高壓變頻器在污水處理廠的應(yīng)用

摘 要：本文以污水處理廠高壓水泵系統(tǒng)為研究對(duì)象，研究了高壓水泵系統(tǒng)的變頻調(diào)速需求，對(duì)高壓變頻器的節(jié)能計(jì)算、調(diào)速策略調(diào)節(jié)策略進(jìn)行了分析，并通過(guò)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況對(duì)高壓變頻調(diào)速控制進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：高壓水泵；污水處理；高壓變頻器

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）33-0242-02

引 言

隨著“十三五”規(guī)劃的提出，工業(yè)生產(chǎn)的復(fù)蘇，能源與環(huán)境問(wèn)題日益凸顯，國(guó)家對(duì)污染的治理也在逐步加強(qiáng)，人們對(duì)節(jié)能環(huán)保的認(rèn)知也在提高。社會(huì)生產(chǎn)生活過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的工業(yè)廢水和生活污水，這些污染物質(zhì)如果不經(jīng)過(guò)處理，直接排入水系統(tǒng)，將使水系統(tǒng)遭受嚴(yán)重污染，導(dǎo)致水質(zhì)惡化，環(huán)境遭到破壞。因此國(guó)家大量建設(shè)污水處理廠，并擬定了排放總量目標(biāo)。

本文以郴州瑤崗仙礦業(yè)污水處理水泵系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)改造，實(shí)現(xiàn)了高壓水泵系統(tǒng)的變頻調(diào)速功能，對(duì)高壓變頻器的節(jié)能計(jì)算、調(diào)速策略進(jìn)行了分析，并通過(guò)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況對(duì)高壓變頻調(diào)速控制進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 變頻系統(tǒng)改造

1.1 系統(tǒng)方案

郴州瑤崗仙礦業(yè)污水處理系統(tǒng)使用10kV/1250kW電機(jī)，配套流量1150m3/H揚(yáng)程257m的水泵。改造之前的主電路采用晶閘管軟啟動(dòng)進(jìn)行軟起（圖1），通過(guò)電動(dòng)閥門調(diào)節(jié)水流量；改造后的主電路采用高壓變頻器來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)（圖2），通過(guò)調(diào)節(jié)高壓變頻器的輸出頻率來(lái)調(diào)節(jié)水泵流量，同時(shí)將原軟啟動(dòng)作為備用設(shè)備，借助變頻器自帶的手動(dòng)刀閘回路可以在變頻器故障時(shí)使用軟啟動(dòng)起動(dòng)電機(jī)。

1.2 節(jié)能計(jì)算

高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比[1]；根據(jù)水泵的特性曲線（圖3），水泵在50Hz運(yùn)行、流量600m3/H時(shí)，可以查得對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程是285m，水泵功率是800kW；變頻改造后，泵的流量最小不小于600m3/H，揚(yáng)程最低不低于210m。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行變頻改造后，變頻的運(yùn)行頻率和水泵的功率計(jì)算：

= 2（1）

n2=n0 =50 =42.9Hz（2）

n=60 （3）

從式（3）電機(jī)的轉(zhuǎn)速和頻率的公式可以得出，電機(jī)轉(zhuǎn)速和變頻器輸出頻率成正比關(guān)系；從式（2）可以看出，變頻運(yùn)行時(shí)，輸出頻率為42.9Hz時(shí)，水泵的揚(yáng)程能達(dá)到210m。

= 3（4）

P2=P0 3=0.632P0=0.632×800=505kW（5）

根據(jù)式（4）可以得出變頻運(yùn)行時(shí)，當(dāng)水泵在流量600m3/H，揚(yáng)程210m工況運(yùn)行時(shí)，水泵的功率為505kW。

根據(jù)水泵特性效率曲線，水泵在流量600m3/H時(shí)的效率為0.57；電機(jī)的效率為0.9，據(jù)此可以得出電機(jī)的軸功率為P3=985kW，如式（6）所示：

P3=P2/η1/η2=505/0.57/0.9=985kW（6）

變頻器的效率為0.96，故可以得出網(wǎng)側(cè)的輸入功率為P4=1026kW，如式（7）所示。

P4=P3/η3=985/0.96=1026kW（7）

根據(jù)改造前的運(yùn)行參數(shù)記錄，電機(jī)的運(yùn)行電流為88A，電機(jī)功率為1362kW，據(jù)此可以算出節(jié)電率：

節(jié)電率=1- ×100%=24.7%（8）

2 變頻控制方案

本文變頻器采用單元級(jí)聯(lián)型多電平電壓源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高壓變頻器，主要由移相變壓器部分、功率單元部分、控制系統(tǒng)部分等組成，無(wú)需濾波電抗器即可實(shí)現(xiàn)完美無(wú)諧波的輸出電壓[2]，如圖4所示。

