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水資源的嚴重污染和日漸短缺如今已成為一個全世界都在關注的話題。事實上,近年我國隨著經濟的發展,城市污水和工業廢水量急劇增加。目前,我國每年環保投資用于水處理的費用達300億元以上,據推測,水處理市場未來每年需要500億元以上。

同樣對于供水而言也是一樣,水工業產業提供了具體的應用市場。如此大的需求在為水處理產業、水工業提供了巨大的市場空間的同時,也為該產業中重要的執行機構產品——變頻器及其系統帶來了更大的機遇,據保守估計,每年用于環保水處理上的變頻器及其系統用量將超出2億元人民幣。

污水處理的機電設備一般包括以下幾個方面:

(1)生化處理系列:微孔曝氣系統等；

(2)污泥處理系列:加藥系統、濃縮機、帶式壓濾濃縮一體機、板框壓濾機、臥式螺旋離心分離機等；

(3)消毒處理系列:加氯機、紫外線污水處理器、排架式紫外線消毒器等；

(4)排泥設備系列:刮泥機、吸砂機等。從實際應用來看,基本上每種處理方式都需要用到變頻器或者應用變頻后有明顯改善作用,下面就來舉一些例子。

鼓風機曝氣示意

泵類負載的變頻節能效果

變頻器在曝氣鼓風機(羅茨風機)上的應用

在污水生化處理方式中,曝氣鼓風機將壓縮空氣通過管道送入曝氣池,讓空氣中的氧溶解在污水中供給活性污泥中的微生物。當鼓風機在工頻狀態下起動時,電流沖擊較大,容易引起電網電壓波動,而鼓風機(羅茨)風壓一定,風量只能靠工作臺數及出氣閥來調節,實際生產運行中往往是通過調節出氣閥門來控制,即增加管道阻力。因而許多能量多浪費在閥門上。隨著變頻調速器的廣泛應用,利用變頻器的調速范圍寬,可以在羅茨風機上應用變頻器來調節風機的風量。由于變頻器的軟啟動大大的減小了電機起動時對電網的沖擊,而且在正常運行的時候,將出氣閥門開到最大,根據工藝和參數的要求,適當的調節電機的轉速來調節管道的風量,從而來調節污水中的氧氣含量。另外可以根據溶解氧傳感器反饋的信號(4～20mA)很方便地實現閉環自動控制。

以廣州某煉油廠污水處理的曝氣機為例,該機容量22KW/46A,據統計,年可以節電量為36900度。由此可以看出,應用變頻系統后免去了許多繁瑣的人工操作,具有明顯的節電效果。

變頻器在泵類負載上的應用

泵類設備是水處理中最常用的設備,泵起動時的急扭和突然停機時的水錘現象往往容易造成管道松動或破裂,嚴重的可能造成電機的損壞,且電機起動/停止時需開啟/關閉閥門來減小水錘的影響,如此操作一方面工作強度大,且難以滿足工藝的需要。在泵類負載安裝變頻調速器以后,可以根據工藝的需要,使電機軟啟/軟停,從而使急扭及水錘現象得到解決。而且變頻器能夠在合適的情況下降低泵的轉速,一方面可以避免水泵長期工作在滿負荷狀態,造成電機過早的老化,而且變頻的軟啟動大大的減小水泵啟動時對機械的沖擊,并且具有明顯的節電效果。

污水處理廠中的潛水泵或離心泵在使用了變頻器以后,不但免去了許多繁瑣的人工操作和不安全隱患因素,并使系統始終處于一種節能狀態下運行,延長了設備的使用壽命,更好的適應了生產需要。而且目前大部分變頻器豐富的內部控制功能可以很方便地與其他控制系統實現閉環PID自動控制。

從多家污水處理廠的實際運行情況來看,變頻效果很好:(1)與以前定速泵相比,普遍節能在20%以上；(2)水泵的機械磨損大為降低,機械故障率降為原來的35—50%左右；(3)控制效果較好,能保持液位較恒定、壓力和流量不發生突變,無水錘現象。因此,在污水處理廠或相似的泵類系統中使用變頻器應具有很好的推廣價值。

