變頻器與PLC在污水曝氣風(fēng)機(jī)中的技改及應(yīng)用

史亞豐

（創(chuàng)利皮革（揚(yáng)州）有限公司，江蘇 揚(yáng)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(shè)也不斷加大。但是，大多數(shù)污水處理設(shè)備還是傳統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備。隨著變頻調(diào)速技術(shù)在機(jī)電控制方面不斷發(fā)展應(yīng)用，無論從節(jié)能還是對機(jī)電設(shè)備的精細(xì)化控制來說，都迫切需要利用變頻技術(shù)對傳統(tǒng)的污水處理設(shè)備進(jìn)行升級改造。現(xiàn)以我公司利用變頻調(diào)速技術(shù)對生化池曝氣風(fēng)機(jī)風(fēng)量進(jìn)行精細(xì)化控制為例，詳細(xì)說明介紹變頻器在風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用。生化池是制革污水處理的核心，池內(nèi)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(shí)測氧1 次，嚴(yán)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(dá)不到國家排放標(biāo)準(zhǔn)；生化池DO 偏低，將抑制池內(nèi)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(fēng)機(jī)改造前利用常規(guī)擋板風(fēng)門控制方式對生化池曝氣進(jìn)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(fèi)了大量電能。后來采用變頻器變頻調(diào)速的方法對2 臺風(fēng)機(jī)風(fēng)量進(jìn)行控制，結(jié)合生化池曝氣階段的DO（溶解氧）監(jiān)測傳感器，采用變頻器變頻調(diào)速的方法對風(fēng)機(jī)風(fēng)量進(jìn)行控制，之前采用手動調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度來調(diào)節(jié)風(fēng)量，測量進(jìn)線電流為185A,采用變頻器控制后，風(fēng)門保持在最大開度位置，通過設(shè)定頻率調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速來控制風(fēng)量。結(jié)果，在所需曝氣量與未改造之前相同，進(jìn)線電流只有150A,將運(yùn)行頻率設(shè)為35 Hz,經(jīng)過1 年多試運(yùn)行，2 臺風(fēng)機(jī)的年用電量比原來下降了25%左右，節(jié)約了電能。由于變頻調(diào)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(diào)速技術(shù)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(qū)動器，簡稱VFD，行業(yè)內(nèi)也常用詞語Inverter 來表示）是通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)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(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。

1.1 變頻調(diào)速的方法

交流異步電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速可由下式確定：

式中，n為電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，f為輸入電源頻率，s為電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，p為電機(jī)的極對數(shù)。由此可見，改變頻率f就能改變轉(zhuǎn)速n.

1.2 節(jié)能的原理

1.2.1 調(diào)速節(jié)能

通過流體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機(jī)(或水泵)類設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q、壓力(揚(yáng)程)H以及軸功率P具有如下關(guān)系：

式中，Q1、H1、P1分別為風(fēng)機(jī)(或水泵)在n1轉(zhuǎn)速時(shí)的流量、壓力(或揚(yáng)程)、軸功率，Q2、H2、P2則分別表示風(fēng)機(jī)(或水泵)在n2轉(zhuǎn)速時(shí)相似工況條件下的流量、壓力(或揚(yáng)程)、軸功率。

由公式(2)、(3)、(4)可知，風(fēng)機(jī)的流量與其轉(zhuǎn)速成正比，壓力(或揚(yáng)程)與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與其轉(zhuǎn)速的立方成正比。根據(jù)公式(4)可知，在其它運(yùn)行條件不變的情況下，理論上講，通過下調(diào)電機(jī)的運(yùn)行速度，其節(jié)電效果是與轉(zhuǎn)速降落成立方的關(guān)系，因此，其節(jié)電效果非常明顯。

假設(shè)設(shè)定運(yùn)行頻率是40Hz,其工作轉(zhuǎn)速約為額定轉(zhuǎn)速的80%。這時(shí)羅茨鼓風(fēng)機(jī)消耗的功率為：PL=PLM.0.83=0.512 PLM,即：由于轉(zhuǎn)速的下降而節(jié)能48.8%。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的1/2 時(shí)，省電87.5%。