其中移相變壓器部分主要作用是給每個(gè)功率單元供電，其二次繞組通過(guò)移相技術(shù)實(shí)現(xiàn)了輸入電壓的多重化，移相角度與每相的功率單元數(shù)量有關(guān)，當(dāng)數(shù)量為n時(shí)，移相角度為θ=60°/n，可降低輸入側(cè)諧波[3]。

功率單元部分則由多個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電氣性能完全一致的功率單元組成，每一相由相同數(shù)量的功率單元串聯(lián)，可根據(jù)輸出電壓等級(jí)進(jìn)行擴(kuò)展。如圖3所示，功率單元基本拓?fù)錇榻?直-交的三相整流、單相逆變電路。采用二極管將三相交流電壓整流為脈動(dòng)的直流電壓，經(jīng)電容濾波后得到穩(wěn)定的直流電壓，再由IGBT組成的單相逆變H橋進(jìn)行PWM控制，得到等效的正弦單相交流輸出。

控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及電機(jī)控制算法的運(yùn)算。通過(guò)人機(jī)界面獲取指令信號(hào)，并實(shí)時(shí)采集變頻器輸入電壓電流、輸出電壓電流等數(shù)據(jù)，進(jìn)行控制算法的運(yùn)算后輸出PWM信號(hào)到功率單元，最終驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

以本文中10kV高壓變頻器為例，每一相由8個(gè)功率單元串聯(lián)而成，每個(gè)功率可單獨(dú)輸出電壓0～750V，通過(guò)移相疊加之后每相輸出電壓0～6kV，對(duì)應(yīng)線電壓即為0～10kV。

變頻器采用了矢量控制控制策略[4]，可以提高系統(tǒng)的控制性能，通過(guò)電機(jī)數(shù)學(xué)模型將定子電流分解為轉(zhuǎn)矩電流分量和勵(lì)磁電流分量，從而獨(dú)立進(jìn)行控制；對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)速基于轉(zhuǎn)子磁鏈的模型參考自適應(yīng)的速度辨識(shí)方法，以電機(jī)電壓模型和電流模型分別為參考模型和可調(diào)模型，從而估計(jì)出電機(jī)轉(zhuǎn)速，準(zhǔn)確精度達(dá)0.5%；同時(shí)變頻器具備參數(shù)辨識(shí)的功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)定轉(zhuǎn)子電阻、定轉(zhuǎn)子漏感和互感等參數(shù)的辨識(shí)，無(wú)需電機(jī)廠家提供詳細(xì)參數(shù)，控制框圖如圖6。

3 系統(tǒng)運(yùn)行效果分析

項(xiàng)目初期其水泵工頻運(yùn)行，流量無(wú)法控制，平均每日啟停12～14次，維護(hù)成本過(guò)高，停泵水錘最高峰值5.1MPa，極易導(dǎo)致管網(wǎng)爆裂。

通過(guò)變頻改造后：

（1）可以根據(jù)水泵的靜揚(yáng)程設(shè)置最低轉(zhuǎn)速，保證水泵有足夠的轉(zhuǎn)速，以滿足其靜揚(yáng)程的出水要求；

（2）通過(guò)設(shè)置變頻的啟動(dòng)、停止時(shí)間，可有效地延長(zhǎng)水泵的啟動(dòng)、停機(jī)過(guò)程，以減小水泵在啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，消除水錘效應(yīng)，變頻運(yùn)行后，靜壓2.2MPa，停泵水錘最高峰值2.3MPa，最低1.8MPa，效果顯著；

（3）當(dāng)管網(wǎng)意外阻塞時(shí)，導(dǎo)致管網(wǎng)壓力上升，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致爆管事故發(fā)生，而變頻器能在壓力上升時(shí)，自動(dòng)降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，維持管壓恒定，從而起到保護(hù)管網(wǎng)的作用。

通過(guò)改變水泵的轉(zhuǎn)速，維持進(jìn)出水平衡，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，分析了變頻改造在污水處理廠所取得的效果，不但增加了能源利用率，又提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。該項(xiàng)目至今已運(yùn)行一年，應(yīng)用狀況良好。

參考文獻(xiàn)

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[4]楊新華，馬建立，王關(guān)平.基于模型參考自適應(yīng)律的無(wú)速度傳感器交流異步電動(dòng)機(jī)矢量控制仿真[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2007，34（8）：22～26.

收稿日期：2018-9-16

作者簡(jiǎn)介：袁代軍（1974-），男，機(jī)械工程師，主要從事機(jī)械設(shè)備管理工作。