变频器/软启动器在水处理控制系统中的应用

    水处理过程中需要使用大量的泵类和风机负载，如果采用变频调速技术，既可实现无级调速，满足水处理工艺过程中各项指标对电机速度控制的要求，保证工艺流程的相对稳定，又可实现节约能源、降低消耗，减少相关设备的开停次数，延长设备使用寿命，并可解决由于工程实际运行规模与设计规模不一致带来的运行过程的偏差，对协调各工艺流程间匹配关系，起到重要的调节作用，因此变频调速技术在水处理厂的生产过程中得到越来越广泛的应用。    下面以城市污水处理为例，介绍一下水处理的基本流程。    (1)污水处理的基本流程    城市污水处理工艺按流程和处理程序划分，可分为预处理工艺、一级处理工艺、二级处理工艺、深度处理工艺和污泥处理工艺，以及最终的污泥处置。    ①一级处理工艺主要是初次沉淀池，目的是将污水中悬浮物尽可能地沉降去除。该部分设备主要是刮泥机，刮泥机基本是连续或间断匀速运行，一般不设变频装置。    ②二级处理工艺主要是由曝气池和二沉池组成，目的是通过微生物的新陈代谢将污水中的大部分污染物氧化分解成CO2和H2O。该部分作为污水处理厂的主要处理工段，组成较复杂，根据不同的工艺，设备选择也不尽相同。    ③深度处理工艺主要是为污水再利用于工业等特殊用途而进行的处理工艺。通常的处理工艺有混凝沉淀、过滤、加药加氯等，并设有出水泵站。深度处理和一般的净水厂工艺有相似之处，变频装置一般用在混凝沉淀池的刮泥机、滤站的反冲洗水泵及鼓风机、加氯加药间的加药泵、出水泵站的出水泵等。    ④污泥处理工艺及污泥处置主要包括污水厂污泥部分的浓缩、消化、脱水、堆肥或制肥、农用填埋等。污泥消化及污泥制肥在多数污水厂较少采用。    在上述各个阶段，可以选用变频器设备进行预处理的工艺通常有格栅处理、泵房抽升和沉砂处理。    格栅处理的目的是截留大块物质以保护后续水泵管线、设备的正常运行。一般均采用格栅除污机进行清污，尽管除污机可采用变频调速技术，实现除污速度的无极调节，但目前大部分污水处理厂均利用格栅前后的液位差值给出开关动作信号控制格栅除污机。    污水提升泵房的目的是提高水头，以保证污水可以靠重力流过后续建在地面上的各个处理构筑物。污水提升泵作为污水处理厂的重要耗能设备，其节能非常重要。污水提升泵采用变频调速装置，可根据进水流量的大小，进行调节，避免水泵的频繁启停，延长水泵寿命。需要注意的是，一般情况下，应使集水池保持高水位，以降低泵的扬程，在保证提升水量的同时降低能耗。    沉砂处理的目的是去除污水中裹携的砂、石与大块颗粒物，以减少它们在后续构筑物中的沉降，防止造成设施淤砂，影响功效，造成磨损堵塞，影响管线设备的正常运行。一般分为曝气沉砂池及旋流沉砂池。曝气沉砂池中设备一般为刮泥机及鼓风机，由于刮泥机运行速度很慢，一般只设双速电机运行；鼓风机为沉砂池曝气，使污水产生一定的旋流速度，以便于污水中的较大砂粒沉淀。根据工艺需要，可将沉砂池鼓风机设为变频调速，以调整曝气强度，可根据进入沉砂池的水量来调整转速。旋流沉砂池与曝气沉砂池道理一样，不是采用曝气方式产生旋流速度，而是直接采用搅拌器使水流产生旋转速度，一般可将搅拌器设为变频调速。    污泥处理厂新工艺比较多，随新工艺及新设备的投入，对控制精确度、运行经济等多方面的要求，需要变频调速装置控制的设备越来越多，这就要求设计人员需根据工艺过程的特点，认真选择，既要做到运行安全、经济、节能，又要考虑投资的经济合理。    (2)污水处理厂变频器选择    ①变频器容量选择    一般污水处理装置是连续运转的。由于变频器传给电动机的是脉冲电流，其脉动值比工频供电时的电流要大，因此须将变频器的容量留有适当的余量。此时，变频器应同时满足以下三个条件：    PCN≥KPMηcosΦ(KV·A)    ICN≥KIM (A)    PCN≥3KUMIM×10-3 (KV·A)    式中，PM、η、cosΦ、UM、IM分别为电动机输出功率、效率（取0.85）、功率因数（取0.75）、电压(V)、电流(A)；K：电流波形的修正系数（PWM方式取1.05～1.1）；PCN：变频器的额定容量(KVA)；IC：变频器的额定电流(A)。    ②变频器控制方式    众所周知，污水泵消耗功率与转速的三次方成正比，即P=Kn3。P为污水泵消耗功率；n为污水泵运行时的转速；K为比例系数。而污水泵设计是按工频运行时设计的，由于用了变频技术及微机技术的智能控制，因此可以使污水泵运行的转速随流量的变化而变化，最终达到节能的目的。实践证明，使用变频设备可使水泵运行平均转速比工频转速降低20%，从而大大降低能耗，节能率可达20%~40%。此系统要求根据进水量的变化自动调节系统的运行参数，所以这种工作方法是自动调频方式，是一种闭环控制环节。    ③变频器的功能实现    由于内置专用PID调节器，只需液位传感器，即方便地组成闭环控制系统。传感器反馈的液位信号直接送入变频器自带的PID调节器输入口，而液位设定既可以使用变频器的键盘设定，也可以采用一只电位器以模拟量的形式送入。每日可设定多段液位运行，以适应液位的需要，面板可以直接显示液位反馈值。这样，就可根据进水液位的变化自动控制调节系统的运行参数，以满足生产运行要求。变频泵循环方式可以控制3台泵，系统以“先开先关”的顺序关泵，便于实现污水泵房自动控制。工作泵与备用泵可自动定时轮换。可以有效地防止因备用泵长期不用而发生锈死现象．提高了设备的综合利用率，降低了维护费用。夜间污水量急剧减少时．可指定起始／停止时刻，并可设定液位给定值，让泵自动退出工作。    污水处理装置潜污泵在使用了变频器以后，不但免去了许多繁琐的人工操作，减少了污水超排的污染，并使系统始终在一种节能状态下运行，检修次数大幅降低，同时又增加了设备的使用寿命，更好地适应了生产需要。    (3)软启动器的选用    对于大中型机组，如果没有很高的调速特性要求，也可以采用软启动器替代变频器。软启动器(Soft Starter)是一种集电机软启动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的电机控制装置。软启动器采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现了平滑启动，降低了启动电流，避免启动过流跳闸。待电机达到额定转数时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。    (4)污水处理厂变频器使用中应注意的一些问题    a．变频器选择中，应按电动机的额定功率及额定电流、额定电压综合考虑，合理选择变频器的参数，与用电设备配套。另外还要考虑变频器电缆的传输距离，在长距离传输时需要增加出线电抗器、出线滤波器等其他一些附件。    b．污水厂除了水泵、风机等设备外，还有一些如转碟、表曝机等需要较大启动力矩的重载起动设备，一般变频器分水泵风机类负载及恒转矩类负载两种，选择变频器时需单独考虑。    c．现在大部分生产厂商的变频器均采用电压源型，功率因数较高，可保证在0. 95以上，在实际应用中还应同时考虑功率因数补偿，电压源型可不需额外增加补偿装置。但也有些生产厂变频器为电流源型，变频设备随电机转速的变化，功率因素变化幅度较大，需要考虑补偿电容。    d．大型电动机变频装置，特别是高压变频装置向电网注入谐波分量应按国家《电能质量公用电网谐波》管理标准GB/T 14549-93严格执行，特殊情况还需另行提出要求。选用时应选择相关附件，并对生产厂提出具体要求。此外，由于变频器产生高次谐波，对补偿电容的影响较大，需选择带电抗器的电容器，最好选择带消谐装置的电容器组。变频器安装及接线中，应严格按照产品安装使用手册进行，并采取相应的辅助措施进行保护。    e．污水厂控制的参数较多，需综合各种信息综合确定控制模型，变频装置应充分考虑与其他控制系统数据和信息通信的能力，以更好监测变频器的各种工况及更合理的控制，充分发挥各种装置在同一系统中综合应用的潜能，达到动态、互补、经济运行的目的。