污水處理工藝中攪拌能耗及節(jié)能途徑

劉玉永，汪文生，盧雪飛，梁曉玲，趙恒文

（1.南京貝特環(huán)保通用設(shè)備制造有限公司，南京 211500；2.皖江工學(xué)院，安徽 馬鞍山 243031；3.河海大學(xué)，南京 210098）

水和能源是現(xiàn)代社會(huì)的兩大基礎(chǔ)資源,污水處理廠是實(shí)現(xiàn)水污染防治和水資源循環(huán)利用的重要手段，但污水處理行業(yè)也是高能耗行業(yè)，其中電耗占總能耗的60%—90%[1,2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011 年全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理總電耗為100 億kW·h，占全國(guó)總電耗的0.2%，電耗是污水處理廠成本的主要組成部分。2015 年3 月，北京市頒布了《城鎮(zhèn)污水處理能耗消耗限額》（DB/T 1118—2014）,這是我國(guó)首個(gè)針對(duì)污水處理能源消耗限額的規(guī)定。有資料顯示，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)類(lèi)設(shè)備消耗的電能占污水處理廠總電耗的60%—70%。在污水處理廠建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，需減少能源消耗，從而實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效。具體可以采取以下措施：一方面，在池型設(shè)計(jì)、設(shè)備選型布置上，從安裝角度做到優(yōu)化優(yōu)選，充分發(fā)揮設(shè)備性能，提高工作效率；另一方面，通過(guò)采用新型高效的動(dòng)力方案和攪拌器結(jié)構(gòu)，提高攪拌機(jī)的水力和傳動(dòng)效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

1 攪拌設(shè)備的能耗

目前，常見(jiàn)的污水處理工藝有A/O、A2/O、氧化溝、SBR 等。在所有的工藝中，攪拌設(shè)備通常是保證工藝運(yùn)行的必備設(shè)備之一。通過(guò)對(duì)不同地區(qū)、不同工藝、不同規(guī)模污水處理廠攪拌設(shè)備的能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見(jiàn)表1）[3]，可知攪拌設(shè)備在污水處理廠生化單元能耗中占比較高，是主要的耗能設(shè)備。

表1 污水處理廠生化單元攪拌能耗占比

2 池型設(shè)計(jì)和布局對(duì)攪拌能耗的影響

潛水?dāng)嚢铏C(jī)是污水處理工藝中的關(guān)鍵設(shè)備之一，也是A2/O、A/O 及氧化溝等多種生化處理工藝中最為常用的攪拌設(shè)備。工程應(yīng)用中的數(shù)據(jù)顯示，生化池的池型設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)攪拌機(jī)的能耗產(chǎn)生明顯影響，當(dāng)生化池的高徑比（液位與池底直徑比值）在0.5—1.0 時(shí)，完成生化反應(yīng)所需攪拌能耗相對(duì)較低；當(dāng)生化池的高徑比超過(guò)此范圍時(shí)，一般需對(duì)攪拌能耗給予1.0—2.0 的池型校正系數(shù)，池型校正系數(shù)見(jiàn)圖1。

圖1 池型校正系數(shù)

在設(shè)備布局上，合理的布局有利于實(shí)現(xiàn)良好的攪拌效果。在工程應(yīng)用中，一般會(huì)遵循以下幾個(gè)原則，如系統(tǒng)優(yōu)化原則（由2—4 臺(tái)攪拌機(jī)組成交叉射流）、發(fā)展長(zhǎng)射流原則、循環(huán)水流原則等。結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)例，圖2 列舉了幾種常用的設(shè)備布局方式。

圖2 攪拌機(jī)布局方式

3 攪拌機(jī)節(jié)能途徑

3.1 常規(guī)結(jié)構(gòu)

污水處理廠使用的潛水?dāng)嚢铏C(jī)多采用多極異步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)葉輪的方式，電機(jī)的常用極數(shù)有6 極、8 極、10 極、12 極等。這種攪拌機(jī)的能量損失主要包括電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱損耗（定子繞組銅耗、轉(zhuǎn)子繞組銅耗、鐵芯損耗）、雜散損耗、機(jī)械摩擦損耗、通風(fēng)損耗等。多極異步電機(jī)，尤其是8 極以上多極異步電機(jī)，具有扭矩大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但效率和功率等比低極數(shù)電機(jī)（2 極或4 極）低，從而造成能量消耗較高。采用多極異步電機(jī)的潛水?dāng)嚢铏C(jī)見(jiàn)圖3。

圖3 多極異步電機(jī)方案

3.2 減速電機(jī)結(jié)構(gòu)

