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工業(yè)用的水處理設備是如何節(jié)能改造的？
來源：http://www.xamz.com.cn/發(fā)布時間：2019年11月27日
本文針對污水處理泵類設備存在著工頻運行閥門控制流量的運行方式造成電能、設備與材料浪費的現狀進行分析研究，采取科學的方式進行技術改造。應用變頻控制設備、軟啟動控制器與可編程序控制器和組態(tài)王軟件有機結合，實現智能化自動控制功能，替代現有的繼電控制，提高電能利用率以及降低操作人員的勞動強度。
1現狀分析研究
污水處理設備設施自投入運行以來，負荷大都在22千瓦以上，設備共計27臺，其中有20臺未使用變頻器，系統采用工頻定速全電壓運行。根據水處理工藝要求，水泵流量需要不斷調整，可現有繼電控制方式緊靠調節(jié)閥門開度來控制流量。閥門開度小時會導致：節(jié)流間隙小，流速大，沖刷嚴重，閥的壽命降低。流速、壓力變化過激時，會導致閥門穩(wěn)定性差，甚至沖產生震蕩。開度過小時，有損閥芯密封。管路和閥門的密封性能差或遭到破壞，會出現泄漏，維護量增加，經濟性降低。同時有些閥不適合小開度工作，開度小時，會發(fā)生跳開現象，無法準備控制流量。由于水泵平時均是全電壓運行，電能浪費尤為嚴重，每年僅電費消耗就65萬元。2012年以來我們進行了大量的泵類變頻改造。通過調整電動機電源頻率，調整電機即水泵的轉速，從而達到調節(jié)給水流量和水泵揚程的目的。取代因環(huán)境所造成的較高故障率的閥門控制方式。節(jié)能20%～60%，降低設備磨損，減少備品備件的投資，提高控制精度，延長設備使用壽命。
2控制分析
2.1通用變頻器的基本工作原理
變頻器是把電壓、頻率固定的交流電變換成電壓、頻率可調的交流電的變換器。
工頻電網的對稱三相正弦交流電接入變頻器的輸入端，經過不可控整流或可控整流環(huán)節(jié)變換為直流電。通過控制電路來控制逆變器的輸出，從而改變了變頻器的輸出電壓與頻率達到調整電機、水泵轉速的目的。
2.2異步電動機變頻調速原理
異步電動機的轉速n、電源頻率f、電機轉差率s、電機磁極對數p，參數關系：n=60f（1-s）/p。對于成品電機，其極對數p已確定，轉差率s變化不大，則電機的轉速n與電源頻率f成正比，改變輸入電源的頻率可改變電機的轉速，從而達到異步電動機調速的目的。變頻器是通過改變電源的頻率f來改變電動機轉速的，從而實現電動機節(jié)能降耗。
2.3水泵變頻控制特點
水泵流量Q與轉速n關系：Q1/Q2=n1/n2；電動機的轉速n與電源頻率關系：n=60f（1-s）/p；揚程H與轉速n關系：H1/H2=（n1/n2）2；功率P與轉速關系：P1/P2=（n1/n2）3；由此以上關系可看出流量與頻率成正比，揚程與頻率的二次方成正比。因此改變電動機電源頻率，可改變電機即水泵的轉速，從而達到調節(jié)給水流量和水泵揚程的目的。
2.4水泵調速的節(jié)電原理
采用交流變頻技術控制水泵的運行，是目前節(jié)能改造的有效途徑之一。從水泵調速揚程特性曲線可以看出：用閥門控制時，當流量要求從Q減小Q1時，必須關小閥門，這時閥門的摩擦阻力變大，則阻力曲線從R移到R1，揚程從H0上升到H1，運行工況點從A移到B點。用調速控制時，當流量要求從Q減小Q1時，由于阻力曲線R不變，泵的特性取決于轉速。如果把轉速從N100降至N80，運行工況從A移到C點，揚程從H0降至H2。特性曲線公式：P=QHr/102η，ΔP=Q1（H1-H2）r/102η，用閥門控制流量時，有ΔP功率被損耗浪費掉了，且隨閥門不斷關小，這個損耗還要增加。而用轉速控制時，根據流量、揚程、功率、轉速的關系，功率與轉速成3次方的關系下降。如果不用關小閥門的方式，而是把電機轉速降下來，那么在同樣流量的情況下，原來消耗在閥門的功率就可以全避免。用變頻器調速的方法來減少水泵流量進行節(jié)能改造的經濟效益是十分顯著的。
