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工业用的水处理设备是如何节能改造的？
来源：http://www.xamz.com.cn/发布时间：2019年11月27日
本文针对污水处理泵类设备存在着工频运行阀门控制流量的运行方式造成电能、设备与材料浪费的现状进行分析研究，采取科学的方式进行技术改造。应用变频控制设备、软启动控制器与可编程序控制器和组态王软件有机结合，实现智能化自动控制功能，替代现有的继电控制，提高电能利用率以及降低操作人员的劳动强度。
1现状分析研究
污水处理设备设施自投入运行以来，负荷大都在22千瓦以上，设备共计27台，其中有20台未使用变频器，系统采用工频定速全电压运行。根据水处理工艺要求，水泵流量需要不断调整，可现有继电控制方式紧靠调节阀门开度来控制流量。阀门开度小时会导致：节流间隙小，流速大，冲刷严重，阀的寿命降低。流速、压力变化过激时，会导致阀门稳定性差，甚至冲产生震荡。开度过小时，有损阀芯密封。管路和阀门的密封性能差或遭到破坏，会出现泄漏，维护量增加，经济性降低。同时有些阀不适合小开度工作，开度小时，会发生跳开现象，无法准备控制流量。由于水泵平时均是全电压运行，电能浪费尤为严重，每年仅电费消耗就65万元。2012年以来我们进行了大量的泵类变频改造。通过调整电动机电源频率，调整电机即水泵的转速，从而达到调节给水流量和水泵扬程的目的。取代因环境所造成的较高故障率的阀门控制方式。节能20%～60%，降低设备磨损，减少备品备件的投资，提高控制精度，延长设备使用寿命。
2控制分析
2.1通用变频器的基本工作原理
变频器是把电压、频率固定的交流电变换成电压、频率可调的交流电的变换器。
工频电网的对称三相正弦交流电接入变频器的输入端，经过不可控整流或可控整流环节变换为直流电。通过控制电路来控制逆变器的输出，从而改变了变频器的输出电压与频率达到调整电机、水泵转速的目的。
2.2异步电动机变频调速原理
异步电动机的转速n、电源频率f、电机转差率s、电机磁极对数p，参数关系：n=60f（1-s）/p。对于成品电机，其极对数p已确定，转差率s变化不大，则电机的转速n与电源频率f成正比，改变输入电源的频率可改变电机的转速，从而达到异步电动机调速的目的。变频器是通过改变电源的频率f来改变电动机转速的，从而实现电动机节能降耗。
2.3水泵变频控制特点
水泵流量Q与转速n关系：Q1/Q2=n1/n2；电动机的转速n与电源频率关系：n=60f（1-s）/p；扬程H与转速n关系：H1/H2=（n1/n2）2；功率P与转速关系：P1/P2=（n1/n2）3；由此以上关系可看出流量与频率成正比，扬程与频率的二次方成正比。因此改变电动机电源频率，可改变电机即水泵的转速，从而达到调节给水流量和水泵扬程的目的。
2.4水泵調速的节电原理
采用交流变频技术控制水泵的运行，是目前节能改造的有效途径之一。从水泵调速扬程特性曲线可以看出：用阀门控制时，当流量要求从Q减小Q1时，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，则阻力曲线从R移到R1，扬程从H0上升到H1，运行工况点从A移到B点。用调速控制时，当流量要求从Q减小Q1时，由于阻力曲线R不变，泵的特性取决于转速。如果把转速从N100降至N80，运行工况从A移到C点，扬程从H0降至H2。特性曲线公式：P=QHr/102η，ΔP=Q1（H1-H2）r/102η，用阀门控制流量时，有ΔP功率被损耗浪费掉了，且随阀门不断关小，这个损耗还要增加。而用转速控制时，根据流量、扬程、功率、转速的关系，功率与转速成3次方的关系下降。如果不用关小阀门的方式，而是把电机转速降下来，那么在同样流量的情况下，原来消耗在阀门的功率就可以全避免。用变频器调速的方法来减少水泵流量进行节能改造的经济效益是十分显著的。
2.5污泥回流泵继电控制
