1  引言

水资源的严重污染和日渐短缺如今已成为全世界都在关注的话题。事实上，近年我国随着经济的发展，城市污水和工业废水量急剧增加，到2000年，城市排出的污水从1981年的60亿m3上升到221亿m3;工业废水增至194亿m3，激增的废水在注入江河湖泊的同时，甚至进入了城市居民的水源。为此，国家做出决定:人口超过10万居民的667个城市都要在2005年之前修建废水处理站，使废水处理能力在2010年能够达到60％。目前，我国每年环保投资用于水处理的费用达300亿元以上，据推测，水处理市场未来每年需要500亿元以上。
如此大的需求在为环保型水处理产业提供了巨大的市场空间的同时，也为该产业中重要的执行机构产品--变频器带来了更大的机遇。据保守估计，每年用于环保水处理上的变频器用量将超出1亿元。本文探讨的就是变频器在水处理环保行业中的应用分析。

2  变频器在水处理环保工程中的节能应用

污水处理的机电设备一般包括以下几个方面:
(1) 生化处理系列:微孔曝气系统等;
(2) 污泥处理系列:加药系统、浓缩机、带式压滤浓缩一体机、板框压滤机、卧式螺旋离心分离机等;
(3) 消毒处理系列:加氯机、紫外线污水处理器、排架式紫外线消毒器等;
(4) 排泥设备系列:刮泥机、吸砂机等。
从实际应用来看，基本上每种处理方式都需要用到变频器或者应用变频后有明显改善作用，下面就来举一些例子。
2.1 变频器在曝气鼓风机(罗茨风机)上的应用
在污水生化处理方式中，曝气鼓风机将压缩空气通过管道送入曝气池，让空气中的氧溶解在污水中供给活性污泥中的微生物。当鼓风机在工频状态下起动时，电流冲击较大，容易引起电网电压波动，而鼓风机(罗茨)风压一定，风量只能靠工作台数及出气阀来调节。实际生产运行中往往是通过调节出气阀门来控制，即增加管道阻力，因而许多能量浪费在阀门上。随着变频器的广泛应用，利用变频器的调速范围宽，可以在罗茨风机上应用变频器来调节风量。由于变频器的软启动大大的减小了电机起动时对电网的冲击。而且在正常运行的时候，将出气阀门开到最大，根据工艺和参数的要求，适当的调节电机的转速来调节管道的风量，从而来调节污水中的氧气含量。另外可以根据溶解氧传感器反馈的信号(4~20mA)很方便地实现闭环自动控制。
以广州石化总厂炼油厂的污水处理曝气机为例，该机容量22kW/46A，据统计，年可以节电量为36900kWh。由此可以看出，应用变频系统后免去了许多繁琐的人工操作，并且具有明显的节电效果。
2.2 变频器在泵类负载上的应用
泵类设备是水处理中最常用的设备，泵起动时的急扭和突然停机时的水锤现象往往容易造成管道松动或破裂，严重的可能造成电机的损坏，且电机起动/停止时需开启/关闭阀门来减小水锤的影响。如此操作一方面工作强度大，另一方面难以满足工艺的需要。在泵类负载安装变频器以后，可以根据工艺的需要，使电机软启/软停, 从而使急扭及水锤现象得到解决。而且变频器能够在合适的情况下降低泵的转速, 一方面可以避免水泵长期工作在满负荷状态，造成电机过早的老化, 另一方面变频的软启动大大的减小水泵启动时对机械的冲击，并且具有明显的节电效果。
污水处理厂的潜水泵或离心泵在使用变频器以后, 不但免去了许多繁琐的人工操作和不安全隐患因素, 并使系统始终处于节能状态下运行，延长了设备的使用寿命, 更好的适应了生产需要。而且目前大部分变频器丰富的内部控制功能可以很方便地与其他控制系统实现闭环PID自动控制。
从多家污水处理厂的实际运行情况来看, 变频效果很好:
(1) 与以前定速泵相比，普遍节能在20%以上;
(2) 水泵的机械磨损大为降低，机械故障率降为原来的35~50%左右;
