水处理设备节能改造分析与探索

该文简单分析泵类变频控制的特点，介绍了济三矿污水处理厂水处理设备进行节能变频技术改造的过程，改造后使设备运行工况依据处理量的变化随之调节，大大提高了污水处理系统运行的稳定性，降低了能耗，延长了设备的使用寿命，在水处理行业有较大的推广应用价值。
兖矿集团济三污水处理厂于2007年建成并投入运行，负荷在10kW以上的设备18台，都未加变频器，据统计2007～2009年，吨水处理能耗在0.6kWh以上，2010年使用变频节能技术以后，吨水能耗降低到0.3kWh以下，节电效果非常明显。
1.水泵变频控制原理
1.1异步电动机变频调速原理
根据电动机理论，异步感应电动机的转速n与电源频率f、电机转差率s、电机磁极对数p有如下线性关系：n=60f(1-s)/p。变频器是通过改变电源的频率f来改变电动机转速的。在异步电动机制造完成后转速与频率的线性关系也就确定了。
由于转速与频率的线性关系，从理论上分析调速范围在0～100﹪内时，其线性度都很好，将变频器用于节能改造，可省去阀门节流的功率损失。
1.2水泵变频控制特点
水泵的负载性质是平方递减转矩型，有下列关系：水泵的流量Q与转速n成正比；电动机的转速n与电源频率f成正比；扬程H与转速n的二次方成正比；而泵的功率与转速的三次方成正比。因此改变电动机电源频率可改变水泵的转速，从而达到调节给水流量和水泵扬程的目的，取代阀门控制方式，节能20～60%，降低设备磨损，延长设备使用寿命。阀门调节将使系统压力升高，这将对管路和阀门的密封性能形成威胁和破坏；而转速调节时，系统压力随水泵的转速降低而降低。从以上分析得出，当现场对水泵流量的需求从100%降至50%时，转速也降至额定转速的50﹪，而电机的功耗降至额定功耗的12.5﹪，也就是节约电能87.5﹪。扣除阀门调节时的功耗与额定功耗的差、转速下降引起电机效率下降等因素，节电效果也非常显著，设备运行工况也将得到明显改善。
2.水泵变频控制改造方案
济三矿污水处理厂运转设备大部分没有变频器，尤其泵类的提升全部依靠阀门开度来控制流量，对设备损耗、能耗都存在很多弊端。为此根据现在的继电控制系统制定合适的变频改造方案，下面以污泥回流泵为例简单介绍水泵的变频改造过程。
2.1污泥回流泵继电控制分析
污泥回流泵改造前采用工频定速全压运行，出口流量只能通过阀门控制调节，节流损失大，出口压力高，扬程的富裕量大，管网损失严重，系统运行效率低。阀门前后压损大，使得阀门冲刷严重，压力高的一侧经常出现泄漏，维护量增加，经济性低。根据要求回流流量约为额定流量的50%(约合105m3/h)，阀门开度约1/3，导致经常发生管道堵塞，且存在系统震动大、出口压力高、设备寿命低、故障率大等不良现象，影响生产，浪费人力财力。
水泵电动机型号：150QW210-7-7.5，出口管径150mm，流量为210m3/h，扬程7m，额定功率为7.5kW。
2.2污泥回流泵变频改造
选用富士P11S系列变频器FRN11P11S-4CX(18kVA，23A，11kW)一台对注泥泵进行改造。根据回流污泥流量变化不大的现实状况，以及简化控制回路的改造量，且与自动控制相结合的需要，提高控制系统的完整性、操作性，降低操作人员的工作量，保留了远、近控制及自动控制功能。由于现有可编程控制器的模拟输入输出端口已无余量，所以采用了相对简单的电位器输入给定频率的变频器控制方式。
改造后系统运行平稳，压力、流量稳定，震动噪音大大降低，阀门处于全开状态，没有了以前经常出现的堵塞现象。改造后一年多以来无论是电气还是机械部分基本免于维护，大大降低了工作量，提高了设备使用寿命，降低了排水成本。
3.效益分析
根据统计，全厂2010年电耗相比2009年电耗降低22.6万kW.h，电费按0.6元∕(kW.h)计，全年节约电费支出为13.6万元。实施改造后，设备及附件使用寿命延长约1.5a，每年节约费用4.6万元，同时提高了污水处理系统的稳定性。