污泥回流泵改造前采用工频定速全压运行，流量紧靠调节阀门开度来控制，阀门开度小时会导致：节流间隙小，流速大，冲刷严重，阀的寿命降低。流速、压力变化过激时，会导致阀门稳定性差，甚至冲产生震荡。开度过小时，有损阀芯密封。管路和阀门的密封性能差或遭到破坏，会出现泄漏，维护量增加，经济性降低。同时有些阀不适合小开度工作，开度小时，会发生跳开现象，无法准备控制流量。由于水泵平时均是全电压运行，电能浪费尤为严重。2012年以来我们进行了大量的泵类变频改造。通过调整电动机电源频率，调整电机即水泵的转速，从而达到调节给水流量和水泵扬程的目的。取代因环境所造成的较高故障率的阀门控制方式。节能20%～60%，降低设备磨损，减少备品备件的投资，提高控制精度，延长设备使用寿命。
污泥回流泵采用PLC可编程控制器集中继电控制与手动控制和远方控制相结合，全压运行，由阀门控制流量。
2.6软起动器（晶闸管）的工作原理及主要特点
软起动器的工作原理是在主回路的每一相串接一个双向大功率晶闸管或两个反并联单向大功率晶闸管作为电子开关调压元件，通过软起动器的中中央控制器（单片机），控制其触发延迟角（α）来改变晶闸管的导通时刻，实现输出电压的平稳升降和主回路的无触点通断，从而改变了加到定子绕组的三相平均电压的大小。整个起动和停止过程是在数字化程序软件控制下自动进行，实现了电动机的无级平滑启动。因此，软起动器具备了很强的功能和灵活性，可根据负载的需要选择不同的参数设定。
3技术改造方案
污水处理有许多泵类设备，节能潜力大，泵类设备在矿井水处理系统中起到关键的作用。根据现在的继电控制系统选择合适的变频改造方案，下面针对具体设备案例简单介绍改造过程。
3.1污泥回流泵变频控制 为节能降耗的需要，随对其进行了变频改造。选用ABB系列变频器ACS510-01-157A-4一台，塑料外壳式断路器DZ20Y-100/330040A一个，欧姆龙小型继电器AC220V一个。
为了节约资金和降低操作人员的工作量，提高可操作性，同时又保证控制系统的完整性，保留了原有的各种控制功能。由于污泥回流流量在处理工艺中相对比较固定，采取通过人为的从人机界面中设定所需频率。
变频控制改造后，由于频率、转速、流量存在一定的关系，可通过调频率来改变转速，从而改变流量，保证了系统以稳定的流量平稳运行。阀门基本可处于全开状态，杜绝了堵塞现象。系统正常运行以来，运行稳定，大大降低了维修量。
3.2反冲洗泵软起动控制
根据具体设备的运行工艺要求，对于不适宜变频调速的反冲洗水泵采用了软启动控制器。它具有体积小、重量轻、控制方便且精度高，是一种集电动机软起动、软停车、轻载节能和多功能保护于一体的电动机控制装置。软启动器的应用降低了电能的消耗与维修操作人员的劳动强度。
污水处理站有2台55kw反冲洗水泵，1台工作1台备用。在电机运行负载功率在80%以上时，选用软启动器是最好、最实用、最省钱的。由于该负荷为水泵类且在水处理工艺中运行次数及时间较少，所以采用性价比较优的ABBPSS85/147-500L型软启动器。塑料外壳式断路器DZ20Y-100/3300100A。正常运行以来，基本免于维护。
使用软启动器启动电机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直至晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。待电机到达额定转数时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供正常额定电压，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，使电网避免了谐波污染。软启动器同时提供停车功能，软停车和软启动过程相反，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。
根据负载特性、电源容量及原理图的控制要求设定技术参数，启动时电压提升时间为6S；选择初始电压为40%；因为我们采用的是电动机外接的方式，所以将连接选择开关S1置于外接位置上。然后进行设备启动试验，当按下启动按钮后电动机开始启动运行，经过6S的电压提升时间，旁路接触器闭合电动机全压运行。检查发现软起动器故障信息指示灯点亮，按下停止按钮后电动机正常停车。经过检查发现软起动器停止时电压下降的速度设定在5S，根据原理图分析在软起动器全压切换时旁路接触器给软起动器停止信号后直接切断了软起动器的负荷，软起动器则认为电动机故障。将此参数设定为0S后故障排除，设备正常启动运行。由此可见在软起动器使用过程中应仔细分析控制环境因素，做到参数设定准确方可正常使用。