(3) 控制效果较好，能保持液位较恒定、压力和流量不发生突变，无水锤现象。
因此，在污水处理厂或相似的泵类系统中使用变频器应具有很好的推广价值。
2.3 变频器在卧螺离心机上的应用
卧螺离心机的应用范围较广, 可以用于固体脱液、液体澄清、固体颗粒按粒度分级等, 目前已经在城市污水处理和炼油厂废水处理上普遍得到应用, 而且卧螺的传动已经从能耗严重的涡流制动发展到双电机双变频驱动。
由卧螺的工作原理可以判断主、副电机工作状态:与主动件相连的电机处于电动机工作状态, 与从动件相连的电机处于发电机状态, 而基于共母线方案的双变频器驱动可以很好得解决副电机的持续发电问题。
综合看来，离心机的变频应用具有以下特点:
(1) 节能;
(2) 动态响应快，差转速调节过程从PID调节器的数分钟减小为变频调速的数秒钟;
(3) 容易处理突发事件造成的转鼓内物料的堆积，从而提高工作效率。
以上海某水质净化厂为例，该厂为了适应新一轮城市环境改造的需要，对老车间进行了改造，在新建污泥脱水车间安装了两台LWD430WⅢ型离心机, 以满足日处理污水10万吨的需要。该机采用双电机双变频方案另加PLC控制，运行转速为2200r/min, 当转速差为10r/min，污泥含固率为2%~4%，处理量为26~20m3/h时，差速器小轴力矩约15N.m, 可计算出副机转速为1190r/min(差速器速比91)，和改造前相比(改造前采用电涡流制动器)可节电1190×15/9550=1.87kW，以每天运行10h，每年运行300天计算，年节电5610kWh，以0.631元/kWh计算，两台离心机每年节省电费7080元。
由此可以看出，卧螺离心机的变频应用具有非常好的效用。目前随着国内对环保行业投入的加大以及出于节能的要求，变频离心机将会从目前的不到200台/年升至2007年的1000台/年。
2.4 变频器在加药计量泵上的应用
在水处理过程中，药剂的投加方式是直接影响出水水质和药剂消耗的主要因素。在实际操作中，对药剂量要求控制严格，加药量过少，保证不了水的品质;加药量过大，不仅要造成不必要的浪费，而且会导致环境污染。如果采用自动加药系统，就可以根据实际工况，自动调节加药量，使水的指标保持在最佳范围之内。
国内目前已经有成熟的自动加药系统，如HLJ系列混凝剂加药设备、HSJ/A型一体化絮凝剂制备装置、HSJ/B全自动加药设备等，均广泛应用于生产饮用水、工业用水及污水的净化处理。自动加药系统的核心是变频控制系统，由于计量泵频率的改变就能改变出料的速度，从而引起水体测量值的变化，这样一来通过PID控制或模糊控制方式改变变频器的输出就可达到目的。
自动变频加药系统具有以下性能特点:
(1) 操作方便, 安全可靠, 计量准确;
(2) 自动化程度高, 维护方便;
(3) 使用寿命长。
实践证明这种自动投药技术要比机械投药平均节药25%，既可以提高净水站运行经济效益，又可以简化操作程序减轻运行人员工作强度，降低劳动成本提高工作效率。

3  结束语

本文从常用的几种污水处理设备的变频使用情况出发，阐述了变频器的应用原理和应用效果，可以得出以下结论:在水处理环保设备中采用变频系统能大大提高工作效率，降低运行成本，并节省电能。

参考文献
[1] 潘芝渭. 涡流制动器在卧螺离心机差转速定值控制中的应用. 化工机械.1998(6).
[2] 郑芳顺. 分离机械行业调整改造与发展导向性研究意见. 通用机械.2003(9).

作者简介
李方园(1973-)  男  电气自动化工程师  1995年毕业于浙大电机系工业电气自动化专业。主要从事轻工机械行业的电气传动和FA系统设计。目前已在国内主要专业期刊发表论文50多篇。