1.2.2 改善功率因數(shù)，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(yè)能源管理要求，提倡使用能耗等級低的設(shè)備。通過能量守恒定律，無用功會轉(zhuǎn)換成熱能而最終消失，從而增加線路損耗和電機(jī)的發(fā)熱，更主要的是功率因數(shù)的降低導(dǎo)致電網(wǎng)有功功率的降低，大量的無功電能消耗在線路當(dāng)中，設(shè)備使用效率低下，浪費(fèi)嚴(yán)重。

前面介紹風(fēng)機(jī)(或水泵)類設(shè)備屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，風(fēng)機(jī)的耗能跟轉(zhuǎn)速的1.7 次方成正比，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩及負(fù)載成平方比下降，節(jié)能效果明顯。

采用變頻器后，其進(jìn)線側(cè)的功率因數(shù)在0.95 以上，而電動機(jī)的功率因數(shù)為0.85。功率因數(shù)的提高對羅茨風(fēng)機(jī)消耗功率并無影響，但對于電網(wǎng)線路卻非常有意義。以本例來說，當(dāng)功率因數(shù)cos∮=1.0 時(shí)，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(shù)的提高，使曝氣風(fēng)機(jī)向電網(wǎng)少取用了29A 的電流。

2 污水曝氣風(fēng)機(jī)的技術(shù)簡介

三葉羅茨風(fēng)機(jī)是一種雙葉輪同步壓縮機(jī)械，每個(gè)三葉型轉(zhuǎn)子用兩個(gè)軸承支撐，利用一對同步齒輪，使兩個(gè)轉(zhuǎn)子的相對位置始終保持不變。屬容積式鼓風(fēng)機(jī)，具有強(qiáng)制輸氣特征。三葉羅茨風(fēng)機(jī)作為回轉(zhuǎn)式機(jī)械，具有比較穩(wěn)定的工作特性，三葉羅茨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子與泵體、轉(zhuǎn)子與側(cè)蓋之間都有微小間隙，因而工作腔內(nèi)沒有摩擦，無接觸磨損部分；三葉羅茨風(fēng)機(jī)還有最大的特點(diǎn)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(jī)的使用場合就完全不一樣，羅茨風(fēng)機(jī)不需要內(nèi)部潤滑，輸送的介質(zhì)不含油等特點(diǎn)。泵轉(zhuǎn)子的支承采用了可靠的消隙結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動部件作細(xì)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(fēng)機(jī)為容積式風(fēng)機(jī)，輸送的風(fēng)量與轉(zhuǎn)數(shù)成比例，三葉型葉輪每轉(zhuǎn)動一次由2 個(gè)葉輪進(jìn)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(fēng)機(jī)2 根軸上的葉輪與橢圓形殼體內(nèi)孔面，葉輪端面和風(fēng)機(jī)前后端蓋之間及風(fēng)機(jī)葉輪之間者始終保持微小的間隙，在同步齒輪的帶動下風(fēng)從風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口沿殼體內(nèi)壁輸送到排出的一側(cè)。

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

3 變頻改進(jìn)后的節(jié)能效益

3.1 系統(tǒng)運(yùn)行

圖1 污水風(fēng)機(jī)房平面圖

圖2 羅茨鼓風(fēng)機(jī)工作原理示意圖

圖3 羅茨鼓風(fēng)機(jī)安裝圖

為保證風(fēng)機(jī)可靠運(yùn)行和改進(jìn)后的節(jié)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(dá)VFD1100F43C 進(jìn)行對比，對公司2 臺110KW 風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造。2 臺風(fēng)機(jī)變頻器改進(jìn)安裝后，經(jīng)過兩年多的運(yùn)行，變頻器性能運(yùn)行非常穩(wěn)定，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。設(shè)備方面由于變頻具有軟啟動功能避免了電機(jī)啟動時(shí)對機(jī)械部位的沖擊，以及轉(zhuǎn)速的降低，對風(fēng)機(jī)的葉輪、軸承等壽命得以延長，設(shè)備運(yùn)行狀況良好。