2.5污泥回流泵繼電控制
污泥回流泵改造前采用工頻定速全壓運行，流量緊靠調節(jié)閥門開度來控制，閥門開度小時會導致：節(jié)流間隙小，流速大，沖刷嚴重，閥的壽命降低。流速、壓力變化過激時，會導致閥門穩(wěn)定性差，甚至沖產生震蕩。開度過小時，有損閥芯密封。管路和閥門的密封性能差或遭到破壞，會出現泄漏，維護量增加，經濟性降低。同時有些閥不適合小開度工作，開度小時，會發(fā)生跳開現象，無法準備控制流量。由于水泵平時均是全電壓運行，電能浪費尤為嚴重。2012年以來我們進行了大量的泵類變頻改造。通過調整電動機電源頻率，調整電機即水泵的轉速，從而達到調節(jié)給水流量和水泵揚程的目的。取代因環(huán)境所造成的較高故障率的閥門控制方式。節(jié)能20%～60%，降低設備磨損，減少備品備件的投資，提高控制精度，延長設備使用壽命。
污泥回流泵采用PLC可編程控制器集中繼電控制與手動控制和遠方控制相結合，全壓運行，由閥門控制流量。
2.6軟起動器（晶閘管）的工作原理及主要特點
軟起動器的工作原理是在主回路的每一相串接一個雙向大功率晶閘管或兩個反并聯單向大功率晶閘管作為電子開關調壓元件，通過軟起動器的中中央控制器（單片機），控制其觸發(fā)延遲角（α）來改變晶閘管的導通時刻，實現輸出電壓的平穩(wěn)升降和主回路的無觸點通斷，從而改變了加到定子繞組的三相平均電壓的大小。整個起動和停止過程是在數字化程序軟件控制下自動進行，實現了電動機的無級平滑啟動。因此，軟起動器具備了很強的功能和靈活性，可根據負載的需要選擇不同的參數設定。
3技術改造方案
污水處理有許多泵類設備，節(jié)能潛力大，泵類設備在礦井水處理系統中起到關鍵的作用。根據現在的繼電控制系統選擇合適的變頻改造方案，下面針對具體設備案例簡單介紹改造過程。
3.1污泥回流泵變頻控制 為節(jié)能降耗的需要，隨對其進行了變頻改造。選用ABB系列變頻器ACS510-01-157A-4一臺，塑料外殼式斷路器DZ20Y-100/330040A一個，歐姆龍小型繼電器AC220V一個。
為了節(jié)約資金和降低操作人員的工作量，提高可操作性，同時又保證控制系統的完整性，保留了原有的各種控制功能。由于污泥回流流量在處理工藝中相對比較固定，采取通過人為的從人機界面中設定所需頻率。
變頻控制改造后，由于頻率、轉速、流量存在一定的關系，可通過調頻率來改變轉速，從而改變流量，保證了系統以穩(wěn)定的流量平穩(wěn)運行。閥門基本可處于全開狀態(tài)，杜絕了堵塞現象。系統正常運行以來，運行穩(wěn)定，大大降低了維修量。
3.2反沖洗泵軟起動控制
根據具體設備的運行工藝要求，對于不適宜變頻調速的反沖洗水泵采用了軟啟動控制器。它具有體積小、重量輕、控制方便且精度高，是一種集電動機軟起動、軟停車、輕載節(jié)能和多功能保護于一體的電動機控制裝置。軟啟動器的應用降低了電能的消耗與維修操作人員的勞動強度。
污水處理站有2臺55kw反沖洗水泵，1臺工作1臺備用。在電機運行負載功率在80%以上時，選用軟啟動器是最好、最實用、最省錢的。由于該負荷為水泵類且在水處理工藝中運行次數及時間較少，所以采用性價比較優(yōu)的ABBPSS85/147-500L型軟啟動器。塑料外殼式斷路器DZ20Y-100/3300100A。正常運行以來，基本免于維護。
