变频器在污水处理设备上的应用

　　水是经济发展和社会可持续发展的一个重要因素。随着城市规模的不断扩大和人口的增加，水环境污染成了一大难题。城市污水是目前江河湖泊水域污染的重要原因，是制约许多城市可持续发展的主要原因之一。“环境保护”是我国的基本国策，中国可持续发展的战略与对策制定的2000年治理目标，要求城市污水集中处理率达20%。目前，我国正处于城市污水处理事业的大发展时期，尤其随着国家西部大开发战略的实施，中国中西部环境与生态保护已被提上首要议事日程。
　　城市生活污水处理自200年前工业革命以来，越来越受到人们的重视。城市污水处理率已成为一个地区文明与否的一个重要标志。近200年来，城市污水处理已从原始的自然处理、简单的一级处理发展到利用各种先进技术、深度处理污水，并回用。处理工艺也从传统活性污泥法、氧化沟工艺发展到A/O、A2/O、AB、SBR（包括CCAS工艺）等多种工艺，以达到不同的出水要求。我国城市污水处理相对于国外发达国家、起步较晚，目前城市污水处理率只有6.7%。在我们大力引起国外先进技术、设备和经验的同时，必须结合我国发展，尤其是当地实际情况，探索适合我国实际的城市污水处理系统。
　　结合我国实际情况，参考国外先进技术和经验，建设城市污水处理厂应符合以下几个发展方向：
（1）总投资省。我国是一个发展中国家，经济发展所需资金非常庞大，因此严格控制总投资对国民经济大有益处。
（2）运行费用低。运行费用是污水处理厂能否正常运行的重要因素，是评判一套工艺优劣的主要指标之一。
（3）占地省。我国人口众多，人均土地资源极其紧缺。土地资源是我国许多城市发展和规划的一个重要因素。
（4）脱氮除磷效果。随着我国大面积水体环境的富营养化，污水的脱氮除磷已经成为一个迫切的问题。我国最新实施的国家《污水综合排放标准》（GB8978-1996）也明确规定了适用于所有排污单位，非常严格地规定了磷酸盐排放标准和氨氮排放标准。这就意味着今后绝大多数城市污水处理厂都要考虑脱氮除磷的问题。
（5）现代先进技术与环保工程的有机结合。现代先进技术，尤其是计算机技术和自控系统设备的出现和完善，为环保工程的发展提供了有力的支持。目前，国外发达国家的污水处理厂大都采用先进的计算机管理和自控系统，保证了污水处理厂的正常运行和稳定的合格出水，而我国在这方面还比较落后。计算机控制和管理也必将是我国城市污水处理厂发展的方向。

三、几种处理系统的工艺比较
　　为了选择出工艺上最可靠，投资上最经济，管理上最方便的城市污水处理系统，结合当地的实际情况，我们调研了国内外污水处理厂的成熟经验和发展趋势，并进行了比较。
　　目前，国内外城市污水处理厂处理工艺大都采用一级处理和二级处理。一级处理是采用物理方法，主要通过格栅拦截、沉淀等手段去除废水中大块悬浮物和砂粒等物质。这一处理工艺国内外都已成熟，差别不大。二级处理则是采用生化方法，主要通过微生物的生命运动等手段来去除废水中的悬浮性，溶解性有机物以及氮、磷等营养盐。目前，这一处理工艺有多种方法，归结起来，有代表性的工艺主要有传统活性污泥、氧化沟、A/O或A2/O工艺、SBR及CCAS工艺等。目前，这几种代表工艺在国内外都有实际应用。


