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污水處理廠工藝概況 觀瀾污水處理廠位于深圳市寶安區(qū)觀瀾街道桂花村，主要負責觀瀾區(qū)域的生活污水處理，首期工程污水處理能力為6萬噸/天，出水排入觀瀾河，水質(zhì)達國家標準《城鎮(zhèn)污水處理廠排放標準》[GB18918-2002]的一級B標準，工程采用HAS’SBR污水處理工藝（改良SBR工藝），其工藝流程如下圖1表示。
圖1：觀瀾污水處理廠工藝流程圖 該工程（首期，下同）工藝設備總裝機容量1585KW，工作容量1180KW，計算負荷876.31KW，其中用電量比較大的設備是鼓風機和進水泵，鼓風機兩用一備，每臺容量315KW，進水泵兩用一備，每臺容量90KW。 可見，鼓風機和進水泵占全廠能耗的92%，其中鼓風機占了全廠能耗的72%。鼓風機和進水泵是污水處理的核心設備，都是全天候運轉(zhuǎn)的，因此在該工程中我們采用了ABB變頻器對鼓風機及進水泵進行變頻控制，一方面優(yōu)化運行，保護設備；另一方面就是節(jié)約電能。 1、鼓風機系統(tǒng)。 本設計共設置3臺鼓風機，2備1用，每臺鼓風機各配1臺ABB公司的ACS607變頻調(diào)節(jié)器，配合美國AB公司的CONTROLOGIX 5000系列PLC實現(xiàn)系統(tǒng)的全閉環(huán)自動調(diào)節(jié)；本工程共設四個反應池，每2個反應池為1組功能單元，各反應池按設定的時序時間周期運行。 每一組2個反應池對應1臺鼓風機，該鼓風機輸出的壓縮空氣通過1條空氣管道通至一組的2個反應池前，再分為2條進風管分別進入2個反應池，通過控制2條進風管的各自進氣閥門實現(xiàn)該1臺鼓風機只能向每一組2個反應池的其中1個反應池供氣。 鼓風機在反應池運行過程中啟動，根據(jù)工作時對應的反應池中測得的DO(溶解氧)值調(diào)整該鼓風機的轉(zhuǎn)速及工作時間，在PID（用PLC）自動控制下直到DO值濃度穩(wěn)定在設定值。其外部設備連接見圖2。 2、進水泵系統(tǒng)。 進水泵房集水池內(nèi)共設有3臺進水泵�？紤]到實際應用中只可能是一臺變頻運轉(zhuǎn)，另一臺是停止或工頻運轉(zhuǎn)，再另外一臺是備用，同時為了節(jié)約投資，設計了3臺水泵只用一臺變頻調(diào)節(jié)。當進水泵房集水池水位最高極限水位29.00M時，最低報警水位23.70M時，用變頻調(diào)速進水泵調(diào)節(jié)提升總水量將進水泵房集水池水位最佳運行狀態(tài)控制在最高控制水位25.40M時，最低控制水位24.00M之間。 當進水泵房集水池水位升到24.00M時，開1臺變頻調(diào)速進水泵。 當進水泵房集水池水位升到24.70M時，開1臺變頻調(diào)速進水泵和1臺不能調(diào)速的進水泵。 當進水泵房集水池水位升到25.00M時，開1臺變頻調(diào)速進水泵和2臺不能調(diào)速的進水泵。 水泵最多可同時開3臺，當進水泵房集水池水位達到最高極限水位29.00M或000M時，發(fā)出最高水位報警信號，手動打開進水閘門井內(nèi)溢流閘門后，再關閉進水閘門井中的2個進水閘門，污水通過溢流閘門及溢流管道排至出水河道中。 當進水泵房集水池水位降到25.0M時，關1臺不能調(diào)速的進水泵。 當進水泵房集水池水位降到24.70M時，關2臺不能調(diào)速的進水泵。 當進水泵房集水池水位降到23.70M時，關3臺進水泵。 當進水泵房集水池水位降到最低報警水位23.70M時，發(fā)出低水位報警信號。 為了避免一臺泵重復啟動，不能調(diào)速的進水泵將依次循環(huán)投入運行，先開先停，并且每次首先啟動的泵都自動輪換，計算機程序記錄每臺泵的運行時間，自動調(diào)整啟動順序，充分延長設備的使用壽命。 3、系統(tǒng)硬件設計框圖。見圖2
圖2：系統(tǒng)硬件設計框圖 4、系統(tǒng)通訊實現(xiàn)的方法與編程。（略） 變頻調(diào)節(jié)的節(jié)電原理 1、變頻調(diào)控原理與特性 通過新一代全控型電子元件，用變頻器改變交流電機的轉(zhuǎn)速方式來進行風機風量或水泵流量的控制，可以大幅度減少以往機械方式調(diào)控流量造成的能量損耗。
