樊仁毅1， 张 欣2
(1．上海白龙港污水处理有限公司，上海 201203；2．上海市政工程设计研究总院，上海 200092)

0 引 言
水处理行业中耗能{zd0}的设备主要有提升用的水泵和曝气用的鼓风机。由于设备的配置要满足最不利的工况条件，因此在实际运行过程中有很大的富裕量。考虑设备的一次投资和维护管理等因素，设备的台数不可能太多，否则将会导致设备实际运行时产生调节能力差和能耗大等问题。
一个小规模的水泵站每天流量{zd0}时和最小时的变化可达到4～5倍，常用的2用1备或3用1备配置方式会导致在最小流量时开1台泵也有30％～50％的富裕，不但浪费了能量，还可能使水泵在不利的工况点运行，缩短了其使用寿命。
随着水务体制改革的深入，许多城市水处理行业的运行管理都已企业化，运行成本的控制成为生产运营中的重要环节，“用得起”也成为基建时的一个主要标准。因此，对大能耗设备采用能够节能的变频装置已成为{sx}的节能技术。
在以往设计时常采用一台变频装置控制指定一台设备的方法，即所谓的“一控一”的模式。由于变频装置价格昂贵，为了兼顾一次投资，一般多台并联的设备往往仅有一台或两台设置变频装置，由于少数设置变频的设备一直处于不间断的调节过程中，因而工况条件差，故障概率高。一旦发生故障，变频装置也就失去了作用。因此，“一控一”的模式利用率较低。
随着科学技术的发展和管理水平的提高，目前已将PLC广泛使用于工艺设备的自动控制。利用PLC实现变频装置的“一控二”、“一控三”方式，即一台变频装置控制多台设备的“一控多”方式，这样相当于每台设备均具备变频调节功能，可充分发挥变频装置的经济效益。
1 变频节能的基本原理及选用评判
电动机的转速与工作电源输入频率成正比，见公式(1)，因此改变电动机工作电源频率可以改变电机的转速。

n=60f(1-s)/p           ( 1 )

式中 n——转速(r / m)
          f——输入频率(Hz)
          s——电机转差率
          p——电机磁极对数
变频节能是根据流体力学的相似原理，即流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比的关系，通过降低电动机的转速适应不同的工况，减小输出功率来达到节能的目的。电机转速与水流量及压力、轴功率的关系如下：

式中 n₀——电机额定转速(r／m)
          n₁ ——变频后电机转速(r／m)
          Q₀——额定转速时流量(m ／s)
          Q₁——调速后流量(m ／s)
         H₀——额定转速时扬程(m)
         H₁——调速后扬程(m)
         N₀——额定转速时轴功率(kW)
         N₁——调速后轴功率(kW)
理论上，当转速降低到额定转速的80％时，轴功率仅为额定功率的51．2％，扣除变频装置的能耗及传动的损耗，节能效果也相当可观。
在实际运行中，机泵设备的压力或扬程主要由系统的特性和管道的水头损失决定，表现为两种形式，一种为随流量改变，另一种为随压力或扬程迅速改变或基本不变。由于转速与压力的平方成正比，前一种的节能效果要比后一种好；对于后一种方法，如果设备的流量一扬程曲线非常平缓，则转速调节的范围将非常小，调频后工况点也极易偏离高效区，反而起不到节能的作用。
因此，对是否需要变频应进行评判。通常情况下，流量一扬程曲线较陡的设备具有较好的变频特性。一种简单的判别方法是看流量一扬程曲线与管道特性曲线的交角。转速变化时，高效区间边线与流量一扬程曲线近似垂直，因此两根曲线的交角越接近垂直，变频的范围越大，节能效果也越佳。如图1所示，高效变频区间边界对应的转速凡 可以作为变频调节的{zd1}转速。