　　污水处理厂最好的节电场合是曝气机的鼓风机（有些是采用搅拌机来曝气），节电率更高



　　污水处理厂的设备是全天候运转的，而且曝气机和潜水泵是污水处理的核心设备，需要用变频器对曝气机的鼓风机（罗茨风机）和潜水泵进行调速。 鼓风机变频控制：污水处理好氧部分溶解氧浓度对处理结果有很大影响，溶解氧浓度太低，污水不能达标；溶解浓度太高，不仅浪费电能还可能使活性污泥上浮使出水也不能达标。鼓风机加变频器就是为了控制CASS池溶解氧的浓度稳定在恒定值.
　　考虑到实际应用中只可能一台是变频运转，另一台停止或工频运转，同时为了减少固定资产投资，设计了2台风机只用一台变频器控制，刚曝气时，一台风机变频运转，如果该风机运行到50HZ后，溶解氧浓度仍没达到设定值，该变风机自动投到工频(50HZ)继续运转，第二台风机自动投到变频运转，在PID自动控制下直到溶解氧浓度稳定在设定值。当溶解氧浓度大于设定值,且变频风机频率低于一定频率,工频风机自动切断,只有变频风机运转 。

3.1变频调控原理与特性
　　随着科技的不断发展，交流电机调速技术被广泛采用。通过新一代全控型电子元件，用变频器改变交流电机的转速方式来进行风机流量的控制，可以大幅度减少以往机械方式调控流量造成的能量损耗。


3.2变频调节的节能原理：
　　图2中曲线1和2表示调速时的压力-流量曲线，曲线3和4表示节流调节时管路阻力特性曲线，曲线5表示恒速时功率-流量曲线，设A点为风机最大工况点。当风量需从Q1减少到Q2时，如果采用节流调节法，工况点由A到B，风压增加到H2，由图中可看出轴功率P2下降，但减少的不太多。如果采用变频调节方式，风机工况点由A到C，可见在满足同样风量Q2 情况下，风压H3将大幅度下降，功率P3随着显着减少。节省的功率损耗△P＝△HQ2与图中面积BH2H3C成正比。
　　由以上分析可知，变频调节是一种高效的调节方式。鼓风机采用变频调节，不会产生附加压力损失，节能效果显着，调节风量范围0％～100％，适合调节范围宽，且经常处于低负荷下运行的场合。但是，当风机转速下降，风量减小时，风压将发生很大变化，由风机比例定律：
　　Q1/Q2＝(n1/n2)，　H1/H2＝(n1/n2)23
可知，当其转速降低到原额定转速的一半时，对应工况点的流量、压力、轴功率各下降到原来的1/2、1/4、1/8，这就是变频调节方式可以大幅度节电的原因。
假设将水泵转速降低10%（输出频率45Hz时）
则功率P2=（0.9）×P1=0.73P1,节电27%。
假设将水泵转速降低20%（输出频率40Hz时）
则功率P2=（0.8）³×P1=0.51P1,节电49%。
由于功率与转速成三次方的关系，因此，转速变化越大，功率的消耗将呈几何
级数减少。

3.3启动电流对电动机及设备的损害
　　电动机在启动阶段，往往采用自藕变压器降压启动或（星—三角）启动方式，这两种方式虽然能降低启动电流对电动机的损害，但仍有高达额定电流5—6倍的启动电流，严重危害着电动机、水泵、单向阀、管路系统的使用寿命。


　　使用变频调节以后，由于使用了SPWM技术，实现了真正意义上的软启动和缓冲停机，从根本上消除了启动电流对电动机及其它设备的危害，大大延长了设备的使用寿命。

3.4设备运行中的噪音、震动、水锤等问题
　　设备在全电压启动、运行、停止的过程中，由于无法进行及时有效的调节，会产生严重的水锤、机械噪音增加、震动加剧等现象，这些现象都具有极大的破坏性，会引起管道破裂或瘪塌、损坏阀门和固定件，并会增加进线变压器的负荷状况。采用了变频调节后，可以通过延长升、降速时间来延长起动或停机的过程，即使在运行过程中，也可以通过对工作频率点的选择，跳过容易引起设备共震的工作点，从而使水泵叶片、单向阀、管路系统承受的应力大为减小，轴承的磨损也大大减轻，设备的工作寿命将大大延长。