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奧卓科技 節能專(zhuān)家
一、概述
城市生活污水處理自200年前工業(yè)革命以來(lái)，越來(lái)越受到人們的重視。城市污水處理率已成為一個(gè)地區文明與否的一個(gè)重要標志。近200年來(lái)，城市污水處理已從原始的自然處理、簡(jiǎn)單的一級處理發(fā)展到利用各種先進(jìn)技術(shù)、深度處理污水，并回用。處理工藝也從傳統活性污泥法、氧化溝工藝發(fā)展到A/O、A2/O、AB、SBR（包括CCAS工藝）等多種工藝，以達到不同的出水要求。我國城市污水處理相對于國外發(fā)達國家、起步較晚，目前城市污水處理率只有6.7%。在我們大力引起國外先進(jìn)技術(shù)、設備和經(jīng)驗的同時(shí)，必須結合我國發(fā)展，尤其是當地實(shí)際情況，探索適合我國實(shí)際的城市污水處理系統。
結合我國實(shí)際情況，參考國外先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗，建設城市污水處理廠(chǎng)應符以下幾個(gè)發(fā)展方向：
1 總投資省。
我國是一個(gè)發(fā)展中國家，經(jīng)濟發(fā)展所需資金非常龐大，因此嚴格控制總投資對國民經(jīng)濟大有益處。
2 運行費用低。
運行費用是污水處理廠(chǎng)能否正常運行的重要因素，是評判一套工藝優(yōu)劣的主要指標之一。
3 占地省。
我國人口眾多，人均土地資源極其緊缺。土地資源是我國許多城市發(fā)展和規劃的一個(gè)重要因素。
4 脫氮除磷效果。
隨著(zhù)我國大面積水體環(huán)境的富營(yíng)養化，污水的脫氮除磷已經(jīng)成為一個(gè)迫切的問(wèn)題。我國最新實(shí)施的國家《污水綜合排放標準》（GB8978-1996）也明確規定了適用于所有排污單位，非常嚴格地規定了磷酸鹽排放標準和氨氮排放標準。這就意味著(zhù)今后絕大多數城市污水處理廠(chǎng)都要考慮脫氮除磷的問(wèn)題。
5 現代先進(jìn)技術(shù)與環(huán)保工程的有機結合。
現代先進(jìn)技術(shù)，尤其是計算機技術(shù)和自控系統設備的出現和完善，為環(huán)保工程的發(fā)展提供了有力的支持。目前，國外發(fā)達國家的污水處理廠(chǎng)大都采用先進(jìn)的計算機管理和自控系統，保證了污水處理廠(chǎng)的正常運行和穩定的合格出水，而我國在這方面還比較落后。計算機控制和管理也必將是我國城市污水處理廠(chǎng)發(fā)展的方向。
二、污水處理工藝及變頻改造可行性與變頻節能原理
1 原污水處理系統工藝
為了選擇出工藝上最可靠，投資上最經(jīng)濟，管理上最方便的城市污水處理系統，結合當地的實(shí)際情況，我們調研了國內外污水處理廠(chǎng)的成熟經(jīng)驗和發(fā)展趨勢，并進(jìn)行了比較。 目前，國內外城市污水處理廠(chǎng)處理工藝大都采用一級處理和二級處理。
a 一級處理是采用物理方法：
主要通過(guò)格柵攔截、沉淀等手段去除廢水中大塊懸浮物和砂粒等物質(zhì)。這一處理工藝國內外都已成熟，差別不大。
b 二級處理則是采用生化方法：
主要通過(guò)微生物的生命運動(dòng)等手段來(lái)去除廢水中的懸浮性，溶解性有機物以及氮、磷等營(yíng)養鹽。目前，這一處理工藝有多種方法，歸結起來(lái)，有代表性的工藝主要有傳統活性污泥、氧化溝、A/O或A2/O工藝、SBR及CCAS工藝等。目前，這幾種代表工藝在國內外都有實(shí)際應用。
c 曝氣機和潛水泵是污水處理的核心設備，也是主要的運行耗能設備。