圖3：變頻調(diào)節(jié)時風機的性能曲線 2、變頻調(diào)節(jié)的節(jié)能原理 圖2中曲線1和2表示調(diào)速時的壓力-流量曲線，曲線3和4表示節(jié)流調(diào)節(jié)時管路阻力特性曲線，曲線5表示恒速時功率-流量曲線，設A點為風機最大工況點。當風量需從Q1減少到Q2時，如果采用節(jié)流調(diào)節(jié)法，工況點由A到B，風壓增加到H2，由圖中可看出軸功率P2下降，但減少的不太多。 如果采用變頻調(diào)節(jié)方式，風機工況點由A到C，可見在滿足同樣風量Q2 情況下，風壓H3將大幅度下降，功率P3隨著顯著減少。節(jié)省的功率損耗△P＝△HQ2與圖中面積BH2H3C成正比。 由以上分析可知，變頻調(diào)節(jié)是一種高效的調(diào)節(jié)方式。鼓風機采用變頻調(diào)節(jié)，不會產(chǎn)生附加壓力損失，節(jié)能效果顯著，調(diào)節(jié)風量范圍0％～100％，適合調(diào)節(jié)范圍寬，且經(jīng)常處于低負荷下運行的場合。但是，當風機轉(zhuǎn)速下降，風量減小時，風壓將發(fā)生很大變化，由風機比例定律： Q1/Q2＝(n1/n2)，H1/H2＝(n1/n2)2，P1/P2＝(n1/n2) 3 可知，當其轉(zhuǎn)速降低到原額定轉(zhuǎn)速的一半時，對應工況點的流量、壓力、軸功率各下降到原來的1/2、1/4、1/8，這就是變頻調(diào)節(jié)方式可以大幅度節(jié)電的原因。 假設將水泵轉(zhuǎn)速降低10%（輸出頻率45Hz時），則功率P2=（0.9）×P1=0.73P1,節(jié)電27%。 假設將水泵轉(zhuǎn)速降低20%（輸出頻率40Hz時），則功率P2=（0.8）³×P1=0.51P1,節(jié)電49%。 由于功率與轉(zhuǎn)速成三次方的關系，因此，轉(zhuǎn)速變化越大，功率的消耗將呈幾何級數(shù)減少。 3、啟動電流對電動機及設備的損害 電動機在啟動階段，往往采用自藕變壓器降壓啟動或（星—三角）啟動方式，這兩種方式雖然能降低啟動電流對電動機的損害，但仍有高達額定電流5—6倍的啟動電流，嚴重危害著電動機、水泵、單向閥、管路系統(tǒng)的使用壽命。
圖4 使用變頻調(diào)節(jié)以后，由于使用了SPWM技術(shù)，實現(xiàn)了真正意義上的軟啟動和緩沖停機，從根本上消除了啟動電流對電動機及其它設備的危害，大大延長了設備的使用壽命。 4、設備運行中的噪音、震動、水錘等問題 設備在全電壓啟動、運行、停止的過程中，由于無法進行及時有效的調(diào)節(jié)，會產(chǎn)生嚴重的水錘、機械噪音增加、震動加劇等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象都具有極大的破壞性，會引起管道破裂或癟塌、損壞閥門和固定件，并會增加進線變壓器的負荷狀況。 采用了變頻調(diào)節(jié)后，可以通過延長升、降速時間來延長起動或停機的過程，即使在運行過程中，也可以通過對工作頻率點的選擇，跳過容易引起設備共震的工作點，從而使水泵葉片、單向閥、管路系統(tǒng)承受的應力大為減小，軸承的磨損也大大減輕，設備的工作壽命將大大延長。 應用效果 1） 節(jié)能效果顯著。該工程自2004年底建成并投入運行至2006年底，共達標處理污水4332.82 萬噸，共用電715.46萬度，處理噸水用電量0.165度，比其他采用同樣污水處理工藝但沒采用變頻調(diào)節(jié)技術(shù)的污水廠處理噸水用電量0.22度節(jié)電25%。每年節(jié)電89.43萬度，按現(xiàn)在電價0.80元/度測算，每年節(jié)約電費71.55萬元，經(jīng)濟效益明顯。 2） 實現(xiàn)了軟啟動，電機啟動電流大幅度下降，避免了電機啟動時對電網(wǎng)的沖擊； 3） 設備運行更平穩(wěn)，消除了啟動和停機時的水錘效應，延長了設備的使用壽命； 4） 實現(xiàn)了閉環(huán)全自動控制，提高了自動化水平，運行安全可靠、無人值守。按有人值守需6人（三班倒，每班2人），每人平均月工資2000元測算，每年節(jié)約人員開支14.40萬元。 結(jié)語 我局在觀瀾污水處理廠的工程建設中，將變頻節(jié)能技術(shù)應用到污水處理工藝，自2004年底投入運行以來，節(jié)能效果很好，經(jīng)濟效益顯著，2005年和2006年共節(jié)省電費和人員費用171.90萬元。并能改善控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)品質(zhì)因素，控制超調(diào)量，增強系統(tǒng)抗干擾能力，延長設備使用壽命。此技術(shù)已在寶安區(qū)籌建中的BOT項目固戍、龍華、沙井等污水處理廠中推廣。 （摘編自《電氣技術(shù)》，原文標題為“變頻節(jié)能技術(shù)在污水處理廠中的應用”，作者為陳征雄、崔文生。） |
