—主電路圖

圖7 污水曝氣風機的變頻器一用一備改造—PLC 梯形圖

圖8 污水曝氣風機的變頻器一用一備改造—電柜

圖9 污水曝氣風機的變頻器一用一備改造—運行效果

于是從設備本身去排除問題：首先將進氣過濾筒拆除，與風機分離；將出氣管拆除，與風機分離。目的是確定電機是否完好，檢查風機轉動自如，用手可以輕松轉動；電機處于空載狀態下運行，電流為57 A，說明電機正常。

接著，確定出口管道是否暢通。由于共用一個出風系統，所有將并聯支路的管道排查，將單向閥閥片拆除，確保管道暢通無阻。在未裝進氣過濾管的狀態下運行，故障依然存在。從而進一步查看風機軸承，齒輪，三葉風葉，均未發現明顯問題。（就連項目設計方東南大學設計院也一時不能找到原因。）

由于在未并入二期曝氣前，一期曝氣運行正常，污水項目設計方一直懷疑是曝氣管路延長，導致出氣受阻。于是不斷嘗試調整水位；調整曝氣管道彎頭以減少管阻；調整污水池之間水泥隔板高度；討論是否將原有隔膜曝氣頭換成普通噴淋曝氣頭等等。走了一些彎路，污水項目設計方更專注于水處理工藝，在實際工程設備運行也沒有這方面的解決經驗；在大家一籌莫展的時候，作為一名設備工程人員，通過查閱資料、在實踐中找到方法：因為以前變頻器設置的是恒電流運行模式，不管頻率高與低，都是以恒轉矩輸出，都是顯示50 Hz 時的電流，一旦有阻力就會導致負載增加，電流過載＞200 A；即使將頻率調低也并不能減少負載及出氣量。解決方法是將參數電機控制設置為可變轉矩，適用于風機和泵類。（東南大學設計院吉教授也將該案例解決方案寫入整個設計方案中去，同時作為污水處理曝氣工藝段的重要經驗分享給污水方面的設計同行。）

以下是其他品牌的變頻器的相同功能的參數代碼：

（1）FUJI，將H10 自動節能運行從0 換成1，換成節電模式，電流就隨頻率下降了。H10 自動節能運行，此功能適用于風機和泵（出廠值為0關閉節能，1 為開啟）；

（2）Schneider，ATV 系列變頻器，將參數電機控制drc 中/電機控制類型更改為U/F 二次方，可變轉矩，適用于風機和泵類；

（3）SIMENS MM440，參數P0205 變頻器應用對象，分為0=恒轉矩（普通類壓縮機，輸送帶）；1=變轉矩（風機，泵）；

（4）DELTA 臺達，應用場合，參數08-15 自動省電運轉（00=自動節能運轉關閉，01 開啟自動節能運轉）出廠設定值：00；

（5）OMRON，型號：3G3JZ，節能控制（適合風機，泵類），參數n8.17（0=無效，1=有效）出廠值為0；

結束語

變頻器&PLC 結合起來控制用于制革污水處理的曝氣風機控制可以達到顯著的節能效果，同時精確控制曝氣風量而改善生化池的處理效果。

最后，在整個項目實施中，要感謝公司污水站長陳戰玉、電工組長楊宏宇的大力配合。

希望通過皮革雜志，將我司的實際成功案例和經驗分享給更多的皮革行業的設備工程師們，也歡迎大家給予指導和交流。