变频技术在污水处理厂风机上的应用

王永辉，毛 婕，王永杰

(1.郑州自动化研究所，河南郑州450006;2.新密市金门污水处理厂，河南新密452391)

0 引言

污水处理是一个城市发展和文明的标志。一般的污水处理主要采用二级处理方式。第一级为机械处理系统，一般采用机械设备过滤污水中漂浮物或颗粒较大的物质;第二级为生化处理系统，根据不同处理要求处理污水中超标的硅物质或金属元素，使处理后的水能满足后续用水设备的要求。

污水处理厂有诸如风机(132 kW)、离心泵(45 kW)、回流泵(11 kW)、搅拌风机(11 kW)、螺杆泵(11 kW)等大型用电设备，尤其风机电机功率最大，且是污水处理的核心设备。主要为一体化生化池的第二级处理方式——生化处理提供微生物所需的氧气。风机在工艺运行中的作用示意图如图1所示。

图1 风机在工艺运行中的作用示意图

污水处理的好氧区溶解氧浓度对处理结果有很大影响。溶解氧浓度太低，污水不达标;溶解氧浓度太高，不仅浪费电能，而且还导致活性污泥上浮出水也不达标。它能直观且比较迅速地反映整个系统的运行状况。

风机在运行过程中根据在线溶解氧仪监测和分析到的信号变化，发出改变风机电动机工作频率的4～20 mA信号。从而调整风机转速，改变风量的大小，即可满足将溶解氧浓度控制在一定区间的要求。

1 风机节能改造的必要性

原系统采用工频运行，利用主管路的阀门开度进行风量调节，虽然这样电动机往往达到驱动要求，但多余的力矩增加了有功功率的损耗，造成电能的浪费，同时对其中的溶解氧浓度调节存在很大的滞后，对整个工艺的运行产生不稳定因素。

针对工艺现状，在污水处理厂的配合下，对其大型用电设备进行节能改造，其中的风机最为显著。风机型号为Y315M-2，控制方式为2台132 kW的风机共用1台变频器控制。变频器根据外部给定的信号自动调节风机转速，满足生产工艺所需的风量，从而使污水处理率得以保证和提高。

2 风机变频系统的改造方案

现将郑州某污水处理厂风机变频系统的改造方案具体介绍如下:

结合工艺要求，进行多方调研，最后选择 ABB公司ACS800变频器和德国Wattec公司的00M223在线检测溶解氧仪，另外还有空气开关、交流接触器等设备。

(1)风机上装设变频系统，变频控制电气原理图如图2所示。

本变频控制系统采用闭环控制方式。通过智能在线溶解氧仪把数据采集至变频器，再通过变频器的A/D转换模块将模拟量转换为数字量，同时变频器的A/D将溶解氧浓度指标转换成数字量，两个数据同时经过PID控制模块进行比较，PID根据变频器的参数设置，进行数据处理，并将数据处理的结果以运行频率的方式控制风机的转速，从而调节风机的风量。这样可以及时精确地对溶解氧浓度这一指标进行控制。变频器PID设置流程图如图3所示。

(2)保留原工频系统，且和变频器互为备用，其主电路如图4所示，控制电路由PLC程序实现。

图4中KM1、KM2分别控制2台风机的变频运行，KM3、KM4分别控制2台风机的工频运行，QF1、QF2和QF3分别为2台风机和变频器电路的空气开关，FU1、FU2分别为主电路和变频器的熔断器，FR1、FR2分别为主电路和变频器的热继电器，ABB为ACS800变频器。

图2 变频控制电气原理图

图3 变频器PID设置流程图

图4 主电路图

考虑到当进水量增大以及该污水处理厂二期工程的建设会出现1台“变频风机”效率不够的情况，这时就需要“变频风机”本身以工频形式或其他风机以变频形式参与供风，所以保留原工频系统，且和变频器互为备用。

(3)设置本地控制和远程控制2种方式。根据现场要求，为了满足操作人员在中控室里实现风机的任意控制，设置了远程控制方式。

(4)根据生产工艺的方便性和安全性设置了远程控制和故障报警等功能。

(5)变频节能特点:

(a)采用ABB公司ACS800变频器，调速范围宽，变频器调速范围适应各种调速设备要求，频率范围为0.00～400.00 Hz可调。

(b)自动过流、过压检测保护，最大限度保护设备和变频器。

(c)自动节能运行，调速速度快，系统的动态性能好。

(d)控制能力强，能满足不同的控制系统，通过端子可与各种频率设定信号连接，如0～10 V、4～20 mA等。

3 变频器节能效果分析

ACS-800变频器正常工作时频率在40 Hz，对变频器改造前后对应的数据进行统计，现将部分数据分析计算如下:改造前电动机平均功耗132 kW，改造后平均功耗95 kW，通过变频器改造后功率下降达到37 kW。按照年运行360天计算，年节电量为37×24×360=316 800 kWh，按0.45元/kWh计，则每年节能效益为316 800×0.45=142 560元。自改造投入运行以来，稳定、可靠，节能效果明显。

4 结语

变频调速控制技术在风机领域中的应用，达到了很好的节能效果。同时提高了系统的可靠性，降低了电机启动时对电网的冲击，也有效降低了设备的运营成本。相信，随着变频调速技术的不断推广应用，会取得良好的经济效益和社会效益。

［1］宋书中.交流调速系统［M］.北京:北京机械工业出版社，1999.5.

［2］原魁.变频器基础及应用［M］.北京:冶金工业出版社，2004.8.

［3］张选正，顾红兵.中高压变频器应用技术［M］.北京:电子工业出版社，2007.6.