變頻器在污水處理廠電氣改造中的應用

沈勤 賈利明 黃國賢

摘要：文章論述了鹽倉污水處理廠中控系統和調節池水泵的運行控制方式，運用中控系統可編程控制器和變頻器對原有Y-△水泵控制方式的改造，改變了鹽倉污水處理廠調節池原先對進水水量不易調節，生產工藝受沖擊的局限性，同時有效地延長了設備的使用壽命，并節約了電能。

關鍵詞：中控系統；相對“恒液位”控制方式；變頻器；污水處理；電氣改造；調節池水泵

中圖分類號：X505文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2012）03-0134-02

鹽倉污水處理廠原有水泵控制系統采用Y-△控制，現場控制柜手動/遠程/自動切換。當暴雨天水量很大的時候，調節池水位上升很快，只有將備用水泵投入運行才能平衡液位，但是三臺水泵同時長時間運行將會使高位井溢水，通過關小出水蝶閥開啟角度的方式調節水量的方法雖然可行，但有大量的電能浪費在水泵閥門阻力的損失上，增加操作人員的勞動強度，縮短了水泵的使用壽命。針對目前存在的這一問題，決定對原有水泵控制系統進行變頻

改造。

一、鹽倉污水處理廠中控系統簡介

鹽倉污水處理廠中控系統采用SIEMENS PCS7過程控制系統。監視系統采用SIMATIC Wincc組態軟件，操作系統采用Microsoft Windows 2000 Professional中文版操作系統。數據庫采用Microsoft QSL Server 2000中文版軟件。工業自動化系統(AS)的中央處理器采用S7-400系列工業控制器中S-414-3 CPU，PCS7采用SIMATIC NET工業通訊網絡結構，擁有豐富靈活的網絡層級，現場總線采用PROFIBUS雙光纖冗余環網的網絡結構，系統級采用高速工業以太網系統總線。分布式I/O采用冗余設計或PN接口的ET200分布式I/O。工程組態系統完成系統內的硬件和現場設備組態、通訊網路組態、順序控制過程控制組態和操作監

控組態，運用SIMATIC程序管理器組態工具進行管理、處理、歸檔。

二、變頻器采用相對“恒液位”控制方式控制水泵啟停

1．相對“恒液位”概念是指當進水泵房提升至調節池的水量增大時，水泵出水流量相應增大。當調節池水位逐漸下降時，水泵出水流量相應降低。這樣一來進水和出水水量保持一致，調節池的水位就會保持在理想的穩定不變狀態。但實際運行中由于進水泵房水量波動較大，調節池的液位還是會在一定的區間范圍波動，但是波動相對平穩。

2．相對“恒液位”控制方式。首先設定基準液位（2米）作為3#水泵變頻啟動液位，根據現場液位計采集的液位信號不斷上升時，變頻器頻率逐漸增大至50Hz，在中控系統上位機界面設置系數偏移對話框，即（實際液位-2m）*系數=變頻自動控制設定值，當變頻控制設定值與變頻控制實際值差值大于5%時工頻啟動1#或者2#水泵運行。1#、2#水泵的啟動順序以累積運行時間較短的先啟動。3#變頻泵運行頻率逐漸下降，當實際控制值與設定控制值十分接近時，3#變頻泵運行頻率保持穩定。當水位繼續上升，3#水泵變頻器頻率繼續增大至50Hz，當設定值與實際值偏差再次大于5%時再工頻啟動剩余的一臺水泵，此時三臺水泵全部投入運行，3#變頻泵運行頻率逐漸下降至穩定頻率運行，水位繼續上升，3#水泵變頻器頻率逐漸增大至50Hz，此時提升流量為最大值。

調節池水位下降時的水泵運行狀態正好與水位上升時相反。

通過下面一個智能的控制界面，進行變頻控制和工頻控制的隨意切換，在變頻控制時可以通過系數的設定達到智能控制目的。

三、水泵變頻控制設計

原先調節池三臺水泵只用兩套控制柜，一套控制柜采用軟啟動器控制一臺水泵，其他一套控制柜采用Y-△方式控制兩臺水泵。現在原來的基礎上再增加一套變頻控制柜控制一臺水泵，實現三套電控柜分別控制三臺水泵。其中1#水泵Y-△啟動方式，2#水泵軟啟動方式，3#水泵變頻啟動控制方式。新增變頻控制柜采用ABB ACS510變頻器控制潛水排污泵，變頻器調用手動/自動應用宏，參數設置9902值為5。當狀態為手動時，變頻器可通過現場控制柜面板上的電位器進行手動調頻。當狀態為自動（遠程）時，變頻器通過中控系統PLC內設置PID比例調節進行相對“恒液位”自動調頻，也可以設定任意固定頻率進行水泵的流量控制。變頻器輸出信號有電流和頻率檢測型號以及運行和故障信號，并由上位機進行信號的采集監視和控制。

四、水泵變頻控制節能原理和節能效果

由流體力學可知，P(功率)=Q(流量)×H(壓力)，流量Q與轉速N的一次方成正比，壓力H與轉速N的平方成正比，功率P與轉速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，當要求調節流量下降時，轉速N可成比例的下降，而此時軸輸出功率P成立方關系下降。即水泵電機的耗電功率與轉速近似成立方比的關系。

表1鹽倉污水廠調節池3#提升泵實測頻率、轉速、電流、流量參數表

上述表1各類參數為中控室監視電腦讀取的數值，3#水泵由于長時間不間斷運行葉輪磨損或者間隙變大的原因使其流量有所下降，2#、3#水泵的實測流量在1250m3/噸/小時。（p1/p）%欄是水泵運行在不同頻率階段的軸功率與工頻時軸功率的比值，當水泵頻率運行在41Hz時，其實際功率是工頻運行時的56%，節能效果是顯而易見的。當設定固定流量2100噸/小時進水時（該值為鹽倉污水廠二期日均處理量），此時可以設置3#水泵在44Hz運行和1#泵在工頻運行的組合方式，此時3#水泵消耗的電能為工頻運行時的66%，相當于每小時節電15kW，24小時節電400千瓦，一年節電14.6萬千瓦，節能降耗和經濟效應相當可觀。

五、調節池水泵變頻改造取得的效果和存在的不足之處

1．運用相對“恒液位”的流量控制方式能夠實現進水流量的平穩控制，流量曲線相對平滑。

2．變頻調速方式可以實現寬幅調節流量的作用，通過設定任意的頻率值可以實現精確的控制水泵流量的大小，特別是在暴雨天水量特備大的時候，可以設定水泵長時間運行在允許的高流量范圍內運行而不會使高位井溢水，提高了污水廠抗沖擊的能力。

3．變頻調速在節約能源方面效果很突出，投資回報率高。降低了設備損耗和維修成本，有效地延長了設備的使用壽命。

4．存在的不足之處主要是當采用相對“恒液位”的流量控制方式，進水流量是時時刻刻在變化的，生化池內的溶解氧受水量的變化也會發生變化，而鹽倉污水處理廠溶解氧采用人工調節的方式進行控制的，調節控制較困難，容易發生問題。今后將努力研究相對“恒流量”的控制方式實現水泵進水系統的自動運行。

六、結語

該變頻改造項目自2011年5月份改造完成至今，系統總體運行穩定可靠，故障率基本為零。系統自動化程度較高，減少了人工操作，受到了一致的

好評。

參考文獻

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（責任編輯：葉小堅）