变频技术在绍兴污水处理厂泵机运行中的节能改造应用

作者：蔡宇翔、蔡芝斌

摘要：绍兴污水处理厂于2001年开始运行，其处理工艺中需实现污水的提升，变频技术在水泵的控制中应用十分广泛。本文对变频器的原理及在绍兴污水处理厂运行中所起作用和节能改造方面进行了简单介绍和讨论。

关键词：绍兴污水处理厂，水泵，变频器应用

水处理公司概况

绍兴污水处理厂是浙江省重点工程，是市、县两级政府为改善绍兴水质，提高经济运行质量，促进经济建设和环境保护协调发展而建设的大型基础设施项目，是实现环境保护“一控双达标”工作的重要实施内容之一。

绍兴污水处理厂是目前国内规模最大的印染废水处理厂，也是国内年CODcr削减量最多的污水处理厂。设计处理规模为100万吨/日，一期30万吨/日于2001年6月份投运，处理工艺采用厌氧水解一好氧活性污泥一混凝沉淀法，分预处理、生化处理、物化处理、污泥脱水填埋等四个工段。二期工程设计30万吨/日采用意大利全生化延时曝气工艺，于2003年底投入试运行，经过半年多的调试，已达到满负荷运行。三期工程计划启动20万吨/日的曹娥江工程和20万吨/日的钱塘江工程及钱塘江永久性排放管线和污泥发电工程。

绍兴污水处理工程的实施，对于减轻钱塘江流域的污染，改善绍兴的投资环境，推进绍兴市县的城市化进程，提高人民生活质量和生存环境，都具有十分重要的作用。

水泵及变频器在污水处理厂中的作用

2.1 水泵的作用

绍兴污水处理厂目前负责60万吨污水的处理，其中水泵在整个运行过程中起着不可估量的作用，主要用于进水的提升，污水的回流，剩余污泥的排放和处理污水的外排等，其中20KW以上的水泵如下表：

2.2 变频器的作用

在所有大于20KW水泵的控制中，共计采用36台变频器，正因为变频器在污水处理中起了重要的作用，在二期工程中全部水泵均采用变频控制，变频控制的主要作用有以下几点：

• 采用变频器控制泵机的转速，取消阀门调节，降低了设备的故障率，节电效果显著；

• 采用变频器控制泵机，实现了电机的软启动，延长了设备的使用寿命，避免了对电网的冲击；

• 泵机在低于额定转速的状态下运行，减少了噪声对环境的影响；

• 采用计算机控制技术，实现了系统的全自动控制，提高了设备的稳定性和可靠性；

• 具有过载、过压、过流、欠压、电源缺相等自动保护功能及声光报警功能；

• 自动化程度高，操作简单，且可与压力、液位、阀门等其它自控装置进行电气联锁。

水泵变频调速原理

绍兴污水处理厂虽采用了多种变频器，但其控制原理是一致的，变速调速也称为变频调速系统，它主要由变频器和控制器两大部分组成。变频调速的基本原理是根据电动机转速与输入频率成比例的关系，通过改变供给电动机三相电源的频率值来达到改变电动机转速的目的。

3.1 变频器

变频器的作用是将所接收的三相电源（如380V，50Hz）转换为频率可调节的三相电源。变频器根据其变频的原理分为直接变频和间接变频。直接变频为交—交变频；间接变频为交—直—交变频。间接变频是指将交流经整流器后变为直流，然后再经逆变器调制为频率可调的交流电。

交—直—交变频器由顺变器、中间滤波器和逆变器三部分组成。顺变器就是整流器，它是一个晶闸管桥式电路，其作用为将定压定频的交流电变换为可调直流电，然后作为逆变器的直流供电电源；中间滤波器由电抗器或电容组成，其作用是对整流后的电压或电流进行滤波；逆变器也是三相桥式整流电路，但它的作用与顺变器相反，综将直流电变换（调制）为可调频率的交流电，它是变频器的主要部分。

绍兴污水处理厂主要采用交—直—交频器。

3.2 控制器

控制器是根据变频调速的不同方式产生相应的控制信号，控制逆变器中各功率开关元件的工作状态，使逆变器输出预定频率和预定电压的交流电源。控制器有二种控制方式：一种是以各种集成电路构成的模拟控制方式；另一种是以单片机、微处理器构成的数字控制方式。市场销售的微电脑变频器，就是使用单片微机或微处理器为控制核心的变频器。

