变频调速节能技术在水处理装置中的应用

陈晓玲

(中国石化催化剂有限公司齐鲁分公司 设备工程部，山东 淄博 255300)

随着中国石化催化剂有限公司齐鲁分公司生产能力的不断提高及环保形势的日益严峻，公司水处理装置无论是处理水的总量还是循环回用水量都有了非常大的提高。目前装置流程中所使用的离心泵和鼓风机的处理能力也相应比较大，这些设备大都耗能较高，电机功率一般为75kW，生化鼓风机的功率为200kW。因此，针对水处理装置中大型设备，探索节能技术对于我公司的节能降耗和创建绿色企业工作有着非常重要的意义。

无论鼓风机还是离心泵都是使用三相异步电动机进行驱动，配备的电机一般都是根据整个装置最大负荷来进行选型的，所以选择的电机功率较正常运行时所需功率要高出许多。而在实际生产运行中，由于处理水量总是在不断变化或生产来水量低于装置设计能力，要对设备的运行参数进行调整。在未采用节能技术前，我们一般通过调节离心泵出口阀门的开度或对叶轮进行切削加工来控制离心泵的流量或扬程。这种方式虽然也能够实现泵的流量控制，但是因为额外增加了一部分管路阻力，使得电机消耗的功率增加,造成了能源浪费，不符合现代企业能源管理体系对节能生产的要求；另外，采用对叶轮进行切削的方式不仅降低了离心泵的效能，也不适合流量变化频繁的场所，无法做到对流量进行随意调节。随着变频技术的不断发展以及企业对节能技术的要求日益提高，利用变频调节技术来提高离心泵的利用率，实现节能效果，在企业中的应用越来越广泛。

1 变频调速的基本原理

我们知道，变频调速是通过调整三相交流电的频率来改变电动机的转速[1]，其关系如公式(1)所示：

n=60f(1-s)/p

(1)

其中：n——电机转速；

f——为电源频率；

s——转差率；

p——电机极对数。

由公式(1)可以看出，转速n与频率f成正比，因此可以通过改变电源频率来调节电动机的转速n，从而改变泵的流量和扬程。

根据离心泵的特性曲线和管路特性曲线图[2]，如图1所示,n0表示管路中阀门开度不变时，水泵在额定转速下扬程与流量之间的关系曲线，称为扬程特性曲线。R1表示水泵转速不变时，全扬程与流量之间的关系曲线，称为管阻特性曲线。当两条曲线交叉时，水泵运行既满足扬程特性又满足管阻特性，此时供水系统处于平衡状态，系统稳定运行。

图1 水泵调速时的H-Q曲线

使用管道阀门控制时，如果想降低流量，就必须减少阀门开度，比如当要求流量从QA减小到QB时，供水管道的阻力变大，管阻特性曲线从R1移到R2，扬程则从HA上升到HB，运行工况点从A点移到B点。

使用变频调速控制时，由于阀门开度不变，管道的阻力不变，此时水泵的特性主要取决于其转速。同样当要求流量从QA减小到QB时，速度从n0降到n1，运行工况点从A点移到C点，扬程从HA下降到HC。

根据离心泵特性曲线公式：P=(Q·H·ρ)/(102 ·η)

(2)

其中：P——为泵使用的工况点轴功率

Q——为使用工况点的流量；

H——为使用工况点的扬程；

ρ——为输出介质的密度；

η——为使用工况点的泵的效率。

由公式(2)可以得出，在使用阀门调节时,水泵在B点的轴功率和用转速调节时水泵在C点的轴功率之差为：(B、C两工况点输出介质流量Q相等)

PB=(QB·HB·ρ)/(102 ·η)

PC=(QC·HC·ρ)/(102 ·η)

ΔP=PB-PC=QB·(HB-HC)·ρ/(102 ·η)

(3)

由公式3可以看到，当要求流量相同时，使用两种不同的方式进行调节，使用阀门调节与使用转速调节相比，有部分功率(即ΔP)被浪费了。

由此可以看出，在离心泵的流量调节过程中，采用不同的调节方式，泵的轴功率不同，同样将流量由QA调至QB时，采用变频调速比调节出口阀开度消耗的轴功率要小，即Pc

Q2/Q1=N2/N1,H2/H1=(N2/N1)2,P2/P1=(N2/N1)3

流量与转速成正比，扬程与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。当转速下降1/2，则流量下降1/2，扬程下降3/4，轴功率下降7/8。因此，通过变频调速来进行离心泵的流量调节，在一定频率运行范围内，能够大大节约电能消耗。采用变频调速来控制流量时，离心泵的主要参数和轴功率变化[4]如表1所示。

表1 离心泵的主要参数和轴功率变化关系

2 变频调速节能的应用效果分析

目前我公司运行的污水预处理装置是在原有预处理装置的基础上新建投用的，此次新建装置污水泵、二沉转水泵、生化转水泵、均质池转水泵和生化鼓风机都采用了变频调速节能技术，变频前后泵的节电情况分析如表2所示。

表2 变频调速节能效果分析

通过表2数据可以看出，采用变频调速技术后，大大提高了泵的工作效率，降低了电耗，节约了生产运行成本。按每年设备运行365天，电价0.62元/千瓦时计算，每年可节约电量550万千瓦时，节约费用341万元。同时，应用变频调速技术，延长了机泵运行寿命和检修周期，减少了机泵故障，保障了生产正常运行。目前，公司已将未采用变频技术的4台切渣泵列为2021年攻关项目，实施后将年节约用电约168万千瓦时，节约费用约104万元。

3 变频调速技术应用的注意事项及优势

(1)通过实验摸索，当转速较低时，系统效率下降比较明显，一般低于额定转速的40%～50%时，节能效果变差，因此应避免因转速过低导致的效率过低。

(2)对于自冷式电机，由于当电机转速下降时，风扇转速也同时下降，若电机散热不及时，将导致温升升高损坏设备，因此要尽量保持电机转速在一定范围之内进行运转，一般应保持在额定转速的70%以上进行调速。

(3)不通过调节阀来实现流量控制，在一定程度上可消除调节阀附加阻力的多余动力消耗，从而起到节能的作用。

(4)采用变频调速技术，改善机泵的运行条件，延长了设备的使用寿命，减少维护费用，实现了装置的长周期运行。

(5)采用变频调速技术，在一定程度上减低了装置噪音(特别是罗茨鼓风机)，改善了工作环境。