王永輝，毛 婕，王永杰

(1.鄭州自動(dòng)化研究所，河南鄭州450006;2.新密市金門(mén)污水處理廠，河南新密452391)

0 引言

污水處理是一個(gè)城市發(fā)展和文明的標(biāo)志。一般的污水處理主要采用二級(jí)處理方式。第一級(jí)為機(jī)械處理系統(tǒng)，一般采用機(jī)械設(shè)備過(guò)濾污水中漂浮物或顆粒較大的物質(zhì);第二級(jí)為生化處理系統(tǒng)，根據(jù)不同處理要求處理污水中超標(biāo)的硅物質(zhì)或金屬元素，使處理后的水能滿足后續(xù)用水設(shè)備的要求。

污水處理廠有諸如風(fēng)機(jī)(132 kW)、離心泵(45 kW)、回流泵(11 kW)、攪拌風(fēng)機(jī)(11 kW)、螺桿泵(11 kW)等大型用電設(shè)備，尤其風(fēng)機(jī)電機(jī)功率最大，且是污水處理的核心設(shè)備。主要為一體化生化池的第二級(jí)處理方式——生化處理提供微生物所需的氧氣。風(fēng)機(jī)在工藝運(yùn)行中的作用示意圖如圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)在工藝運(yùn)行中的作用示意圖

污水處理的好氧區(qū)溶解氧濃度對(duì)處理結(jié)果有很大影響。溶解氧濃度太低，污水不達(dá)標(biāo);溶解氧濃度太高，不僅浪費(fèi)電能，而且還導(dǎo)致活性污泥上浮出水也不達(dá)標(biāo)。它能直觀且比較迅速地反映整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)在線溶解氧儀監(jiān)測(cè)和分析到的信號(hào)變化，發(fā)出改變風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)工作頻率的4～20 mA信號(hào)。從而調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，改變風(fēng)量的大小，即可滿足將溶解氧濃度控制在一定區(qū)間的要求。

1 風(fēng)機(jī)節(jié)能改造的必要性

原系統(tǒng)采用工頻運(yùn)行，利用主管路的閥門(mén)開(kāi)度進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)，雖然這樣電動(dòng)機(jī)往往達(dá)到驅(qū)動(dòng)要求，但多余的力矩增加了有功功率的損耗，造成電能的浪費(fèi)，同時(shí)對(duì)其中的溶解氧濃度調(diào)節(jié)存在很大的滯后，對(duì)整個(gè)工藝的運(yùn)行產(chǎn)生不穩(wěn)定因素。

針對(duì)工藝現(xiàn)狀，在污水處理廠的配合下，對(duì)其大型用電設(shè)備進(jìn)行節(jié)能改造，其中的風(fēng)機(jī)最為顯著。風(fēng)機(jī)型號(hào)為Y315M-2，控制方式為2臺(tái)132 kW的風(fēng)機(jī)共用1臺(tái)變頻器控制。變頻器根據(jù)外部給定的信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，滿足生產(chǎn)工藝所需的風(fēng)量，從而使污水處理率得以保證和提高。

2 風(fēng)機(jī)變頻系統(tǒng)的改造方案

現(xiàn)將鄭州某污水處理廠風(fēng)機(jī)變頻系統(tǒng)的改造方案具體介紹如下:

結(jié)合工藝要求，進(jìn)行多方調(diào)研，最后選擇 ABB公司ACS800變頻器和德國(guó)Wattec公司的00M223在線檢測(cè)溶解氧儀，另外還有空氣開(kāi)關(guān)、交流接觸器等設(shè)備。

(1)風(fēng)機(jī)上裝設(shè)變頻系統(tǒng)，變頻控制電氣原理圖如圖2所示。

本變頻控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方式。通過(guò)智能在線溶解氧儀把數(shù)據(jù)采集至變頻器，再通過(guò)變頻器的A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，同時(shí)變頻器的A/D將溶解氧濃度指標(biāo)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，兩個(gè)數(shù)據(jù)同時(shí)經(jīng)過(guò)PID控制模塊進(jìn)行比較，PID根據(jù)變頻器的參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將數(shù)據(jù)處理的結(jié)果以運(yùn)行頻率的方式控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量。這樣可以及時(shí)精確地對(duì)溶解氧濃度這一指標(biāo)進(jìn)行控制。變頻器PID設(shè)置流程圖如圖3所示。

