变频器在污水处理厂电气改造中的应用

 摘要：文章论述了盐仓污水处理厂中控系统和调节池水泵的运行控制方式，运用中控系统可编程控制器和变频器对原有Y-△水泵控制方式的改造，改变了盐仓污水处理厂调节池原先对进水水量不易调节，生产工艺受冲击的局限性，同时有效地延长了设备的使用寿命，并节约了电能。 

　　关键词：中控系统；相对“恒液位”控制方式；变频器；污水处理；电气改造；调节池水泵 

　　中图分类号：X505 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）03-0134-02 　 

　　盐仓污水处理厂原有水泵控制系统采用Y-△控制，现场控制柜手动/远程/自动切换。当暴雨天水量很大的时候，调节池水位上升很快，只有将备用水泵投入运行才能平衡液位，但是三台水泵同时长时间运行将会使高位井溢水，通过关小出水蝶阀开启角度的方式调节水量的方法虽然可行，但有大量的电能浪费在水泵阀门阻力的损失上，增加操作人员的劳动强度，缩短了水泵的使用寿命。针对目前存在的这一问题，决定对原有水泵控制系统进行变频 

　　改造。 

　　一、盐仓污水处理厂中控系统简介 

　　盐仓污水处理厂中控系统采用SIEMENS PCS7过程控制系统。监视系统采用SIMATIC Wincc组态软件，操作系统采用Microsoft Windows 2000 Professional中文版操作系统。数据库采用Microsoft QSL Server 2000中文版软件。工业自动化系统(AS)的中央处理器采用S7-400系列工业控制器中S-414-3 CPU，PCS7采用SIMATIC NET工业通讯网络结构，拥有丰富灵活的网络层级，现场总线采用PROFIBUS双光纤冗余环网的网络结构，系统级采用高速工业以太网系统总线。分布式I/O采用冗余设计或PN接口的ET200分布式I/O。工程组态系统完成系统内的硬件和现场设备组态、通讯网路组态、顺序控制过程控制组态和操作监 

　　控组态，运用SIMATIC程序管理器组态工具进行管理、处理、归档。 

　　二、变频器采用相对“恒液位”控制方式控制水泵启停 

　　1．相对“恒液位”概念是指当进水泵房提升至调节池的水量增大时，水泵出水流量相应增大。当调节池水位逐渐下降时，水泵出水流量相应降低。这样一来进水和出水水量保持一致，调节池的水位就会保持在理想的稳定不变状态。但实际运行中由于进水泵房水量波动较大，调节池的液位还是会在一定的区间范围波动，但是波动相对平稳。 

　　2．相对“恒液位”控制方式。首先设定基准液位（2米）作为3#水泵变频启动液位，根据现场液位计采集的液位信号不断上升时，变频器频率逐渐增大至50Hz，在中控系统上位机界面设置系数偏移对话框，即（实际液位-2m）*系数=变频自动控制设定值，当变频控制设定值与变频控制实际值差值大于5%时工频启动1#或者2#水泵运行。1#、2#水泵的启动顺序以累积运行时间较短的先启动。3#变频泵运行频率逐渐下降，当实际控制值与设定控制值十分接近时，3#变频泵运行频率保持稳定。当水位继续上升，3#水泵变频器频率继续增大至50Hz，当设定值与实际值偏差再次大于5%时再工频启动剩余的一台水泵，此时三台水泵全部投入运行，3#变频泵运行频率逐渐下降至稳定频率运行，水位继续上升，3#水泵变频器频率逐渐增大至50Hz，此时提升流量为最大值。 

　　调节池水位下降时的水泵运行状态正好与水位上升时相反。 

　　通过下面一个智能的控制界面，进行变频控制和工频控制的随意切换，在变频控制时可以通过系数的设定达到智能控制目的。 

　　三、水泵变频控制设计 

　　原先调节池三台水泵只用两套控制柜，一套控制柜采用软启动器控制一台水泵，其他一套控制柜采用Y-△方式控制两台水泵。现在原来的基础上再增加一套变频控制柜控制一台水泵，实现三套电控柜分别控制三台水泵。其中1#水泵Y-△启动方式，2#水泵软启动方式，3#水泵变频启动控制方式。新增变频控制柜采用ABB ACS510变频器控制潜水排污泵，变频器调用手动/自动应用宏，参数设置9902值为5。当状态为手动时，变频器可通过现场控制柜面板上的电位器进行手动调频。当状态为自动（远程）时，变频器通过中控系统PLC内设置PID比例调节进行相对“恒液位”自动调频，也可以设定任意固定频率进行水泵的流量控制。变频器输出信号有电流和频率检测型号以及运行和故障信号，并由上位机进行信号的采集监视和控制。 

　　四、水泵变频控制节能原理和节能效果 

　　由流体力学可知，P(功率)=Q(流量)×H(压力)，流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。 

　　表1 盐仓污水厂调节池3#提升泵实测频率、转速、电流、流量参数表 

　　上述表1各类参数为中控室监视电脑读取的数值，3#水泵由于长时间不间断运行叶轮磨损或者间隙变大的原因使其流量有所下降，2#、3#水泵的实测流量在1250m3/吨/小时。（p1/p）%栏是水泵运行在不同频率阶段的轴功率与工频时轴功率的比值，当水泵频率运行在41Hz时，其实际功率是工频运行时的56%，节能效果是显而易见的。当设定固定流量2100吨/小时进水时（该值为盐仓污水厂二期日均处理量），此时可以设置3#水泵在44Hz运行和1#泵在工频运行的组合方式，此时3#水泵消耗的电能为工频运行时的66%，相当于每小时节电15kW，24小时节电400千瓦，一年节电14.6万千瓦，节能降耗和经济效应相当可观。 

　　五、调节池水泵变频改造取得的效果和存在的不足之处 

　　1．运用相对“恒液位”的流量控制方式能够实现进水流量的平稳控制，流量曲线相对平滑。 

　　2．变频调速方式可以实现宽幅调节流量的作用，通过设定任意的频率值可以实现精确的控制水泵流量的大小，特别是在暴雨天水量特备大的时候，可以设定水泵长时间运行在允许的高流量范围内运行而不会使高位井溢水，提高了污水厂抗冲击的能力。 

　　3．变频调速在节约能源方面效果很突出，投资回报率高。降低了设备损耗和维修成本，有效地延长了设备的使用寿命。 

　　4．存在的不足之处主要是当采用相对“恒液位”的流量控制方式，进水流量是时时刻刻在变化的，生化池内的溶解氧受水量的变化也会发生变化，而盐仓污水处理厂溶解氧采用人工调节的方式进行控制的，调节控制较困难，容易发生问题。今后将努力研究相对“恒流量”的控制方式实现水泵进水系统的自动运行。 

　　六、结语 

　　该变频改造项目自2011年5月份改造完成至今，系统总体运行稳定可靠，故障率基本为零。系统自动化程度较高，减少了人工操作，受到了一致的 

　　好评。 　 

　　参考文献 

　　[1] 王鸿涛．论PLC在城市污水处理厂中的应用[M]．2006． 

　　[2] 徐琳，牟道光．PLC在污水处理中的应用[J]．微计算机信息，2004，（3）． 

　　[3] 雷宏彬．基于PLC和变频器的恒压供水控制系统[J]．工业仪表与自动化装置，2007，28（9）．