变频调速技术在污水处理工程中的应用

陈 宇

（无锡市工业废物安全处置有限公司，江苏无锡 214000）

变频调速技术在污水处理工程中的应用

陈 宇

（无锡市工业废物安全处置有限公司，江苏无锡 214000）

讨论了变频调速器的原理。阐述了变频调速技术在污水处理工程中的应用。分析了变频调速技术的显著节能效果，对设备的良好保护作用及具有投资少、见效快的特点。该技术对提高污水处理行业的经济效益具有一定的意义。

变频调速技术；污水处理工程；应用

随着经济改革的不断深入，全社会环境保护意识不断加强，我国把环境保护作为一项基本国策，把实现可持续发展作为一个重大战略，按照全国环境保护“十二五”规划的目标，到2015年，基本实现所有县和重点建制镇具备污水处理能力，污水处理设施负荷率提高到80％以上，城市污水处理率达到85％。要达到国务院规定的这一目标，全国还要新建1000多座城市污水处理厂，新增城市污水集中处理能力4200万t/a。在污水处理工程中，风机、泵类设备应用范围广泛；其电能消耗占到直接生产运行成本的40％～55％，是一笔不小的生产费用开支。污水处理工程的节能降耗业已成为降低生产成本、降低资源消耗的重要手段之一。

20世纪80年代初发展起来的变频调速技术——主要体现在变频调速器上。该调速器开创了智能电机时代，完全适应生产发展的趋势和要求。我国“十二五”规划纲要主要确立的节能减排的目标：非石化能源占一次能源消费的比重达11.4％，单位国内生产总值能源消耗降低16％，单位国内生产总值二氧化碳排放降低17％。随着变频调速技术已深入我们生活的每个角落，在工业机器人、自动化出版设备、加工工具、传输设备、电梯、压缩机、轧钢、风机泵类、电动汽车、起重设备及其它领域中得到广泛应用，变频调速技术所能体现出的节能优势将进一步得到应用和提升。其应用领域还将不断扩大。

1 变频调速器原理

变频调速器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。现在使用的变频调速器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频调速器的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：

其中，n，f，s，p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数［1］。

通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频调速器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率［2］。

在城市污水处理工艺中，活性污泥法具有投资少、处理效率高、运行经验成熟等特点而被广泛使用，风机设备主要用于曝气系统。泵类设备在污水处理工程中同样有着广阔的应用空间，污水提升系统、污水循环处理系统、污泥处理系统、污水提升泵站使用离心泵、轴流泵、螺杆泵、柱塞泵等设备。风机、泵类设备多数采用异步电动机直接驱动的方式运行，存在起动电流大、机械冲击、电气保护特性差等缺点。不仅影响设备使用寿命，而且当负载出现机械故障时不能瞬间动作保护设备，时常出现风机、泵损坏，同时电机也被烧毁的现象。实际运行中，污水的水质、水量及环境等因素总处在变化之中，而且，根据不同的污水处理工艺往往采用调整阀、回流阀、截止阀等节流设备进行流量、压力、水位等信号的控制。因此，风机、泵类设备在生产运行过程中，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。采用变频调速器调控电机后，风机曝气系统应能根据曝气池溶解氧含量的变化及时调节电机转速从而控制供气量的大小，以保证处理效果，并不致浪费能源；泵类设备根据污水处理工艺的变化要求及时调节电机转速从而控制提升水量的大小和扬程，以保证工艺所需的水量要求，并不致浪费能源。变频调速器还具有易操作、免维护、控制精度高，并可以实现高功能化等特点。

2 变频调速器节能应用分析

2.1 变频调速器在风机中的应用

变频调速器在风机中有良好的节能作用。例如，某污水处理厂装有电机功率为55kW的罗茨风机，由于水量的变化，风机的供风量也应相应调整，用变频调速器改变电动机转速来调节风量，不仅大大提高了风机运行效率，而且达到节能目的。把电源的频率由原来的50Hz调到30Hz进行驱动风机，满足了生产所需风量。根据电机学原理，交流异步电动机的转速为