由于电机启动特性，电机直接连接供电系统启动（硬启动），将会产生高达电机额定电流5-7倍的浪涌（冲击）电流，使得供电系统和串联的开关设备过载。直接启动也会产生较高的峰值转矩。冲击电流不但会对驱动电机产生冲击，也会使机械装置受损，还会影响接在同一电网的其他电气设备正常工作。
软启动器在电机启动时通过改变加在电机上的电源电压，以减少启动电流和启动转矩来实现电动机的软起。软启动的限流特性可有效限值冲击电流，避免不必要的冲击力矩以及对配电电网的电流冲击，有效地减少线路刀闸和接触器的误触发动作；对频繁启停的电动机，可有效控制电动机的温升，大大延长电动机的寿命。因此软启动器既能改变电动机的启动特性保护拖动系统，更能保护电动机可靠启动，又能降低启动冲击。
3.3提高系统稳定性
为了进一步提高自动化程度以及系统稳定性，重新做了信号传输线的抗干扰处理，更换了部分抗干扰能力差的液位变送器，并对原有PLC程序进行了修改、完善、写入、调试。
4结语
污水处理设备大都是高能耗设备设施，高能耗设备设施造成了污水处理成本高，因此，采用变频、软启动控制技术对污水处理设备设施进行技术改造是必然趋势。
变频器与软起动器的应用减小了对设备的冲击，维护和维修量也跟随降低，运行成本大大降低，产生了可观的经济效益。该项目的实施顺应了节能降耗的企业之本，对全矿的推广有著十分重要的意义。
经济效益和社会效益：水处理成本包括设备折旧、材料消耗、人工工资、药品消耗、电能消耗，其中电能消耗所占比例最大，所以机电设备的运行工况尤为重要。项目实施后，经济效益和社会效益显著。
经济效益：该项目自2014年10月底实施至2016年3月底结束。从日常运行记录表上可以看出，同期电耗每月节约近1.6万kW.h电量，全年节约近19万kW.h电量，按0.6元/kW.h，全年将节约电费19×0.6=11.4万元。同时，机电设备运行工况的改善降低了维修维护量和材料的消耗，产生的间接经济效益也是十分可观的。
社会效益：节约了电能资源，改变了水处理行业的高耗能形象。促进了矿井节能减排的奋斗目标，为我矿吨煤成本的进一步降低做出了贡献；降低了震动和噪声，降低了职工劳动强度，改善了职工工作环境，进一步体现了以人为本的企业理念。
1现状分析研究
污水处理设备设施自投入运行以来，负荷大都在22千瓦以上，设备共计27台，其中有20台未使用变频器，系统采用工频定速全电压运行。根据水处理工艺要求，水泵流量需要不断调整，可现有继电控制方式紧靠调节阀门开度来控制流量。阀门开度小时会导致：节流间隙小，流速大，冲刷严重，阀的寿命降低。流速、压力变化过激时，会导致阀门稳定性差，甚至冲产生震荡。开度过小时，有损阀芯密封。管路和阀门的密封性能差或遭到破坏，会出现泄漏，维护量增加，经济性降低。同时有些阀不适合小开度工作，开度小时，会发生跳开现象，无法准备控制流量。由于水泵平时均是全电压运行，电能浪费尤为严重，每年仅电费消耗就65万元。2012年以来我们进行了大量的泵类变频改造。通过调整电动机电源频率，调整电机即水泵的转速，从而达到调节给水流量和水泵扬程的目的。取代因环境所造成的较高故障率的阀门控制方式。节能20%～60%，降低设备磨损，减少备品备件的投资，提高控制精度，延长设备使用寿命。
2控制分析
2.1通用变频器的基本工作原理
变频器是把电压、频率固定的交流电变换成电压、频率可调的交流电的变换器。
工频电网的对称三相正弦交流电接入变频器的输入端，经过不可控整流或可控整流环节变换为直流电。通过控制电路来控制逆变器的输出，从而改变了变频器的输出电压与频率达到调整电机、水泵转速的目的。
2.2异步电动机变频调速原理
异步电动机的转速n、电源频率f、电机转差率s、电机磁极对数p，参数关系：n=60f（1-s）/p。对于成品电机，其极对数p已确定，转差率s变化不大，则电机的转速n与电源频率f成正比，改变输入电源的频率可改变电机的转速，从而达到异步电动机调速的目的。变频器是通过改变电源的频率f来改变电动机转速的，从而实现电动机节能降耗。
2.3水泵变频控制特点