污水處理廠(chǎng)曝氣機的鼓風(fēng)機是全天候運轉的，曝氣機的主要作用就是向待處理污水中通入空氣，空氣中的氧融解在污水中，污水處理好壞在溶解氧部分,溶解氧濃度對處理結果有很大影響，溶解氧濃度太低，污水不能達標；溶解濃度太高，不僅浪費電能還可能使活性污泥上浮使出水也不能達標。溶解氧濃度主要靠鼓風(fēng)機通入的風(fēng)量來(lái)調節。
d 目前大部分鼓風(fēng)機的風(fēng)量調節是靠進(jìn)風(fēng)門(mén)及出風(fēng)門(mén)來(lái)調節的，對鼓風(fēng)機電機不做速度調節，此種調節方式節能有限，在不同的污水量及處理工藝的不同階段，隨然需要的風(fēng)量不一樣，但鼓風(fēng)機電機消耗的電能基本不變，造成極大的電能浪費。
2 變頻改造的可行性
隨著(zhù)交流變頻調速的日益普及，變頻器補廣泛應用于各行各業(yè)當中。曝氣機的鼓風(fēng)機加裝變頻器，鼓風(fēng)機變頻控制后，能隨時(shí)根據污水量、污水處理的不同工藝階段所需的風(fēng)量來(lái)調節鼓風(fēng)機轉速，從而控制供風(fēng)理，最終將曝氣池溶解氧的濃度控制在污水處理工藝所需值。變頻調速能是一項節電環(huán)保的技術(shù)，污水廠(chǎng)設備一般全天候運行，經(jīng)過(guò)變頻改造后節能效果可觀(guān)，運行穩定可靠，操作方便，能真正實(shí)現節能環(huán)保的目的。
3 變頻節能原理
隨著(zhù)科技的不斷發(fā)展，交流電機調速技術(shù)被廣泛采用。通過(guò)新一代全控型電子元件，用變頻器改變交流電機的轉速方式來(lái)進(jìn)行風(fēng)機流量的控制，可以大幅度減少以往機械方式調控流量造成的能量損耗。設A點(diǎn)為風(fēng)機最大工況點(diǎn)。當風(fēng)量需從Q1減少到Q2時(shí)，如果采用節流調節法，工況點(diǎn)由A到B，風(fēng)壓增加到H2，由圖中可看出軸功率P2下降，但減少的不太多。如果采用變頻調節方式，風(fēng)機工況點(diǎn)由A到C，可見(jiàn)在滿(mǎn)足同樣風(fēng)量Q2情況下，風(fēng)壓H3將大幅度下降，功率P3隨著(zhù)顯著(zhù)減少。節省的功率損耗△P＝△HQ2與圖中面積BH2H3C成正比。
a 由以上分析可知，變頻調節是一種高效的調節方式。鼓風(fēng)機采用變頻調節，不會(huì )產(chǎn)生附加壓力損失，節能效果顯著(zhù)，調節風(fēng)量范圍0％～100％，適合調節范圍寬，且經(jīng)常處于低負荷下運行的場(chǎng)合。但是，當風(fēng)機轉速下降，風(fēng)量減小時(shí)，風(fēng)壓將發(fā)生很大變化，由風(fēng)機比例定律：
Q1/Q2＝(n1/n2)，H1/H2＝(n1/n2)2，P1/P2＝(n1/n2)3可知當其轉速降低到原額定轉速的一半時(shí)，對應工況點(diǎn)的流量、壓力、軸功率各下降到原來(lái)的1/2、1/4、1/8，這就是變頻調節方式可以大幅度節電的原因。
① 假設將水泵轉速降低10%（輸出頻率45Hz時(shí)）,則功率
P2=（0.9）×P1=0.73P1,節電27%。
② 假設將水泵轉速降低20%（輸出頻率40Hz時(shí)）,則功率
P2=（0.8）3×P1=0.51P1,節電49%。
b 由于功率與轉速成三次方的關(guān)系，因此，轉速變化越大，功率的消耗將呈幾何級數減少。
c 按照GB12497《三相異步電動(dòng)機經(jīng)濟運行》強制性國家標準實(shí)施監督指南中的計算公式進(jìn)行節電分析，即：
風(fēng)機、泵類(lèi)，采用擋板調節流量對應電機輸入功率PL與流量Q 的系式中：Pe－額定流量時(shí)電機輸入功率KW
QN－額定流量式中：Ki為節電率、P1為節約功率可使用上式估算改造為的節電量。根據原工況，對采用入口導葉的風(fēng)機，在入口導葉小角度開(kāi)度節電效果和變頻器相差不大，即開(kāi)度為10%時(shí)與采用變頻控制節能效果相當不大可忽略不計。
4 實(shí)際產(chǎn)生經(jīng)濟價(jià)值及其估算