效率較高的異步電機(jī)配合高效減速器的減速電機(jī)結(jié)構(gòu)，也可作為潛水?dāng)嚢铏C(jī)的驅(qū)動(dòng)方式。這種驅(qū)動(dòng)方式突破了多極電機(jī)效率和功率因數(shù)等電氣參數(shù)的限制，可在電動(dòng)機(jī)系列里挑選高能效產(chǎn)品，通過(guò)與高效減速器的配合，組成減速電機(jī)的結(jié)構(gòu)，獲得較高的傳動(dòng)效率。例如，選取《潛水?dāng)嚢铏C(jī)》（CJ/T 109—2007）標(biāo)準(zhǔn)系列中型號(hào)為QJB620/480-5 的潛水?dāng)嚢铏C(jī)，機(jī)電功率5kW、葉輪直徑620mm、輸出轉(zhuǎn)速480rpm，電機(jī)采用12 極異步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，按電機(jī)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其效率為77.4%，功率因數(shù)為0.63。同樣型號(hào)規(guī)格，如采用減速電機(jī)結(jié)構(gòu)，依據(jù)《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》（GB 18613—2012）可選用效率較高的4 極異步電機(jī)，其效率可達(dá)87.7%[4]，配合一級(jí)傳動(dòng)高效斜齒輪減速器獲得所需扭矩和轉(zhuǎn)速，傳動(dòng)效率可達(dá)98%以上[5]，綜合傳動(dòng)效率超過(guò)85%，高于12 極異步電機(jī)77.4%的傳動(dòng)效率。采用減速異步電機(jī)結(jié)構(gòu)的潛水?dāng)嚢铏C(jī)見(jiàn)圖4。

圖4 減速異步電機(jī)方案

3.3 永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)

異步起動(dòng)永磁電機(jī)又稱自起動(dòng)永磁同步電機(jī)（LSPMSM），是近年來(lái)發(fā)展較快的一種永磁同步電機(jī)，在中小功率和高壓大功率上應(yīng)用廣泛。異步起動(dòng)永磁電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)為同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速不受負(fù)載影響，轉(zhuǎn)子鼠籠條不再切割磁場(chǎng)，無(wú)轉(zhuǎn)子電流，轉(zhuǎn)子電阻損耗為零。因轉(zhuǎn)子內(nèi)嵌稀土永磁體，無(wú)須設(shè)定勵(lì)磁電流分量，可大幅提高電機(jī)功率因數(shù)。采用永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)的潛水?dāng)嚢铏C(jī)見(jiàn)圖5。

圖5 永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)潛水?dāng)嚢铏C(jī)

3.4 能耗對(duì)比試驗(yàn)

為了更接近工程實(shí)際情況，測(cè)試方案采用實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式，分別對(duì)三種結(jié)構(gòu)的潛水?dāng)嚢铏C(jī)進(jìn)行性能參數(shù)和實(shí)況運(yùn)行測(cè)試。

首先，在試驗(yàn)條件下分別測(cè)試了三種結(jié)構(gòu)的潛水?dāng)嚢铏C(jī)在不同負(fù)載條件下的效率（見(jiàn)圖6）。通過(guò)對(duì)曲線的分析可知，永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)效率最高可達(dá)92%，效率曲線隨負(fù)載變化最?。粶p速電機(jī)結(jié)構(gòu)的最高效率約為85%，效率曲線隨負(fù)載變化較??；多極異步電機(jī)最高效率為78%左右，效率曲線隨負(fù)載變化最大。然后，在相同的實(shí)際工況下對(duì)三種結(jié)構(gòu)的潛水?dāng)嚢铏C(jī)進(jìn)行了相關(guān)運(yùn)行參數(shù)的測(cè)試，并采用GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控手段連續(xù)采集數(shù)據(jù)。最后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。在深圳某污水凈化廠分別安裝采用常規(guī)結(jié)構(gòu)、減速電機(jī)結(jié)構(gòu)、永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)的三臺(tái)潛水?dāng)嚢铏C(jī)。設(shè)備自2019 年5 月開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，通過(guò)MSC 在線智慧運(yùn)行平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的檢測(cè)和記錄，記錄數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 潛水?dāng)嚢铏C(jī)電機(jī)能耗對(duì)比

圖6 電機(jī)效率對(duì)比

通過(guò)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，減速電機(jī)和永磁電機(jī)在能效上明顯優(yōu)于多極異步電機(jī)。相對(duì)于多極異步電機(jī),采用減速電機(jī)結(jié)構(gòu)的潛水?dāng)嚢铏C(jī)可節(jié)能約11%、減少電流約28%；采用永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)的潛水?dāng)嚢铏C(jī)可節(jié)能約18%、減少電流約38%。實(shí)際運(yùn)行中，設(shè)備負(fù)載率隨著污水處理廠運(yùn)行工況的變化而有所波動(dòng)，12 極異步電機(jī)的效率隨負(fù)載率變化而波動(dòng)較大，減速電機(jī)和永磁電機(jī)都較為平穩(wěn)。

4 結(jié)語(yǔ)

攪拌設(shè)備能耗在污水處理總能耗中占比較高，在電機(jī)結(jié)構(gòu)方面具有較高的節(jié)能改造潛力。通過(guò)在試驗(yàn)和實(shí)際工況下的對(duì)比分析可知，相比于多極異步電機(jī)，減速電機(jī)結(jié)構(gòu)可節(jié)能11%，永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)可節(jié)能18%，因此減速電機(jī)和永磁電機(jī)是較為可行的攪拌設(shè)備節(jié)能途徑。同時(shí)在工程設(shè)計(jì)時(shí)，池型的合理設(shè)計(jì)以及設(shè)備的優(yōu)化布局安裝，都可以降低污水處理廠在攪拌設(shè)備上的電能消耗,對(duì)于污水處理廠節(jié)約成本、增加效益具有積極意義。