3.2 效益比較

為保證變頻改進(jìn)后的數(shù)據(jù)記錄的真實(shí)性，所記錄的數(shù)據(jù)是通過技改前后的兩個(gè)自然年度實(shí)際運(yùn)行記錄，變頻改進(jìn)前后電量計(jì)算（如下表電力ERP 管理平臺截取的數(shù)據(jù)）所示：

改進(jìn)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(jìn)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(jīng)變頻改造后，在滿足生化池正常DO（溶解氧）的情況下，風(fēng)機(jī)輸入功率明顯減小，節(jié)省了大量電能,污水站2012 年8 月平均負(fù)荷216 KW/時(shí)，調(diào)整后2014 年8 月平均負(fù)荷151 KW/時(shí)，結(jié)算成每個(gè)月，一年下來節(jié)省的費(fèi)用相當(dāng)可觀。

此外，從兩個(gè)完整自然年度的實(shí)際電表結(jié)算用電量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)也有力地證明該績效（見表1）

表1 年度實(shí)際電表結(jié)算用電量

計(jì)算結(jié)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(diào)整過曝氣量的2014 年比之前2012 年度少用387701 度電，節(jié)省費(fèi)用近30 萬元。從2013 年改造后，共節(jié)約30 萬元×7 年=210 萬元。

4 變頻器實(shí)現(xiàn)一用一備切換改造實(shí)例

與此同時(shí)，污水處理設(shè)施的正常運(yùn)行是對生產(chǎn)的順利進(jìn)行的一個(gè)重要保障。為了確保污水的處理質(zhì)量和預(yù)防設(shè)備的異常突發(fā)情況，于是又接著進(jìn)行另外一項(xiàng)技術(shù)改進(jìn):增加一臺變頻器，通過PLC（本案例選用：臺達(dá)DVP-40ES）的控制，通過編程，使兩臺變頻器聯(lián)動實(shí)現(xiàn)一用一備，并加裝溶解氧監(jiān)測傳感器，以模擬量自動調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率，有效的保障了污水達(dá)標(biāo)處理所需的含氧量。

PLC 的技術(shù)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(nèi)部存儲系統(tǒng)程序和用戶程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器等面向用戶的指令，并通過數(shù)字Digital 或模擬Analog 式輸入Input/輸出Output控制各種類型的機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)。傳統(tǒng)的繼電器控制方式使用了大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器，由于污水站的易腐蝕環(huán)境，經(jīng)常導(dǎo)致觸點(diǎn)接觸不良，出現(xiàn)故障后不易于故障診斷，增加故障率帶來的停機(jī)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(guān)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(diǎn)接觸不良造成的故障大為減少，使控制柜的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(fēng)機(jī)超負(fù)荷跳閘問題得到了解決。問題分析：風(fēng)機(jī)額定升壓58.8 KPa,而實(shí)際的氣壓經(jīng)過測量為75 KPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其風(fēng)機(jī)的額定升壓，導(dǎo)致氣憋在里面，而產(chǎn)生超電流報(bào)警。

圖6 污水曝氣風(fēng)機(jī)的變頻器一用一備改造—主電路圖

圖7 污水曝氣風(fēng)機(jī)的變頻器一用一備改造—PLC 梯形圖

圖8 污水曝氣風(fēng)機(jī)的變頻器一用一備改造—電柜

圖9 污水曝氣風(fēng)機(jī)的變頻器一用一備改造—運(yùn)行效果

于是從設(shè)備本身去排除問題：首先將進(jìn)氣過濾筒拆除，與風(fēng)機(jī)分離；將出氣管拆除，與風(fēng)機(jī)分離。目的是確定電機(jī)是否完好，檢查風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動自如，用手可以輕松轉(zhuǎn)動；電機(jī)處于空載狀態(tài)下運(yùn)行，電流為57 A，說明電機(jī)正常。