2 “一控三”变频设计

“一控多”设计中采用最多的是“一控二”和“一控三”模式。如果一台变频器控制的设备多于四台，不但会增加系统的复杂性，还会降低系统的安全性，也没有太多的实际意义。对于的确需要多台变频装置的情况，建议采用两套“一控二”和“一控三”模式。在污水处理工艺中，常采用在线溶解氧测定仪与变频鼓风机联动来实现对曝气池溶解氧的控制。下面以“一控三”的鼓风机控制为例进行介绍。
2．1 工作原理
生物处理中，为确保微生物的生长，需将曝气池的溶解氧靠鼓风机供气维持在2．0～2．5 m L。当水量增加或水质浓时，会导致曝气池的溶解氧降低，此时需增加鼓风机的供气量；当水量减少或水质较淡时，过多的供气量会浪费能耗，可以减少鼓风机开启台数。通常鼓风机配置数量多为2用1备或3用1备，调节幅度有限，可采用变频装置增加调节量。
2．2 运行方式
在溶解氧的控制中，往往通过专用软件将对溶解氧的控制换算成对鼓风机曝气量的控制。设备启动以后，{dy}台鼓风机进入变频运行，通过开关和变频器输出，得到逐渐上升的频率和电压(上升速度根据各工程系统特性预置)，鼓风机开始旋转并且转速逐渐升高。当鼓风机的转速升高到系统要求的气量时，稳定其转速，从而实现系统的溶解氧控制。
当系统需气量低于鼓风机供气量时，PLC发出信号，使变频器增大其输出频率和电压，鼓风机转速迅速升高，风量增大，曝气池内溶解氧升高。若鼓风机全速运转不能使供气量达到要求，则变频器通过开关系统和控制系统将{dy}台鼓风机置于工频运行，同时启动第二台鼓风机投入变频运行。
如果供气量还不能达到要求值，则置第二台鼓风机工频运行，启动第三台鼓风机进入变频运行模式。当鼓风机供气量超过曝气池需气量时，PLC发出信号，关闭累积运行时间最长的、全速运转的鼓风机。
2．3 应用
上海某污水厂建成于20世纪70年代，原采用上海汽轮机厂生产的罗茨鼓风机，效率低且漏油严重。由于该设备已属淘汰产品且备品备件缺乏，2000年三期改造时拟将其更换成3台高效的三叶式罗茨鼓风机，单台风量为90 m ／min，功率为 132 kW。由于每天夜间来水量少，开一台鼓风机气量还有余而白天水量大且水质浓，开两台还不够，而罗茨鼓风机没有气量调节功能，为维持曝气池溶解氧浓度，必须多开鼓风机，多余的气量如果直接空放噪声很大，既不节能也不环保，给运行管理带来许多不便。因此，拟采用变频装置实现对鼓风机供气量的调节。考虑到项目为改造工程，现有鼓风机房空间有限，无法多添新设备，同时为了节省投资，仅设置了1套变频装置。为使每台鼓风机都能有效利用，延长使用寿命及增加运行的安全可靠性，采用“一控三”的方式，通过增设2套控制回路将1套变频装置与3台鼓风机都连接起来，变频装置可对任一台鼓风机实现变频控制，一旦其中有1台或2台鼓风机发生故障时，其余的鼓风机也能变频运行，从而达到节能的
目的。该污水厂鼓风机“一控三”变频装置的控制运行程序如图2所示。

3 结 语
由于变频调速技术可以实现设备的软启动，降低启动电流，改善设备的运行工况，提高设备利用率，延长设备使用寿命，尤其是对流量的大幅度调节能力和节能效益使其在各行各业中得到大力发展和应用。
利用可编程序控制器实现变频装置的“一控多”，可以在较少的投资下达到较高的效益，然而一台变频拖过多的设备会使系统复杂。当变频装置发生故障时，也降低了系统的安全性。对于5～8台并联设备的布置情况，较好的配置是设置2台变频装置，采用“一控二”或“一控三”的方式。
在选用变频装置时首先要分析设备的流量一扬程特性曲线以及系统的管道工作特性曲线，两者的夹角越大，变频时工况点位于高效区的范围
越广，节能的效益越高；如果两者的夹角较小，表明变频的范围较窄，节能的效益有限；如果不足以抵消变频装置的耗能，采用变频装置将不能起到节能的作用。
目前，变频装置已被广泛采用，但注重节能效益产生的同时，也不能忽视附带的因素。由于变频装置对温度、电源、接地、防雷等环境条件要求较高，因此必须同步实施相应配套措施，使其发挥{zj0}效益。

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