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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(fù)責(zé)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(wàn)噸/天，出水排入觀瀾河，水質(zhì)達(dá)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)》[GB18918-2002]的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，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(shè)備總裝機(jī)容量1585KW，工作容量1180KW，計(jì)算負(fù)荷876.31KW，其中用電量比較大的設(shè)備是鼓風(fēng)機(jī)和進(jìn)水泵，鼓風(fēng)機(jī)兩用一備，每臺(tái)容量315KW，進(jìn)水泵兩用一備，每臺(tái)容量90KW。

可見，鼓風(fēng)機(jī)和進(jìn)水泵占全廠能耗的92%，其中鼓風(fēng)機(jī)占了全廠能耗的72%。鼓風(fēng)機(jī)和進(jìn)水泵是污水處理的核心設(shè)備，都是全天候運(yùn)轉(zhuǎn)的，因此在該工程中我們采用了ABB變頻器對(duì)鼓風(fēng)機(jī)及進(jìn)水泵進(jìn)行變頻控制，一方面優(yōu)化運(yùn)行，保護(hù)設(shè)備；另一方面就是節(jié)約電能。

變頻節(jié)能供水系統(tǒng)配置說(shuō)明

1、鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。

本設(shè)計(jì)共設(shè)置3臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，2備1用，每臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)各配1臺(tái)ABB公司的ACS607變頻調(diào)節(jié)器，配合美國(guó)AB公司的CONTROLOGIX 5000系列PLC實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)；本工程共設(shè)四個(gè)反應(yīng)池，每2個(gè)反應(yīng)池為1組功能單元，各反應(yīng)池按設(shè)定的時(shí)序時(shí)間周期運(yùn)行。

每一組2個(gè)反應(yīng)池對(duì)應(yīng)1臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，該鼓風(fēng)機(jī)輸出的壓縮空氣通過(guò)1條空氣管道通至一組的2個(gè)反應(yīng)池前，再分為2條進(jìn)風(fēng)管分別進(jìn)入2個(gè)反應(yīng)池，通過(guò)控制2條進(jìn)風(fēng)管的各自進(jìn)氣閥門實(shí)現(xiàn)該1臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)只能向每一組2個(gè)反應(yīng)池的其中1個(gè)反應(yīng)池供氣。

鼓風(fēng)機(jī)在反應(yīng)池運(yùn)行過(guò)程中啟動(dòng)，根據(jù)工作時(shí)對(duì)應(yīng)的反應(yīng)池中測(cè)得的DO(溶解氧)值調(diào)整該鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及工作時(shí)間，在PID（用PLC）自動(dòng)控制下直到DO值濃度穩(wěn)定在設(shè)定值。其外部設(shè)備連接見圖2。

2、進(jìn)水泵系統(tǒng)。

進(jìn)水泵房集水池內(nèi)共設(shè)有3臺(tái)進(jìn)水泵�？紤]到實(shí)際應(yīng)用中只可能是一臺(tái)變頻運(yùn)轉(zhuǎn)，另一臺(tái)是停止或工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，再另外一臺(tái)是備用，同時(shí)為了節(jié)約投資，設(shè)計(jì)了3臺(tái)水泵只用一臺(tái)變頻調(diào)節(jié)。當(dāng)進(jìn)水泵房集水池水位最高極限水位29.00M時(shí)，最低報(bào)警水位23.70M時(shí)，用變頻調(diào)速進(jìn)水泵調(diào)節(jié)提升總水量將進(jìn)水泵房集水池水位最佳運(yùn)行狀態(tài)控制在最高控制水位25.40M時(shí)，最低控制水位24.00M之間。

當(dāng)進(jìn)水泵房集水池水位升到24.00M時(shí)，開1臺(tái)變頻調(diào)速進(jìn)水泵。

當(dāng)進(jìn)水泵房集水池水位升到24.70M時(shí)，開1臺(tái)變頻調(diào)速進(jìn)水泵和1臺(tái)不能調(diào)速的進(jìn)水泵。

當(dāng)進(jìn)水泵房集水池水位升到25.00M時(shí)，開1臺(tái)變頻調(diào)速進(jìn)水泵和2臺(tái)不能調(diào)速的進(jìn)水泵。

水泵最多可同時(shí)開3臺(tái)，當(dāng)進(jìn)水泵房集水池水位達(dá)到最高極限水位29.00M或000M時(shí)，發(fā)出最高水位報(bào)警信號(hào)，手動(dòng)打開進(jìn)水閘門井內(nèi)溢流閘門后，再關(guān)閉進(jìn)水閘門井中的2個(gè)進(jìn)水閘門，污水通過(guò)溢流閘門及溢流管道排至出水河道中。

當(dāng)進(jìn)水泵房集水池水位降到25.0M時(shí)，關(guān)1臺(tái)不能調(diào)速的進(jìn)水泵。

當(dāng)進(jìn)水泵房集水池水位降到24.70M時(shí)，關(guān)2臺(tái)不能調(diào)速的進(jìn)水泵。

當(dāng)進(jìn)水泵房集水池水位降到23.70M時(shí)，關(guān)3臺(tái)進(jìn)水泵。

當(dāng)進(jìn)水泵房集水池水位降到最低報(bào)警水位23.70M時(shí)，發(fā)出低水位報(bào)警信號(hào)。

為了避免一臺(tái)泵重復(fù)啟動(dòng)，不能調(diào)速的進(jìn)水泵將依次循環(huán)投入運(yùn)行，先開先停，并且每次首先啟動(dòng)的泵都自動(dòng)輪換，計(jì)算機(jī)程序記錄每臺(tái)泵的運(yùn)行時(shí)間，自動(dòng)調(diào)整啟動(dòng)順序，充分延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