决定功率开关器件（如晶闸管）动作顺序和时间分配规律的控制方法称为脉宽调制（PWM）方法。用这种方法通过改变矩形脉冲的宽度可以控制逆变器输出交流基波电压的幅值；通过改变调制矩形脉冲波形的频率（或周期）可以控制交流基波电压的频率。控制器输出一组等幅而脉冲宽度随时间按正弦规律变化的矩形脉冲，用此脉冲电压去触发逆变器中的功率开关器件，起到了功率放大作用。由于各个矩形脉冲波下的面积接近于正弦波下的面积，因此，逆变器的输出电压就接近于正弦波，这样就能满足变频调速对电压与频率协调控制的要求。

变频水泵在绍兴污水处理厂的节能效果     

变频调速取代传统的阀门控制，可以达到节能效果，其过程主要由阀门的调节特性和变频器调速来实现，以下对阀门特性和变频调整进行叙述。

4.1 阀门特性及变频调速节能原理

绍兴污水处理厂的泵机阀门均为电动或手动蝶阀，阀门的开启角度与管网压力，流量的关系示意图如下图：

当电机以额定转速n₀运行，阀门角度以 P₀（全开），a ，a1 变化时管道压力与流量只能是沿A ，B ，C ，点变化。即若想减小管道流量到Q1 ，则必须减小阀门开度到a1 ，这使得阀前压力由原来的 P₀提高到Pq ，实现调速控制后，阀后压力由原来的 P₀降到Ph 。

阀前阀后存在一个较大的压差△P=Pq-Ph 。如果让阀门全开（开度为a0 ），采用变频调速，使水泵转速至n1 ，且流量等于Q1 ，压力等于Ph ，那么在工艺上则与阀门调节一样，达到控制的要求。而在电机的功耗上则大不一样。水泵的轴功率与流量和扬程或压力的成绩成正比。在流量为Q1 ，用阀门节流时，令电动机的功率为Nf=KPh×Q1 。用变频调速比阀门节流节省的电能为：Nj-Nf =K×(Pq -Ph)×Q1=Q1×△P 。

由图可见，流量越低，阀门前后压差越大，也就是说用变频调速在流量小，转速低时，节能效果更好。目前绝大多数水泵控制系统中的流量调节都是通过阀门实现的，这种流量调节方式不但使水泵的效率降低，也使很多能量白白消耗在阀板上。为了节约电能，增加经济效益，采用变频调速系统取代低效高能耗的阀门挡板，已成为单位节能改造的重点。

4.2 变频调速的节能意义

水泵类负载多是根据满负荷工作需用量来选型，实际应用中大部分时间并非工作于满负荷状态，由于交流电机调速很困难。常用阀门的开/停机，来调节流量，同时大电机在工频状态下频繁开/停比较困难，电力冲击较大，势必造成电能损耗和开/停机时的电流冲击。

采用变频器直接控制水泵负载是一种最科学的控制方法，当电机在额定转速的80%运行时，理论上其消耗的功率为额定功率的（80%）3 ，即51.2%，去除机械损耗电机铜、铁损等影响。节能效率也接近40%，同时也可以实现闭环恒压控制，节能效率将进一步提高。

由于变频器可实现大的电动机的软停、软起，避免了启动时的电压冲击，减少电动机故障率，延长使用寿命，同时也降低了对电网的容量要求和无功损耗。为达到节能目的推广使用变频器已成为各地节能工作部门以及各单位节能工作的重点。

4.3 绍兴污水处理厂变频水泵节能估算

正因为变频具备的最大好处是节能，绍兴污水处理厂自设计就考虑到变频器的应用，并在一、二期工程予以实施，按照目前运行的36台变频水泵来估算，总负荷达到5676KW，按泵机在额定转速的80%运行时，节能效率也接近40%，同时去除备用负荷和多台水泵并联运行的能耗，计算一半负荷为2800KW，电费为平均0.54元/度，节能计算为：

P₀＝2800×0.54×40%×24×30＝43.56万元/月，全年节电为500万元

绍兴污水处理厂全年用电费用为8000万元，在变频器节能上占总用电费用的6.3%。

变频系统在绍兴污水处理厂改造实例

在绍兴污水处理厂一期工程中，经调节池到厌氧池的污水由6台软启动泵控制，只能对几种水量进行提升，不能实现水量的连续调节，满足不了工艺的要求，对生化处理效果产生一定的影响。尤其在二期工程建成投运后，进厂污水需实施来多少、处理多少的生产模式，导致生产中水量的调节存在一定的困难。而且由于潜污泵的设计余量较大，水泵的工作效率较低，在一定程度上会增加能耗，因此对进水提升泵房的改造目前已有必要实施。