使用軟啟動器啟動電機時，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動機逐漸加速，直至晶閘管全導通，電動機工作在額定電壓的機械特性上，實現平滑啟動，降低啟動電流，避免啟動過流跳閘。待電機到達額定轉數時，啟動過程結束，軟啟動器自動用旁路接觸器取代完成任務的晶閘管，為電動機正常運轉提供正常額定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長軟啟動器的使用壽命，提高其工作效率，使電網避免了諧波污染。軟啟動器同時提供停車功能，軟停車和軟啟動過程相反，電壓逐漸降低，轉數逐漸下降到零，避免自由停車引起的轉矩沖擊。
根據負載特性、電源容量及原理圖的控制要求設定技術參數，啟動時電壓提升時間為6S；選擇初始電壓為40%；因為我們采用的是電動機外接的方式，所以將連接選擇開關S1置于外接位置上。然后進行設備啟動試驗，當按下啟動按鈕后電動機開始啟動運行，經過6S的電壓提升時間，旁路接觸器閉合電動機全壓運行。檢查發(fā)現軟起動器故障信息指示燈點亮，按下停止按鈕后電動機正常停車。經過檢查發(fā)現軟起動器停止時電壓下降的速度設定在5S，根據原理圖分析在軟起動器全壓切換時旁路接觸器給軟起動器停止信號后直接切斷了軟起動器的負荷，軟起動器則認為電動機故障。將此參數設定為0S后故障排除，設備正常啟動運行。由此可見在軟起動器使用過程中應仔細分析控制環(huán)境因素，做到參數設定準確方可正常使用。
由于電機啟動特性，電機直接連接供電系統啟動（硬啟動），將會產生高達電機額定電流5-7倍的浪涌（沖擊）電流，使得供電系統和串聯的開關設備過載。直接啟動也會產生較高的峰值轉矩。沖擊電流不但會對驅動電機產生沖擊，也會使機械裝置受損，還會影響接在同一電網的其他電氣設備正常工作。
軟啟動器在電機啟動時通過改變加在電機上的電源電壓，以減少啟動電流和啟動轉矩來實現電動機的軟起。軟啟動的限流特性可有效限值沖擊電流，避免不必要的沖擊力矩以及對配電電網的電流沖擊，有效地減少線路刀閘和接觸器的誤觸發(fā)動作；對頻繁啟停的電動機，可有效控制電動機的溫升，大大延長電動機的壽命。因此軟啟動器既能改變電動機的啟動特性保護拖動系統，更能保護電動機可靠啟動，又能降低啟動沖擊。
3.3提高系統穩(wěn)定性
為了進一步提高自動化程度以及系統穩(wěn)定性，重新做了信號傳輸線的抗干擾處理，更換了部分抗干擾能力差的液位變送器，并對原有PLC程序進行了修改、完善、寫入、調試。
4結語
污水處理設備大都是高能耗設備設施，高能耗設備設施造成了污水處理成本高，因此，采用變頻、軟啟動控制技術對污水處理設備設施進行技術改造是必然趨勢。
變頻器與軟起動器的應用減小了對設備的沖擊，維護和維修量也跟隨降低，運行成本大大降低，產生了可觀的經濟效益。該項目的實施順應了節(jié)能降耗的企業(yè)之本，對全礦的推廣有著十分重要的意義。
經濟效益和社會效益：水處理成本包括設備折舊、材料消耗、人工工資、藥品消耗、電能消耗，其中電能消耗所占比例最大，所以機電設備的運行工況尤為重要。項目實施后，經濟效益和社會效益顯著。
經濟效益：該項目自2014年10月底實施至2016年3月底結束。從日常運行記錄表上可以看出，同期電耗每月節(jié)約近1.6萬kW.h電量，全年節(jié)約近19萬kW.h電量，按0.6元/kW.h，全年將節(jié)約電費19×0.6=11.4萬元。同時，機電設備運行工況的改善降低了維修維護量和材料的消耗，產生的間接經濟效益也是十分可觀的。