水泵流量Q与转速n关系：Q1/Q2=n1/n2；电动机的转速n与电源频率关系：n=60f（1-s）/p；扬程H与转速n关系：H1/H2=（n1/n2）2；功率P与转速关系：P1/P2=（n1/n2）3；由此以上关系可看出流量与频率成正比，扬程与频率的二次方成正比。因此改变电动机电源频率，可改变电机即水泵的转速，从而达到调节给水流量和水泵扬程的目的。
2.4水泵調速的节电原理
采用交流变频技术控制水泵的运行，是目前节能改造的有效途径之一。从水泵调速扬程特性曲线可以看出：用阀门控制时，当流量要求从Q减小Q1时，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，则阻力曲线从R移到R1，扬程从H0上升到H1，运行工况点从A移到B点。用调速控制时，当流量要求从Q减小Q1时，由于阻力曲线R不变，泵的特性取决于转速。如果把转速从N100降至N80，运行工况从A移到C点，扬程从H0降至H2。特性曲线公式：P=QHr/102η，ΔP=Q1（H1-H2）r/102η，用阀门控制流量时，有ΔP功率被损耗浪费掉了，且随阀门不断关小，这个损耗还要增加。而用转速控制时，根据流量、扬程、功率、转速的关系，功率与转速成3次方的关系下降。如果不用关小阀门的方式，而是把电机转速降下来，那么在同样流量的情况下，原来消耗在阀门的功率就可以全避免。用变频器调速的方法来减少水泵流量进行节能改造的经济效益是十分显著的。
2.5污泥回流泵继电控制
污泥回流泵改造前采用工频定速全压运行，流量紧靠调节阀门开度来控制，阀门开度小时会导致：节流间隙小，流速大，冲刷严重，阀的寿命降低。流速、压力变化过激时，会导致阀门稳定性差，甚至冲产生震荡。开度过小时，有损阀芯密封。管路和阀门的密封性能差或遭到破坏，会出现泄漏，维护量增加，经济性降低。同时有些阀不适合小开度工作，开度小时，会发生跳开现象，无法准备控制流量。由于水泵平时均是全电压运行，电能浪费尤为严重。2012年以来我们进行了大量的泵类变频改造。通过调整电动机电源频率，调整电机即水泵的转速，从而达到调节给水流量和水泵扬程的目的。取代因环境所造成的较高故障率的阀门控制方式。节能20%～60%，降低设备磨损，减少备品备件的投资，提高控制精度，延长设备使用寿命。
污泥回流泵采用PLC可编程控制器集中继电控制与手动控制和远方控制相结合，全压运行，由阀门控制流量。
2.6软起动器（晶闸管）的工作原理及主要特点
软起动器的工作原理是在主回路的每一相串接一个双向大功率晶闸管或两个反并联单向大功率晶闸管作为电子开关调压元件，通过软起动器的中中央控制器（单片机），控制其触发延迟角（α）来改变晶闸管的导通时刻，实现输出电压的平稳升降和主回路的无触点通断，从而改变了加到定子绕组的三相平均电压的大小。整个起动和停止过程是在数字化程序软件控制下自动进行，实现了电动机的无级平滑启动。因此，软起动器具备了很强的功能和灵活性，可根据负载的需要选择不同的参数设定。
3技术改造方案
污水处理有许多泵类设备，节能潜力大，泵类设备在矿井水处理系统中起到关键的作用。根据现在的继电控制系统选择合适的变频改造方案，下面针对具体设备案例简单介绍改造过程。
3.1污泥回流泵变频控制 为节能降耗的需要，随对其进行了变频改造。选用ABB系列变频器ACS510-01-157A-4一台，塑料外壳式断路器DZ20Y-100/330040A一个，欧姆龙小型继电器AC220V一个。
为了节约资金和降低操作人员的工作量，提高可操作性，同时又保证控制系统的完整性，保留了原有的各种控制功能。由于污泥回流流量在处理工艺中相对比较固定，采取通过人为的从人机界面中设定所需频率。
变频控制改造后，由于频率、转速、流量存在一定的关系，可通过调频率来改变转速，从而改变流量，保证了系统以稳定的流量平稳运行。阀门基本可处于全开状态，杜绝了堵塞现象。系统正常运行以来，运行稳定，大大降低了维修量。
3.2反冲洗泵软起动控制
根据具体设备的运行工艺要求，对于不适宜变频调速的反冲洗水泵采用了软启动控制器。它具有体积小、重量轻、控制方便且精度高，是一种集电动机软起动、软停车、轻载节能和多功能保护于一体的电动机控制装置。软启动器的应用降低了电能的消耗与维修操作人员的劳动强度。
