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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。

變頻節(jié)能供水系統(tǒng)配置說明

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)值調整該鼓風機的轉速及工作時間，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，另一臺是停止或工頻運轉，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，用變頻調速進水泵調節(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臺變頻調速進水泵和1臺不能調速的進水泵。

當進水泵房集水池水位升到25.00M時，開1臺變頻調速進水泵和2臺不能調速的進水泵。

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）

變頻調節(jié)的節(jié)電原理

1、變頻調控原理與特性

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控流量造成的能量損耗。

圖3：變頻調節(jié)時風機的性能曲線

2、變頻調節(jié)的節(jié)能原理

圖2中曲線1和2表示調速時的壓力-流量曲線，曲線3和4表示節(jié)流調節(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，變頻調節(jié)是一種高效的調節(jié)方式。鼓風機采用變頻調節(jié)，不會產生附加壓力損失，節(jié)能效果顯著，調節(jié)風量范圍0％～100％，適合調節(jié)范圍寬，且經常處于低負荷下運行的場合。但是，當風機轉速下降，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，當其轉速降低到原額定轉速的一半時，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，這就是變頻調節(jié)方式可以大幅度節(jié)電的原因。

假設將水泵轉速降低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%。

由于功率與轉速成三次方的關系，因此，轉速變化越大，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

使用變頻調節(jié)以后，由于使用了SPWM技術，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節(jié)，會產生嚴重的水錘、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節(jié)技術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)品質因素，控制超調量，增強系統(tǒng)抗干擾能力，延長設備使用壽命。此技術已在寶安區(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》，原文標題為“變頻節(jié)能技術在污水處理廠中的應用”，作者為陳征雄、崔文生。）