其中，n为电机转速，s为转差率，p为定子极对数，f为电源频率［3］。

从式（2）中可以看出，在保持p，s不变的条件下，若均匀地改变f，则可以平滑地改变电机的转速。由风机的比例定律可知，风机风量与转速及轴功率的关系为

其中，Q1，Q2为风量，p1，p2为轴功率，n1，n2为转速［4］。

安装变频调速器后，电动机的实际功率为35.8kW功率减少了19.2kW，年可节约电能约1618万kWh，节能效果十分明显，经济效益显著。

2.2 变频调速器在水泵中的应用

水泵房是污水处理工程的一类用户，也是其主要用电设备之一。水泵电机功率较大，水泵起动时起动电流大，严重影响同电网电气设备的使用。即使我们采用Y/△转换，自耦降压，磁控降压等方式起动限流，但仍存在许多问题：如起动瞬间电流尖峰冲击，负载适应性较差，接触器等起动设备维护量大而且水泵受到的机械冲击较大，容易造成水泵轴承、叶轮的损坏。采用变频调速器起动，可实现水泵无级调速起动，起动电流小，起动输出力矩恒定，无较大的机械冲击，大大减少水泵的维护和材料的投入。例如，某污水处理厂原有水泵房，水泵型号为D-85-45×7，流量为85m3/h，电机型号为Y315M1-2，功率为132kW，选用型号为MM-120变频调速器驱动。虽然污水处理厂的水量大小与管网设施、气候条件及工艺等因素有关，但无水厂一年四季基本上都是正常进水。水泵选型设计时为了保证水泵稳定工作，水泵的初始扬程Ho与实际扬程之间必须满足HsY≤0.9Ho。因此在满足水泵足够扬程条件下，可通过变频调速器调速来降低能耗。且在不同时所需水量不同，就可以通过变频调速器来调节水量实现节能，公式为：

其中，△P为节约的电功率，P为额定转速时电机输入功率，n为电机额定转速，n′为变频后的转速，η为实际节电效率［4-5］。

根据现场测试数据，该水泵用变频调速器驱动一年可节约电能9万kWh左右。同时，由于减少泵的起动和停止次数，减少了起动停机电耗，降低了水泵的维护费用，效益十分可观。

3 结束语

上文介绍了变频调速器在污水处理工程应用的一些事例。其实，变频调速器在污水处理行业乃至其它行业都得到了十分广泛的应用。采用变频调速技术，实现节能运行是我国节能的一项重点推广技术，受到国家和各级政府的普遍重视，《中华人民共和国节约能源法》第39条就把它列为通用技术加以推广。实践证明，变频调速器用于风机、泵类设备驱动控制场合取得了显著的节电效果，是一种理想的调速控制方式。既提高了设备效率，又满足了生产工艺要求，并且因此而大大减少了设备维护、维修费用，还降低了停产周期。直接和间接经济效益十分明显，设备一次性投资通常可以在9个月到16个月的生产中全部收回。只要合理地选择合适的变频调速器，科学地应用变频调速器，一定可以取得良好的经济效益。

［1］张燕宾.变频调速应用实践［M］.北京：机械工业出版社，2000：138-145.

［2］许振茂.变频调速装置及其调试、运行与维修［M］.北京：兵器工业出版社，1994：89-98.

［3］中国航空工业规划研究院.工业与民用配电设计手册［M］.第3版.北京：中国电力出版社，2005.

［4］李志明.变频器的应用［M］.北京：中国机械出版社，1998.

［5］付家才.电气控制工程实践技术［M］.北京：化学工业出版社，2004.

〔责任编辑 李海〕

Application of Frequency Conversion and Speed Control Technology in Sewage Treatment Works

CHEN Yu
（Wuxi Industrial Waste Disposal Co.Ltd.Wuxi Jiangsu，214000）

This paper discusses the principle of frequency conversion and speed contral regulator，elaborated the frequency conversion and speed control technology in sewage treatment works，prores the technology has the obvious energy saving effect，the equipment in good protection function and needs less investment with quick returns.The technology will improve the economic efficiency of sewage treatment industry thus has a certain significance.

frequency conversion and speed control technology；sewage treatment works；application

TN344.6

A

1674-0874（2012）06-0023-03

2012-09-15

陈宇（1978-），男，江苏无锡人，工程师，研究方向：电气工程。

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