污水处理站有2台55kw反冲洗水泵，1台工作1台备用。在电机运行负载功率在80%以上时，选用软启动器是最好、最实用、最省钱的。由于该负荷为水泵类且在水处理工艺中运行次数及时间较少，所以采用性价比较优的ABBPSS85/147-500L型软启动器。塑料外壳式断路器DZ20Y-100/3300100A。正常运行以来，基本免于维护。
使用软启动器启动电机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直至晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。待电机到达额定转数时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供正常额定电压，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，使电网避免了谐波污染。软启动器同时提供停车功能，软停车和软启动过程相反，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。
根据负载特性、电源容量及原理图的控制要求设定技术参数，启动时电压提升时间为6S；选择初始电压为40%；因为我们采用的是电动机外接的方式，所以将连接选择开关S1置于外接位置上。然后进行设备启动试验，当按下启动按钮后电动机开始启动运行，经过6S的电压提升时间，旁路接触器闭合电动机全压运行。检查发现软起动器故障信息指示灯点亮，按下停止按钮后电动机正常停车。经过检查发现软起动器停止时电压下降的速度设定在5S，根据原理图分析在软起动器全压切换时旁路接触器给软起动器停止信号后直接切断了软起动器的负荷，软起动器则认为电动机故障。将此参数设定为0S后故障排除，设备正常启动运行。由此可见在软起动器使用过程中应仔细分析控制环境因素，做到参数设定准确方可正常使用。
由于电机启动特性，电机直接连接供电系统启动（硬启动），将会产生高达电机额定电流5-7倍的浪涌（冲击）电流，使得供电系统和串联的开关设备过载。直接启动也会产生较高的峰值转矩。冲击电流不但会对驱动电机产生冲击，也会使机械装置受损，还会影响接在同一电网的其他电气设备正常工作。
软启动器在电机启动时通过改变加在电机上的电源电压，以减少启动电流和启动转矩来实现电动机的软起。软启动的限流特性可有效限值冲击电流，避免不必要的冲击力矩以及对配电电网的电流冲击，有效地减少线路刀闸和接触器的误触发动作；对频繁启停的电动机，可有效控制电动机的温升，大大延长电动机的寿命。因此软启动器既能改变电动机的启动特性保护拖动系统，更能保护电动机可靠启动，又能降低启动冲击。
3.3提高系统稳定性
为了进一步提高自动化程度以及系统稳定性，重新做了信号传输线的抗干扰处理，更换了部分抗干扰能力差的液位变送器，并对原有PLC程序进行了修改、完善、写入、调试。
4结语
污水处理设备大都是高能耗设备设施，高能耗设备设施造成了污水处理成本高，因此，采用变频、软启动控制技术对污水处理设备设施进行技术改造是必然趋势。
变频器与软起动器的应用减小了对设备的冲击，维护和维修量也跟随降低，运行成本大大降低，产生了可观的经济效益。该项目的实施顺应了节能降耗的企业之本，对全矿的推广有著十分重要的意义。
经济效益和社会效益：水处理成本包括设备折旧、材料消耗、人工工资、药品消耗、电能消耗，其中电能消耗所占比例最大，所以机电设备的运行工况尤为重要。项目实施后，经济效益和社会效益显著。
经济效益：该项目自2014年10月底实施至2016年3月底结束。从日常运行记录表上可以看出，同期电耗每月节约近1.6万kW.h电量，全年节约近19万kW.h电量，按0.6元/kW.h，全年将节约电费19×0.6=11.4万元。同时，机电设备运行工况的改善降低了维修维护量和材料的消耗，产生的间接经济效益也是十分可观的。
社会效益：节约了电能资源，改变了水处理行业的高耗能形象。促进了矿井节能减排的奋斗目标，为我矿吨煤成本的进一步降低做出了贡献；降低了震动和噪声，降低了职工劳动强度，改善了职工工作环境，进一步体现了以人为本的企业理念。
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