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污水处理厂的变频调速技术应用探讨

发表时间：2020/12/11 来源：《基层建设》2020年第24期作者：左涛生高习航谈力恺

[导读] 摘要：目前，大部分污水处理厂的变频器均采用交流-直流-交流的控制模式实现变频功能。

        中建安装集团有限公司江苏南京 211299
        摘要：目前，大部分污水处理厂的变频器均采用交流-直流-交流的控制模式实现变频功能。变频器输入的三相交流电源经过大功率二极管整流桥整流后，形成电压恒定的直流电流，后经过由六组大功率晶闸管组成的逆变器，在高频脉冲调制驱动器（PWM）的控制下，使用方波组合的形式，重新构建不同波形频率的电能正弦波。该过程可以对输出电能的U-t曲线和I-t曲线的波形进行精细控制，可选输出频率的窗口宽度较大，通过改变电流频率实现对电动机的调速或实现其他变频功能。
        关键词：控制技术；变频器；污水处理厂；节电
        1变频器的节电原理
        以泵机设备为例，当泵机额定转速下提供的流量大于工艺设计流量时，一般通过节流阀、限流阀等流量控制设施进行流量控制，此时管道内产生额外静压，一方面加大泵机负荷，另一方面可能造成泵机损伤。此时，降低泵机转速成为降低系统内额外静压的有效处理手段，而全压开关一般无法提供泵机的转速控制功能，所以采用变频器进行泵机转速控制成为最有效的技术支持手段。使用了变频器的泵机控制系统，通过调节泵机转速配合节流阀、限流阀的使用，可以有效降低系统能耗。因为变频器的控制特性，当使用变频器下调泵机电动机转速后，电动机的扭矩、托动力保持不变，泵机的排量保持不变，即可以在保证系统的稳定性、可靠性、可用性的前提下，实现有效的节能过程。风机系统使用变频器的基本节能原理，在上述对风机泵压及转速进行有效控制且使全系统额外静压得到有效控制的同时，还可以有效减少风机系统的扭振、涡振、喘振现象，充分加大层流风占比，使风机效率有效提升，进而实现节能效果。
        2变频器的应用
        （1）变频器在水泵上的应用。在对变频器的早期应用实践中，该企业就在高压水泵系统中全面使用了变频器。通过应用试验，探讨变频器控制的污水提升泵与相关阀门的配合工艺，最终使高压水泵的电动机工作电流下降近50%，电机运行温度显著减低，电机运行磨损也得到了有效改善，系统的维护工作量也得到了优化。试验发现，该型变频器的使用过程中对电动机的过载保护、单相运行保护等方面有额外的技术保障，有效减少电动机烧毁的理论概率，对提升系统安全性有促进作用。该2个泵机的运行功率分别达到55kW和37kW，在用水量较大的时间段内，用水管道的出口节流阀必须全开，此时管道静压较小，泵机正常运转，而在用水量稍小的时间段内，则需要减小节流阀的开合度，此时管道静压增大，泵机憋压现象持续存在，该现象导致了节流阀前端的管道密封疲劳导致频发管道接头漏水现象。鉴于此技术革新需求，在对该2个泵机引入变频器后，采用恒压闭环控制法对用水系统进行控制，根据节流阀后端管道的实际用水压力，通过变频器对泵机转速进行管理，有效防止管道内的额外静压。该方案在实现泵机运行节能的同时还减少了管道的维护量，有效避免了因为管道憋压导致额外静压上升带来的管道密封损毁。该系统投用3年来，运行稳定，节能效果较好。
        在没有使用变频器的前提下，因为管道系统处于小流量运行状态下的额外静压较高，管道接头及其他相关管件在频繁出现的高静压环境中容易出现结构疲劳和易损件损伤，最终导致损毁和管道泄漏。在高静压环境下进行管道系统调度调节过程中，额外的静压也导致阀门馈压等流体动力学现象加剧，进一步损伤管道系统脆弱环节。
        （2）变频器在风机上的应用。污水处理厂中，除电能需求外，锅炉也是重要能源来源。而锅炉鼓风机属于锅炉的重要控制设备，也是锅炉系统中的重要耗电设备。风机实际运行过程中，因为对风速风量的控制需求频繁变化，所以必须采用各种风门、挡风板设施进行风流控制，所以鼓风机本身的内部压力环境也会频繁变化。所以，鼓风机运行过程中容易出现各种扭振、喘振、涡振等不良反馈。在没有变频器进行风机转速有效控制的前提下，这些现象无法得到有效控制，从而造成层流风比下降，风机效率严重下降，风机能耗不可控提高。为了对鼓风机运行过程中中的震动和轴温进行有效控制，在锅炉鼓风机拖动电动机上部署变频器，以提升鼓风机的安全性和可靠性，增加锅炉的燃烧效率。