變頻器在臥螺離心機上的應用

臥螺離心機的應用范圍較廣,可以用于固體脫液、液體澄清、固體顆粒按粒度分級等,目前已經在城市污水處理和煉油廠廢水處理上普遍得到應用,而且臥螺的傳動已經從能耗嚴重的渦流制動發展到目前最主流的雙電機雙變頻驅動。

可以從臥螺的工作原理可以判斷主、副電機工作狀態:與主動件相連的電機處于電動機工作狀態,與從動件相連的電機處于發電機狀態,而基于共母線方案的雙變頻器驅動可以很好得解決副電機的持續發電問題。綜合看來,離心機的變頻應用具有以下特點:(1)節能；(2)動態響應快,差轉速調節過程從PID調節器的數分鐘減小為變頻調速的數秒鐘；(3)容易處理突發事件造成的轉鼓內物料的堆積,從而提高工作效率。

以上海某水質凈化廠為例,該廠為了適應新一輪城市環境改造的需要,對老車間進行了改造,在新建污泥脫水車間安裝了兩臺LWD430WⅢ型離心機,以滿足日處理污水10萬噸的需要。該機采用雙電機雙變頻方案另加PLC控制,運行轉速為2200r/min,當差轉速為10r/min,污泥含固率為2%-4%,處理量為26-20m3/h時,差速器小軸力矩約15N.m,可計算出副機轉速為1190r/min(差速器速比91),和改造前相比(改造前采用電渦流制動器)可節電,以每天運行10小時,每年運行300天計算,年節電5610度,以每度電費元計算,兩臺離心機每年節省電費7080元。

變頻器在臥螺離心機中的應用

變頻器在加藥計量泵上的應用

在水處理過程中,藥劑的投加方式是直接影響出水水質和藥劑消耗的主要因素。在實際操作中,對藥劑量要求控制嚴格,加藥量過少,保證不了水的品質；加藥量過大,不僅要造成不必要的浪費,而且會導致環境污染。如果采用自動加藥系統,就可以根據實際工況,自動調節加藥量,使水的指標保持在最佳范圍之內。

國內目前已經有成熟的自動加藥系統,如HLJ系列混凝劑加藥設備、HSJ/A型一體化絮凝劑制備裝置、HSJ/B全自動加藥設備等,均廣泛應用于生產飲用水、工業用水及污水的凈化處理。我們知道自動加藥系統的核心是變頻控制系統,由于計量泵頻率的改變就能改變出料的速度,從而引起水體測量值的變化,這樣一來通過PID控制或模糊控制方式改變變頻器的輸出就可達到目的。

凈水加藥自動控制系統示意圖

如圖所示,自動加藥控制系統,它是利用流動電流原理,由微電腦控制的在線膠體電荷測控系統,系統由檢測傳感器、控制儀、變頻控制系統、加藥泵組成。在傳感器的檢測室內,水樣連續通過兩個電極之間的毛細管通路時,膠體雜質會吸附于毛細管壁上,其反離子層受到水力剪切產生移動,從而產生流動電流,經由電極檢出,輸出代表當前水中膠體電荷狀態的流動電流即SC值,并通過信號線傳送給控制儀。控制儀在所設定的工況下,經與設定值對比、判斷后,輸出一個4～20mA標準信號,由PID調節控制變頻器對電機調速,使計量泵處于對應的工作狀態之下,從而可以向水中投加定量的混凝劑。然后,投加藥劑的水樣又流入傳感器進行檢測,并進行投藥量的再調節。如此循環往復,連續運作,實現連續自動調節加藥量,保證混凝處理維持在最優工況。

自動變頻加藥系統具有以下性能特點:(1)操作方便,安全可靠,計量準確；(2)自動化程度高,維護方便；(3)使用壽命長。實踐證明這種自動投藥技術要比機械投藥平均節藥百分之二十五,既可以提高凈水站運行經濟效益,又可以簡化操作程序減輕運行人員工作強度,降低勞動成本提高工作效率。

本文從常用的幾種污水處理設備的變頻使用情況出發,闡述了變頻器的應用原理和效用分析,可以得出以下結論:在水處理環保設備中采用變頻系統能大大提高工作效率,降低運行成本,并節省電能。