污水處理廠的變頻調速技術應用探討

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)化進程加快，因工業(yè)生產和城市集聚產生的污水量迅速增加，水環(huán)境污染成為需急待解決的問題。目前全國各地建設了一大批污水處理廠，由于電費、藥劑、人力費用的不斷上漲，使在運行的污水處理廠的運營費用也不斷增加，從某種程度上阻礙了污水處理廠的正常運營，使得一大批污水處理不能正常運轉。為此，解決污水廠運行能耗問題，合理配置能源勢在必行。經大量統(tǒng)計分析污水處理廠能耗主要集中在曝氣風機和進水提升泵上面，約占整個污水處理廠能耗的50～70%，如何降低污水處理廠曝氣風機、進水提升泵能耗系實現污水處理廠節(jié)能、降低運營費用的有效途經。

2 污水處理廠應用變頻調速節(jié)能原理

2.1 變頻器調速原理與特性

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，微機控制技術日益成熟，變頻調速技術得以迅猛發(fā)展，變頻調速技術廣泛運用在工業(yè)生產領域。通過變頻調速技術來控制交流電動機轉速，可以比以往直接采用機械控制方式運行大幅減少能量損耗。

根據交流電動機轉速公式；

式中；f-電動機的電源頻率（Hz)；

p-電動機的極對數；

s-電動機的轉差率。

從式中得出理論上，在p、s 不改變的情況下，只要改變電動機的電源頻率f,電動機轉速n 也將作相應改變。相對電動機額定轉速，電動機轉速降低，電動機軸功率也相應減少，輸出功率也相應隨之減少，從而實現變頻調速的節(jié)能功能。

2.2 污水處理廠應用變頻調速的節(jié)能分析

污水處理廠運行期間，由于污水流量等因素的變化，理論上風機、水泵的流量、壓力也應相應改變，符合運行要求。傳統(tǒng)方式系采用控制管路閥門的方式來使流量、壓力符合運行值，采用該法風機、水泵始終處在額定運行狀態(tài)，造成巨大能源浪費。如何實現風機、水泵隨之變量、變壓實現節(jié)能目的呢？采用變頻調速節(jié)能技術是一種高效的變量、變壓調節(jié)方式。

根據風機、水泵的特性曲線分析：

圖1 風機、水泵特性曲線圖

從圖1 分析可知風機、水泵一般輸送流量減少，壓力升高。在運行時，當流量從Q1減至Q2時，風機，水泵的揚程從H1升至H2，運行工況從A 點到B 點，而根據水力計算，在管徑不變的情況下，流速減少，管阻也相應減少，原則上應降低運行揚程。

傳統(tǒng)的控制系通過人工調節(jié)閥門等機械方式來增加管阻從而減少流量，采用這種控制方式雖然可調節(jié)流量，水泵仍處于滿負荷狀態(tài)運行，水泵特性曲線不變，電動機輸入功率沒有減少，大量的能量浪費在調節(jié)閥門在壓降上，并不能實現節(jié)能目的。采用變頻調速技術可實現風機、水泵變壓力、流量運行，從而達到節(jié)能目的。

圖2 風機變頻調速時運行特性曲線圖

污水處理廠風機節(jié)能分析，按照運行工藝曝氣池的溶氧量的需求，運行時風機的風量將會改變。當采用人工調節(jié)控制閥門時，風機從最大工況點A 變至工況點B，管路曲線由R1變?yōu)镽，風壓從H1升至H2。而采用變頻調速技術，風機從最大工況點A 變至工況點C，由此可見在滿足同樣風量Q2時，風壓也隨之大幅下降，降至H變，功率也隨之減少。

根據風機比例定律；

由此可知，當風機轉速從額定轉速降低至對應工況點時，流量、風壓，軸功率為成倍下降之勢，這就運用變頻調速技術大幅節(jié)能的原因。

圖3 水泵變頻調速運行特性圖

污水處理廠進水提升泵節(jié)能分析，當進水流量從最大流量Q1變化到實際流量Q2時，當通過調節(jié)閥門方式，管路曲線由R1改變?yōu)镽2，運行工況點由A 至B，水泵仍處滿負荷運行，大量能耗用于管阻消耗。而采用變頻調速技術，管路曲線R 不變，水泵轉速從n1調至n2，水泵特性曲線由（Q-H）1改變?yōu)樽冾l調速時水泵特性曲線（Q-H）2，運行工況點由A 點移至C 點，揚程從H1降至H變。

根據水泵特性曲線公式；

式中：N-水泵使用工況點軸功率（kw);

Q-水泵使用工況點流量（m3/s）;

H-水泵使用工況點揚程（m）;

r-水的密度（kg/m3）;

η-水泵的總效率（%）

工況點C 點與B 點軸功率之差經計算可知；

由此可見相對用閥門控制流量方式比較，采用變頻調頻技術可降低水泵運行能耗，且水泵轉速與軸功率成正比三次方關系，轉速下降，軸功率相應大幅減少，從而實現節(jié)能目標。