3、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖。見圖2

圖2：系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

4、系統(tǒng)通訊實(shí)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(guò)新一代全控型電子元件，用變頻器改變交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速方式來(lái)進(jìn)行風(fēng)機(jī)風(fēng)量或水泵流量的控制，可以大幅度減少以往機(jī)械方式調(diào)控流量造成的能量損耗。

圖3：變頻調(diào)節(jié)時(shí)風(fēng)機(jī)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(shí)的壓力-流量曲線，曲線3和4表示節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)管路阻力特性曲線，曲線5表示恒速時(shí)功率-流量曲線，設(shè)A點(diǎn)為風(fēng)機(jī)最大工況點(diǎn)。當(dāng)風(fēng)量需從Q1減少到Q2時(shí)，如果采用節(jié)流調(diào)節(jié)法，工況點(diǎn)由A到B，風(fēng)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(fēng)機(jī)工況點(diǎn)由A到C，可見在滿足同樣風(fēng)量Q2 情況下，風(fēng)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(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)節(jié)，不會(huì)產(chǎn)生附加壓力損失，節(jié)能效果顯著，調(diào)節(jié)風(fēng)量范圍0％～100％，適合調(diào)節(jié)范圍寬，且經(jīng)常處于低負(fù)荷下運(yùn)行的場(chǎng)合。但是，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，風(fēng)量減小時(shí)，風(fēng)壓將發(fā)生很大變化，由風(fēng)機(jī)比例定律： Q1/Q2＝(n1/n2)，H1/H2＝(n1/n2)2，P1/P2＝(n1/n2) 3

可知，當(dāng)其轉(zhuǎn)速降低到原額定轉(zhuǎn)速的一半時(shí)，對(duì)應(yīng)工況點(diǎn)的流量、壓力、軸功率各下降到原來(lái)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(shè)將水泵轉(zhuǎn)速降低10%（輸出頻率45Hz時(shí)），則功率P2=（0.9）×P1=0.73P1,節(jié)電27%。

假設(shè)將水泵轉(zhuǎn)速降低20%（輸出頻率40Hz時(shí)），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(guān)系，因此，轉(zhuǎn)速變化越大，功率的消耗將呈幾何級(jí)數(shù)減少。

3、啟動(dòng)電流對(duì)電動(dòng)機(jī)及設(shè)備的損害

電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)階段，往往采用自藕變壓器降壓?jiǎn)��?dòng)或（星—三角）啟動(dòng)方式，這兩種方式雖然能降低啟動(dòng)電流對(duì)電動(dòng)機(jī)的損害，但仍有高達(dá)額定電流5—6倍的啟動(dòng)電流，嚴(yán)重危害著電動(dòng)機(jī)、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(shí)現(xiàn)了真正意義上的軟啟動(dòng)和緩沖停機(jī)，從根本上消除了啟動(dòng)電流對(duì)電動(dòng)機(jī)及其它設(shè)備的危害，大大延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

4、設(shè)備運(yùn)行中的噪音、震動(dòng)、水錘等問(wèn)題

設(shè)備在全電壓?jiǎn)��?dòng)、運(yùn)行、停止的過(guò)程中，由于無(wú)法進(jìn)行及時(shí)有效的調(diào)節(jié)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的水錘、機(jī)械噪音增加、震動(dòng)加劇等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象都具有極大的破壞性，會(huì)引起管道破裂或癟塌、損壞閥門和固定件，并會(huì)增加進(jìn)線變壓器的負(fù)荷狀況。

采用了變頻調(diào)節(jié)后，可以通過(guò)延長(zhǎng)升、降速時(shí)間來(lái)延長(zhǎng)起動(dòng)或停機(jī)的過(guò)程，即使在運(yùn)行過(guò)程中，也可以通過(guò)對(duì)工作頻率點(diǎn)的選擇，跳過(guò)容易引起設(shè)備共震的工作點(diǎn)，從而使水泵葉片、單向閥、管路系統(tǒng)承受的應(yīng)力大為減小，軸承的磨損也大大減輕，設(shè)備的工作壽命將大大延長(zhǎng)。

應(yīng)用效果

1） 節(jié)能效果顯著。該工程自2004年底建成并投入運(yùn)行至2006年底，共達(dá)標(biāo)處理污水4332.82 萬(wàn)噸，共用電715.46萬(wàn)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(méi)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(wàn)度，按現(xiàn)在電價(jià)0.80元/度測(cè)算，每年節(jié)約電費(fèi)71.55萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

2） 實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，電機(jī)啟動(dòng)電流大幅度下降，避免了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊；

3） 設(shè)備運(yùn)行更平穩(wěn)，消除了啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng)，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命；

4） 實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)全自動(dòng)控制，提高了自動(dòng)化水平，運(yùn)行安全可靠、無(wú)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(cè)算，每年節(jié)約人員開支14.40萬(wàn)元。

結(jié)語(yǔ)

我局在觀瀾污水處理廠的工程建設(shè)中，將變頻節(jié)能技術(shù)應(yīng)用到污水處理工藝，自2004年底投入運(yùn)行以來(lái)，節(jié)能效果很好，經(jīng)濟(jì)效益顯著，2005年和2006年共節(jié)省電費(fèi)和人員費(fèi)用171.90萬(wàn)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(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。此技術(shù)已在寶安區(qū)籌建中的BOT項(xiàng)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(biāo)題為“變頻節(jié)能技術(shù)在污水處理廠中的應(yīng)用”，作者為陳征雄、崔文生。）