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因为锅炉系统本身的复杂性，锅炉鼓风机变频器的技术需求较上述水泵系统的变频器技术需求更加复杂，归纳而讲主要有以下2点：
        （1）锅炉的燃烧控制需要频繁调整进气量，所以，在对鼓风机转速进行有效调整的同时，还需要确保足够迅速将工频状态和变频状态的及时程控切换。在常规运行状态下，可以跳开变频器直接使用工频驱动，以进一步降低能耗，也进一步增加系统稳定性。
        （2）锅炉鼓风机的拖动电动机的额定功率为135kW，且鼓风机叶片属于大惯量回转部件，如果鼓风机在气动条件下发生喘振、共振现象，则需要鼓风机通过调节转速及时改出运行状态，否则鼓风机转子的轴承系统、转动轴系统及其他结构系统均可能发生疲劳损伤甚至损毁，拖动电动机也可能因为此震动发生损坏。在技改过程中，采用以下方案对上述需求进行解决：
        （1）对变频器控制软件进行二次开发，实现了变频模式与工频模式的瞬时切换，以适应在实际应用过程中实现工频-变频状态频繁切换的需求。经过现场投运试验，该软件对变频器的工频-变频状态的频繁切换有较好的控制效果。
        （2）对风机的固有震动频率进行了试验分析，发现其固有震动频率有两阶，第一阶为1222.4Hz，第二阶为3867.4Hz，不考虑其他谐振现象的影响，单纯从轴系扭振影响来看，变频器的变频周期设定为0～50Hz距离上述两个固有频率之间拥有较大的安全余地。
        变频器的变频范围设定为程控0～50Hz。通过投运试验，发现锅炉鼓风机部署变频器进行转速控制后，取得了以下效果：
        （1）锅炉的炉膛风压降低导致风机能耗大幅度降低。在锅炉燃烧效率控制在50tph的前提下，安装变频器后，鼓风机拖动电机的电流从之前的180A下降到90A，既往锅炉每年的运行时间约为8000h，可实现节电30万kWh。
        （2）既往锅炉的风量控制策略时通过调节风机挡风板和火嘴风门等方式进行调节，此调节过程的不确定因素较多，控制效率较低，燃烧效率难以得到最大体现。使用变频器进行鼓风机控制后，锅炉的供风控制精度得到有效提升，过剩空气系数由1.2下降为1.1，锅炉的燃烧效率提升了0.8%，所以，锅炉的燃料消耗量每年可节约200～500t。
        （3）在鼓风机控制系统引入变频器的同时，还增加了直流电抗器等控制附件，使传统变频器频繁工作产生的高次谐波等问题得到了有效改善。与此同时，使锅炉鼓风机的功率因数提升至0.95以上，有效减少了无功功率带来的额外能耗。
        3结语
        在对水泵设备部署变频器进行转速控制的过程中，可以有效减轻大转速小流量情况下憋压导致的管道静压力上升，一方面节约额外静压带来的能耗，另一方面减少了额外静压带来的管道系统疲劳损毁的维修成本并减少管道系统密封损毁后跑冒滴漏带来的损失，还降低了因为物质外泄造成的安全风险。在对风机的变频器使用过程中，一方面实现了风机本身的能耗，还因为锅炉控制精度提升节约了锅炉燃料。使用变频器进行技术革新后，可实现综合节能30%以上。但是，在使用变频器进行节能管理的同时，试验反映的变频器本身带来的高次谐波等问题，本次投运试验中采用综合使用直流电抗器等综合策略给与解决。
        参考文献
        [1]胡钦,陈治国,陈泽华.凝结水泵高压变频技术改造的节能分析[J].能源技术经济,2010,22(12):58-61.
        [2]变频调速技术在改造设计中的应用[J].范云飞,任立甲.电子技术与软件工程.2017(06)
        [2]变频调速技术在污水处理系统中的应用综合分析[J].李定川.变频器世界.2020(02)