a 旁路開(kāi)度為30%，流量為70%時(shí)節電率估算：
1-（(0.7)3/0.45+0.55×(0.7)2）＝52%
b 原工頻每月每臺估算用電量：
160×0.7×24×30＝80640KWH
c 變頻改造后每臺每月節電量：
80640×52%＝41933 KWH
d 變頻改造后每臺每月節省電費：
41933×0.8＝ 33546.4元
結論：
每套變頻節能柜報價(jià)：19.2萬(wàn)無(wú)；投資回收周期：約 6 月
四、原設備運行工況
1 設備參數：
a 某污水處理廠(chǎng)有離心式鼓風(fēng)機一共3臺，
b 配套的三相異步電動(dòng)機型號為：Y2-315L1-2-160KW，2極電機，額定轉速2975RPM。
c 原啟動(dòng)方式為軟啟動(dòng)器（非變頻啟動(dòng)）。
2 污水處理中鼓風(fēng)機況
鼓風(fēng)機采用入口導葉、出口閥門(mén)、旁路放空閥調節風(fēng)量。工作時(shí)入口導葉開(kāi)度為10%，入口進(jìn)氣溫度為25.2度，壓力為0.1KPA；出口閥全開(kāi)，出口溫度91.7度，壓力為60KPA；出口處旁路放空閥開(kāi)度為30%。
3 啟動(dòng)電流對電動(dòng)機及設備的損害
電動(dòng)機采用降壓軟啟動(dòng)啟動(dòng)方式，這種方式雖然能降低啟動(dòng)電流對電動(dòng)機的損害，但由于鼓風(fēng)機慣性大，啟動(dòng)力矩要求較大，仍有高達額定電流2—3倍的啟動(dòng)電流，危害著(zhù)電動(dòng)機、水泵、單向閥、管路系統的使用壽命。
4 設備運行中的噪音、震動(dòng)、水錘等問(wèn)題
設備在啟動(dòng)、運行、停止的過(guò)程中，由于無(wú)法進(jìn)行及時(shí)有效的調節，會(huì )產(chǎn)生嚴重的水錘、機械噪音增加、震動(dòng)加劇等現象，這些現象都具有極大的破壞性，會(huì )引起管道破裂或癟塌、損壞閥門(mén)和固定件，并會(huì )增加進(jìn)線(xiàn)變壓器的負荷狀況。采用了變頻調節后，可以通過(guò)延長(cháng)升、降速時(shí)間來(lái)延長(cháng)起動(dòng)或停機的過(guò)程，即使在運行過(guò)程中，也可以通過(guò)對工作頻率點(diǎn)的選擇，跳過(guò)容易引起設備共震的工作點(diǎn)，從而使水泵葉片、單向閥、管路系統承受的應力大為減小，軸承的磨損也大大減輕，設備的工作壽命將大大延長(cháng)。
五、變頻改造方案
根據原設備工況，考慮可靠性及配置的靈活性，采用一拖一方案，每臺鼓風(fēng)機電機加裝一套變頻節能柜，保留原軟啟動(dòng)裝置，作為變頻控制柜故障時(shí)的備用裝置，以保證生產(chǎn)的萬(wàn)無(wú)一失。變頻控制柜內含變頻器、切換接觸器、指示表、指示燈及按鈕開(kāi)關(guān)等。
六、用戶(hù)受益
1 高效節能運行，節能效果可觀(guān)，投資回報周期短
變頻改造后，鼓風(fēng)機可根據工藝需要來(lái)調節供風(fēng)量，變頻調速后節約電能。
2 電機真正帶負載軟啟動(dòng)，減少沖擊。
使用變頻調節以后，由于使用了SPWM技術(shù)，實(shí)現了真正意義上的軟啟動(dòng)和緩沖停機，從根本上消除了啟動(dòng)電流對電動(dòng)機及其它設備的危害，大大延長(cháng)了設備的使用壽命。
3 延長(cháng)設備使用壽命
采用了變頻調節后，可以通過(guò)延長(cháng)升、降速時(shí)間來(lái)延長(cháng)起動(dòng)或停機的過(guò)程，即使在運行過(guò)程中，也可以通過(guò)對工作頻率點(diǎn)的選擇，跳過(guò)容易引起設備共震的工作點(diǎn)，從而使水泵葉片、單向閥、管路系統承受的應力大為減小，軸承的磨損也大大減輕，設備的工作壽命將大大延長(cháng)。