3 污水處理廠變頻調速技術應用措施

3.1、變頻調速技術在污水處理廠曝氣機上的應用

活性污泥法系城市污水處理和有機性工業(yè)污水的有效生物處理法?；钚晕勰喾▽嵸|上是以存在于污水中的有機物作為培養(yǎng)基，在有氧的條件下，對各種微生物群進行混合連續(xù)培養(yǎng)，通過凝聚、吸附、氧化分解、沉淀等過程去除有機物的一種方法，它受到BOD 負荷率、溶解氧、水溫、營養(yǎng)物平衡、PH 值等環(huán)境因素的影響。在微生物的代謝過程中，需要將污水中一部分有機物氧化分解，并自身氧化一部分細胞物質，為其新細胞的合成以及維持生命活動提供能源。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 污水處理廠風機變頻調速系統(tǒng)配置圖

Q-污水流量（m3/d）;

QSr-有機物降解量（kg/d）

b'-污水自身氧化需氧率（kg）

V-曝氣池總容積（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，當污水量增大時，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程，當曝氣池供氧不足會引起絲狀菌大量繁殖，導致污泥澎漲。反之供氧過度，會使活性污泥生物-營養(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。污水處理廠在實際運行期間，由于進水量等方面的變化，曝氣池的需氧量也在不斷改變。采用變頻調速技術，通過改變風機轉速方式，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速控制系統(tǒng)主要由風機、變頻器、軟啟動器，小型可編程控制器（PLC）、DO 在線溶氧儀構成。在曝氣池內設置DO 在線溶氧儀，通過DO 在線溶氧儀檢測曝氣池內混合液的溶解氧濃度值，并轉換為DC4～24mA 標準信號轉給PLC，經PLC 運算將傳給變頻器，在變頻器上設定給定值。通過變頻器內置的PID 內進行運算、比較，其結果改變輸入風機的電源頻率，從而使風機轉速改變，保持曝氣池內溶解氧濃度在2mg/L。當溶解氧濃度低于2mg/L 時，使變頻器輸出頻率增大，風機轉速隨之升高，曝氣池內進氣量相應增多，池內混合液溶解氧濃度隨之升高，反之亦然。當變頻器輸出頻率達50Hz 后，池內混合液溶解氧濃度仍低于給定的溶解氧濃度（2mg/L）時，通過PLC 轉出轉出指令通過變頻器或較啟動器增加風機運行臺數。反之，當在滿足溶解氧給定濃度時，變頻器輸出頻率降低，降至設定下限輸出頻率時，通過PLC 減少風機運行臺數。使曝氣池內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)還可設置各類與運行相關的傳感器，采集運行狀態(tài)信息和數據，經PLC 向污水處理廠中央控制室上位控制器系統(tǒng)傳送。并可通過上位機系統(tǒng)運行狀況信息、數據直接顯示或存儲、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用

污水處理廠進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污水處理廠后續(xù)水工構筑物。根據污水處理廠設計時的水頭損失計算，污水處理廠進水提升泵提升水頭可以是一個定值。污水進水流量和集水井水位發(fā)生變化時，污水提升泵的提升水頭也隨之變化，當污水提升水頭高于所需水頭時，就產生了不必要的能源浪費。采用變頻調速技術，通過調節(jié)水泵轉速，使水泵揚程符合水工構筑物所需水頭，從而實現節(jié)能目的。

污水處理廠進水提升泵變頻調速控制系統(tǒng)主要由水泵、變頻器、軟啟動器、PLC、壓力傳感器構成，設在水泵出水管上的壓力傳感器將檢測的出水壓力值反饋至PLC、變頻器，經與變頻器上設定值進行計算、比較，其結果改變變頻器的輸出電源頻率，從而改變水泵的運行轉速，使水泵出水壓力恒定在設定值。當變頻器頻率輸出達50Hz 時，出水管壓力仍低于設定值，則經PLC 給出信號，通過變頻器或軟啟動器增加運行水泵。在多泵運行時，某臺變頻器小于設定頻率，則減泵運行。同時；可通過PLC向中央控制室上位控制器傳遞運行信息和數據，并可接收上位控制系統(tǒng)的運行指令。

結束語

通過對污水處理廠風機、水泵采用變頻調速技術節(jié)能的節(jié)能分析，證明在污水處理廠采用變頻調速技術是一種效果顯著的節(jié)能措施，值得廣泛推廣應用。同時，對曝氣風機和污水提升泵運用方法及措施做了詳細介紹，也證明了污水處理廠運用變頻技術的技術可行性。污水處理廠采用變頻調速技術不但具有節(jié)能效果，還具備提高設備效率，減輕設備維護，降低設備維修費用等優(yōu)點，經濟效益明顯。