社會效益：節(jié)約了電能資源，改變了水處理行業(yè)的高耗能形象。促進了礦井節(jié)能減排的奮斗目標，為我礦噸煤成本的進一步降低做出了貢獻；降低了震動和噪聲，降低了職工勞動強度，改善了職工工作環(huán)境，進一步體現了以人為本的企業(yè)理念。
1現狀分析研究
污水處理設備設施自投入運行以來，負荷大都在22千瓦以上，設備共計27臺，其中有20臺未使用變頻器，系統采用工頻定速全電壓運行。根據水處理工藝要求，水泵流量需要不斷調整，可現有繼電控制方式緊靠調節(jié)閥門開度來控制流量。閥門開度小時會導致：節(jié)流間隙小，流速大，沖刷嚴重，閥的壽命降低。流速、壓力變化過激時，會導致閥門穩(wěn)定性差，甚至沖產生震蕩。開度過小時，有損閥芯密封。管路和閥門的密封性能差或遭到破壞，會出現泄漏，維護量增加，經濟性降低。同時有些閥不適合小開度工作，開度小時，會發(fā)生跳開現象，無法準備控制流量。由于水泵平時均是全電壓運行，電能浪費尤為嚴重，每年僅電費消耗就65萬元。2012年以來我們進行了大量的泵類變頻改造。通過調整電動機電源頻率，調整電機即水泵的轉速，從而達到調節(jié)給水流量和水泵揚程的目的。取代因環(huán)境所造成的較高故障率的閥門控制方式。節(jié)能20%～60%，降低設備磨損，減少備品備件的投資，提高控制精度，延長設備使用壽命。
2控制分析
2.1通用變頻器的基本工作原理
變頻器是把電壓、頻率固定的交流電變換成電壓、頻率可調的交流電的變換器。
工頻電網的對稱三相正弦交流電接入變頻器的輸入端，經過不可控整流或可控整流環(huán)節(jié)變換為直流電。通過控制電路來控制逆變器的輸出，從而改變了變頻器的輸出電壓與頻率達到調整電機、水泵轉速的目的。
2.2異步電動機變頻調速原理
異步電動機的轉速n、電源頻率f、電機轉差率s、電機磁極對數p，參數關系：n=60f（1-s）/p。對于成品電機，其極對數p已確定，轉差率s變化不大，則電機的轉速n與電源頻率f成正比，改變輸入電源的頻率可改變電機的轉速，從而達到異步電動機調速的目的。變頻器是通過改變電源的頻率f來改變電動機轉速的，從而實現電動機節(jié)能降耗。
2.3水泵變頻控制特點
水泵流量Q與轉速n關系：Q1/Q2=n1/n2；電動機的轉速n與電源頻率關系：n=60f（1-s）/p；揚程H與轉速n關系：H1/H2=（n1/n2）2；功率P與轉速關系：P1/P2=（n1/n2）3；由此以上關系可看出流量與頻率成正比，揚程與頻率的二次方成正比。因此改變電動機電源頻率，可改變電機即水泵的轉速，從而達到調節(jié)給水流量和水泵揚程的目的。
2.4水泵調速的節(jié)電原理
采用交流變頻技術控制水泵的運行，是目前節(jié)能改造的有效途徑之一。從水泵調速揚程特性曲線可以看出：用閥門控制時，當流量要求從Q減小Q1時，必須關小閥門，這時閥門的摩擦阻力變大，則阻力曲線從R移到R1，揚程從H0上升到H1，運行工況點從A移到B點。用調速控制時，當流量要求從Q減小Q1時，由于阻力曲線R不變，泵的特性取決于轉速。如果把轉速從N100降至N80，運行工況從A移到C點，揚程從H0降至H2。特性曲線公式：P=QHr/102η，ΔP=Q1（H1-H2）r/102η，用閥門控制流量時，有ΔP功率被損耗浪費掉了，且隨閥門不斷關小，這個損耗還要增加。而用轉速控制時，根據流量、揚程、功率、轉速的關系，功率與轉速成3次方的關系下降。如果不用關小閥門的方式，而是把電機轉速降下來，那么在同樣流量的情況下，原來消耗在閥門的功率就可以全避免。用變頻器調速的方法來減少水泵流量進行節(jié)能改造的經濟效益是十分顯著的。
2.5污泥回流泵繼電控制