接著，確定出口管道是否暢通。由于共用一個(gè)出風(fēng)系統(tǒng)，所有將并聯(lián)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(jìn)氣過濾管的狀態(tài)下運(yùn)行，故障依然存在。從而進(jìn)一步查看風(fēng)機(jī)軸承，齒輪，三葉風(fēng)葉，均未發(fā)現(xiàn)明顯問題。（就連項(xiàng)目設(shè)計(jì)方東南大學(xué)設(shè)計(jì)院也一時(shí)不能找到原因。）

由于在未并入二期曝氣前，一期曝氣運(yùn)行正常，污水項(xiàng)目設(shè)計(jì)方一直懷疑是曝氣管路延長，導(dǎo)致出氣受阻。于是不斷嘗試調(diào)整水位；調(diào)整曝氣管道彎頭以減少管阻；調(diào)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(xiàng)目設(shè)計(jì)方更專注于水處理工藝，在實(shí)際工程設(shè)備運(yùn)行也沒有這方面的解決經(jīng)驗(yàn)；在大家一籌莫展的時(shí)候，作為一名設(shè)備工程人員，通過查閱資料、在實(shí)踐中找到方法：因?yàn)橐郧白冾l器設(shè)置的是恒電流運(yùn)行模式，不管頻率高與低，都是以恒轉(zhuǎn)矩輸出，都是顯示50 Hz 時(shí)的電流，一旦有阻力就會導(dǎo)致負(fù)載增加，電流過載＞200 A；即使將頻率調(diào)低也并不能減少負(fù)載及出氣量。解決方法是將參數(shù)電機(jī)控制設(shè)置為可變轉(zhuǎn)矩，適用于風(fēng)機(jī)和泵類。（東南大學(xué)設(shè)計(jì)院吉教授也將該案例解決方案寫入整個(gè)設(shè)計(jì)方案中去，同時(shí)作為污水處理曝氣工藝段的重要經(jīng)驗(yàn)分享給污水方面的設(shè)計(jì)同行。）

以下是其他品牌的變頻器的相同功能的參數(shù)代碼：

（1）FUJI，將H10 自動節(jié)能運(yùn)行從0 換成1，換成節(jié)電模式，電流就隨頻率下降了。H10 自動節(jié)能運(yùn)行，此功能適用于風(fēng)機(jī)和泵（出廠值為0關(guān)閉節(jié)能，1 為開啟）；

（2）Schneider，ATV 系列變頻器，將參數(shù)電機(jī)控制drc 中/電機(jī)控制類型更改為U/F 二次方，可變轉(zhuǎn)矩，適用于風(fēng)機(jī)和泵類；

（3）SIMENS MM440，參數(shù)P0205 變頻器應(yīng)用對象，分為0=恒轉(zhuǎn)矩（普通類壓縮機(jī)，輸送帶）；1=變轉(zhuǎn)矩（風(fēng)機(jī)，泵）；

（4）DELTA 臺達(dá)，應(yīng)用場合，參數(shù)08-15 自動省電運(yùn)轉(zhuǎn)（00=自動節(jié)能運(yùn)轉(zhuǎn)關(guān)閉，01 開啟自動節(jié)能運(yùn)轉(zhuǎn)）出廠設(shè)定值：00；

（5）OMRON，型號：3G3JZ，節(jié)能控制（適合風(fēng)機(jī)，泵類），參數(shù)n8.17（0=無效，1=有效）出廠值為0；

結(jié)束語

變頻器&PLC 結(jié)合起來控制用于制革污水處理的曝氣風(fēng)機(jī)控制可以達(dá)到顯著的節(jié)能效果，同時(shí)精確控制曝氣風(fēng)量而改善生化池的處理效果。

最后，在整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施中，要感謝公司污水站長陳戰(zhàn)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(shí)際成功案例和經(jīng)驗(yàn)分享給更多的皮革行業(yè)的設(shè)備工程師們，也歡迎大家給予指導(dǎo)和交流。