(2)保留原工頻系統(tǒng)，且和變頻器互為備用，其主電路如圖4所示，控制電路由PLC程序?qū)崿F(xiàn)。

圖4中KM1、KM2分別控制2臺(tái)風(fēng)機(jī)的變頻運(yùn)行，KM3、KM4分別控制2臺(tái)風(fēng)機(jī)的工頻運(yùn)行，QF1、QF2和QF3分別為2臺(tái)風(fēng)機(jī)和變頻器電路的空氣開(kāi)關(guān)，F(xiàn)U1、FU2分別為主電路和變頻器的熔斷器，F(xiàn)R1、FR2分別為主電路和變頻器的熱繼電器，ABB為ACS800變頻器。

圖2 變頻控制電氣原理圖

圖3 變頻器PID設(shè)置流程圖

圖4 主電路圖

考慮到當(dāng)進(jìn)水量增大以及該污水處理廠二期工程的建設(shè)會(huì)出現(xiàn)1臺(tái)“變頻風(fēng)機(jī)”效率不夠的情況，這時(shí)就需要“變頻風(fēng)機(jī)”本身以工頻形式或其他風(fēng)機(jī)以變頻形式參與供風(fēng)，所以保留原工頻系統(tǒng)，且和變頻器互為備用。

(3)設(shè)置本地控制和遠(yuǎn)程控制2種方式。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求，為了滿足操作人員在中控室里實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的任意控制，設(shè)置了遠(yuǎn)程控制方式。

(4)根據(jù)生產(chǎn)工藝的方便性和安全性設(shè)置了遠(yuǎn)程控制和故障報(bào)警等功能。

(5)變頻節(jié)能特點(diǎn):

(a)采用ABB公司ACS800變頻器，調(diào)速范圍寬，變頻器調(diào)速范圍適應(yīng)各種調(diào)速設(shè)備要求，頻率范圍為0.00～400.00 Hz可調(diào)。

(b)自動(dòng)過(guò)流、過(guò)壓檢測(cè)保護(hù)，最大限度保護(hù)設(shè)備和變頻器。

(c)自動(dòng)節(jié)能運(yùn)行，調(diào)速速度快，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能好。

(d)控制能力強(qiáng)，能滿足不同的控制系統(tǒng)，通過(guò)端子可與各種頻率設(shè)定信號(hào)連接，如0～10 V、4～20 mA等。

3 變頻器節(jié)能效果分析

ACS-800變頻器正常工作時(shí)頻率在40 Hz，對(duì)變頻器改造前后對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)將部分?jǐn)?shù)據(jù)分析計(jì)算如下:改造前電動(dòng)機(jī)平均功耗132 kW，改造后平均功耗95 kW，通過(guò)變頻器改造后功率下降達(dá)到37 kW。按照年運(yùn)行360天計(jì)算，年節(jié)電量為37×24×360=316 800 kWh，按0.45元/kWh計(jì)，則每年節(jié)能效益為316 800×0.45=142 560元。自改造投入運(yùn)行以來(lái)，穩(wěn)定、可靠，節(jié)能效果明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

變頻調(diào)速控制技術(shù)在風(fēng)機(jī)領(lǐng)域中的應(yīng)用，達(dá)到了很好的節(jié)能效果。同時(shí)提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，也有效降低了設(shè)備的運(yùn)營(yíng)成本。相信，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的不斷推廣應(yīng)用，會(huì)取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］宋書(shū)中.交流調(diào)速系統(tǒng)［M］.北京:北京機(jī)械工業(yè)出版社，1999.5.

［2］原魁.變頻器基礎(chǔ)及應(yīng)用［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2004.8.

［3］張選正，顧紅兵.中高壓變頻器應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.6.