污泥回流泵改造前采用工頻定速全壓運行，流量緊靠調節(jié)閥門開度來控制，閥門開度小時會導致：節(jié)流間隙小，流速大，沖刷嚴重，閥的壽命降低。流速、壓力變化過激時，會導致閥門穩(wěn)定性差，甚至沖產生震蕩。開度過小時，有損閥芯密封。管路和閥門的密封性能差或遭到破壞，會出現泄漏，維護量增加，經濟性降低。同時有些閥不適合小開度工作，開度小時，會發(fā)生跳開現象，無法準備控制流量。由于水泵平時均是全電壓運行，電能浪費尤為嚴重。2012年以來我們進行了大量的泵類變頻改造。通過調整電動機電源頻率，調整電機即水泵的轉速，從而達到調節(jié)給水流量和水泵揚程的目的。取代因環(huán)境所造成的較高故障率的閥門控制方式。節(jié)能20%～60%，降低設備磨損，減少備品備件的投資，提高控制精度，延長設備使用壽命。
污泥回流泵采用PLC可編程控制器集中繼電控制與手動控制和遠方控制相結合，全壓運行，由閥門控制流量。
2.6軟起動器（晶閘管）的工作原理及主要特點
軟起動器的工作原理是在主回路的每一相串接一個雙向大功率晶閘管或兩個反并聯單向大功率晶閘管作為電子開關調壓元件，通過軟起動器的中中央控制器（單片機），控制其觸發(fā)延遲角（α）來改變晶閘管的導通時刻，實現輸出電壓的平穩(wěn)升降和主回路的無觸點通斷，從而改變了加到定子繞組的三相平均電壓的大小。整個起動和停止過程是在數字化程序軟件控制下自動進行，實現了電動機的無級平滑啟動。因此，軟起動器具備了很強的功能和靈活性，可根據負載的需要選擇不同的參數設定。
3技術改造方案
污水處理有許多泵類設備，節(jié)能潛力大，泵類設備在礦井水處理系統中起到關鍵的作用。根據現在的繼電控制系統選擇合適的變頻改造方案，下面針對具體設備案例簡單介紹改造過程。
3.1污泥回流泵變頻控制 為節(jié)能降耗的需要，隨對其進行了變頻改造。選用ABB系列變頻器ACS510-01-157A-4一臺，塑料外殼式斷路器DZ20Y-100/330040A一個，歐姆龍小型繼電器AC220V一個。
為了節(jié)約資金和降低操作人員的工作量，提高可操作性，同時又保證控制系統的完整性，保留了原有的各種控制功能。由于污泥回流流量在處理工藝中相對比較固定，采取通過人為的從人機界面中設定所需頻率。
變頻控制改造后，由于頻率、轉速、流量存在一定的關系，可通過調頻率來改變轉速，從而改變流量，保證了系統以穩(wěn)定的流量平穩(wěn)運行。閥門基本可處于全開狀態(tài)，杜絕了堵塞現象。系統正常運行以來，運行穩(wěn)定，大大降低了維修量。
3.2反沖洗泵軟起動控制
根據具體設備的運行工藝要求，對于不適宜變頻調速的反沖洗水泵采用了軟啟動控制器。它具有體積小、重量輕、控制方便且精度高，是一種集電動機軟起動、軟停車、輕載節(jié)能和多功能保護于一體的電動機控制裝置。軟啟動器的應用降低了電能的消耗與維修操作人員的勞動強度。
污水處理站有2臺55kw反沖洗水泵，1臺工作1臺備用。在電機運行負載功率在80%以上時，選用軟啟動器是最好、最實用、最省錢的。由于該負荷為水泵類且在水處理工藝中運行次數及時間較少，所以采用性價比較優(yōu)的ABBPSS85/147-500L型軟啟動器。塑料外殼式斷路器DZ20Y-100/3300100A。正常運行以來，基本免于維護。