5.1进水提升泵房现状

进水提升泵房目前设置六台水泵，其中4台160KW，2台75KW，其额定流量分别为：3750m3/h和1875m3/h，其基本参数如下表：

六台泵全部为软启动控制，在阀门开度一定的情况下，进水量是分如下表：

5.2 改造实施的目的和效果

从现有的技术条件来看，在进水提升泵房安装变频器，可以通过对潜污泵的转速进行调节来调节流量。根据目前实际生产情况，在进水提升泵房采用变频器可达到以下四个目的：

• 可对进水提升泵房采用变频器调节潜污泵转速，能实现在0－30万m3/天的平稳调节，以达到对生化处理水量的平稳调节；

• 在使用变频器后潜污泵减速运行，可大大减小机械损耗，延长叶轮、轴承等运行部件的使用寿命和维护周期；

• 具有节能效果，主要体现在二个方面：节能效果由于目前使用的潜污泵设计余量较大，潜污泵未在调试区运行，使运行效率降低，采用变频器后可以改变其机械特性，使其在高效区域运行，提高泵机效率。根据相关公式估算，当流量的降低与功率消耗的降低大致呈平方比关系，因此减小流量后的节能效率较好；

• 根据进水量的多少及液位的高低，可实现水量的自动稳定提升。

5.3 设计方案

根据以上分析，我们在这次实施变频器改造首先应在满足第一个目的基础上再来实现其后目的。为此我们可以制定如下两个方案：

第一套方案：一套“一控二”，“一控二”切换的方式为一台变频器对两台中任何一台160KW的大泵进行调速控制。（如下图）

第二套方案：三套“一控二”，三套“一控二”切换的方式对三台变频器对四台160KW的大泵和二台75KW的小泵分别进行调速控制。（如下图）

5.4 经济效益分析

节能与投资回报率的计算公式如下：　　

年节能估算：▽P1＝160KW×24h×365天×0.54元/度×节能百分比×2台

投资回报率：N＝▽P1/总投资

此次变频改造的数据如下表：

5.4.1第一种方案：加一台变频器投资最小，可实现流量平稳调节。在低水量情况下效果较好，在正常处理水量时节能效果欠佳。但如不能确定其它几种方案的实施效果，可作为其它几种方案实施的第一步进行实施。在三种典型状态下其节能效果估算如下（总投资按方案下浮值165000元算）：

在18万立方/天流量情况下的节能估算(控制方式：一台变频大泵和一台工频大泵) ▽P1为38.6万元，投资回报率：为233%；在21万立方/天流量情况下的节能估算(控制方式：一台变频大泵和一台工频大泵) ▽P1为17.1万元，投资回报率：103%；在23万立方/天流量情况下的节能估算(控制方式：一台变频大泵和一台工频大泵加一台工频小泵) ▽P1为37.3万元，投资回报率226%。

5.4.2第二种方案：加三台变频器能实现第二种方案的功能，在节能水平上有所提高，且大部分状态下均为变频运行。其缺点为两台小泵的改造空间位置较难确定(共计需增加三台变频器控制柜)，投资比第二种增加35%。在三种典型状态下其节能效果估算如下（总投资按方案下浮值465000元算）：

在18万立方/天流量情况下的节能估算(两台变频大泵和一台变频小泵) ▽P1为64.4万元，投资回报率：151%；在21万立方/天流量情况下的节能估算(两台变频大泵和一台工或变频小泵) ▽P1为27.37万元，投资回报率：60%；在23万立方/天流量情况下的节能估算(两台变频大泵和一台工频小泵，如三台变频同时运行，按测算其节能只有21%，故只开两台变频泵，从而达到最佳效果31%)▽P1为57.8万元，投资回报率：124%。

5.5 分析与实施

通过综合因素分析，采用了第一种方案，在招标后由浙江有色金属监理有限公司自动化分公司中标，实际标价为12.8万元，采用一台160KW的三菱变频器，于2004年年初改造完毕，改造后的实际运行为一台160KW变频水泵和一台160KW工频水泵加一台75KW的工频水泵运行。

经过半年多的运行，其节电较为明显，统计达到了14.3万元，实现了改造前的预期效果，收回了投资，目前正在考虑实施第二种方案，为三期工程建设的20万吨/日的污水处理厂配套，用来提升50万吨/日的污水，实现整个污水处理厂全流程的变频控制，达到节能增效的目的。

今后打算

• 需充分利用其内在数据如运行功率、频率、电流、电度、运行时间等进行统计与分析；

• 要合理调节变频器的运行频率，将其设定在最佳数值，在多台变频泵开并列运行时，优化配合运行频率，达到最佳节能效果；

• 在一些工区要优化改造，如在进行垣压供水、自动控制等方面的探讨与改造；

• 对变频器进行日常维护与保养：对配电设施及时通风散热，吸附的灰尘定期清理，并在规定的时间内进行清扫与保养；

• 在高压的设备启动与运行中，偿试利用变频器控制，达到较大的节能效果；

• 在今后的三期工程中，考虑全流量的变频控制，以免资源的浪费。

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