使用軟啟動器啟動電機時，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動機逐漸加速，直至晶閘管全導通，電動機工作在額定電壓的機械特性上，實現平滑啟動，降低啟動電流，避免啟動過流跳閘。待電機到達額定轉數時，啟動過程結束，軟啟動器自動用旁路接觸器取代完成任務的晶閘管，為電動機正常運轉提供正常額定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長軟啟動器的使用壽命，提高其工作效率，使電網避免了諧波污染。軟啟動器同時提供停車功能，軟停車和軟啟動過程相反，電壓逐漸降低，轉數逐漸下降到零，避免自由停車引起的轉矩沖擊。
根據負載特性、電源容量及原理圖的控制要求設定技術參數，啟動時電壓提升時間為6S；選擇初始電壓為40%；因為我們采用的是電動機外接的方式，所以將連接選擇開關S1置于外接位置上。然后進行設備啟動試驗，當按下啟動按鈕后電動機開始啟動運行，經過6S的電壓提升時間，旁路接觸器閉合電動機全壓運行。檢查發(fā)現軟起動器故障信息指示燈點亮，按下停止按鈕后電動機正常停車。經過檢查發(fā)現軟起動器停止時電壓下降的速度設定在5S，根據原理圖分析在軟起動器全壓切換時旁路接觸器給軟起動器停止信號后直接切斷了軟起動器的負荷，軟起動器則認為電動機故障。將此參數設定為0S后故障排除，設備正常啟動運行。由此可見在軟起動器使用過程中應仔細分析控制環(huán)境因素，做到參數設定準確方可正常使用。
由于電機啟動特性，電機直接連接供電系統啟動（硬啟動），將會產生高達電機額定電流5-7倍的浪涌（沖擊）電流，使得供電系統和串聯的開關設備過載。直接啟動也會產生較高的峰值轉矩。沖擊電流不但會對驅動電機產生沖擊，也會使機械裝置受損，還會影響接在同一電網的其他電氣設備正常工作。
軟啟動器在電機啟動時通過改變加在電機上的電源電壓，以減少啟動電流和啟動轉矩來實現電動機的軟起。軟啟動的限流特性可有效限值沖擊電流，避免不必要的沖擊力矩以及對配電電網的電流沖擊，有效地減少線路刀閘和接觸器的誤觸發(fā)動作；對頻繁啟停的電動機，可有效控制電動機的溫升，大大延長電動機的壽命。因此軟啟動器既能改變電動機的啟動特性保護拖動系統，更能保護電動機可靠啟動，又能降低啟動沖擊。
3.3提高系統穩(wěn)定性
為了進一步提高自動化程度以及系統穩(wěn)定性，重新做了信號傳輸線的抗干擾處理，更換了部分抗干擾能力差的液位變送器，并對原有PLC程序進行了修改、完善、寫入、調試。
4結語
污水處理設備大都是高能耗設備設施，高能耗設備設施造成了污水處理成本高，因此，采用變頻、軟啟動控制技術對污水處理設備設施進行技術改造是必然趨勢。
變頻器與軟起動器的應用減小了對設備的沖擊，維護和維修量也跟隨降低，運行成本大大降低，產生了可觀的經濟效益。該項目的實施順應了節(jié)能降耗的企業(yè)之本，對全礦的推廣有著十分重要的意義。
經濟效益和社會效益：水處理成本包括設備折舊、材料消耗、人工工資、藥品消耗、電能消耗，其中電能消耗所占比例最大，所以機電設備的運行工況尤為重要。項目實施后，經濟效益和社會效益顯著。
經濟效益：該項目自2014年10月底實施至2016年3月底結束。從日常運行記錄表上可以看出，同期電耗每月節(jié)約近1.6萬kW.h電量，全年節(jié)約近19萬kW.h電量，按0.6元/kW.h，全年將節(jié)約電費19×0.6=11.4萬元。同時，機電設備運行工況的改善降低了維修維護量和材料的消耗，產生的間接經濟效益也是十分可觀的。
社會效益：節(jié)約了電能資源，改變了水處理行業(yè)的高耗能形象。促進了礦井節(jié)能減排的奮斗目標，為我礦噸煤成本的進一步降低做出了貢獻；降低了震動和噪聲，降低了職工勞動強度，改善了職工工作環(huán)境，進一步體現了以人為本的企業(yè)理念。
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