南太子湖污水處理廠是武漢市第一座氧化溝工藝處理污水的二級(jí)污水處理廠，是武漢市第一個(gè)處理后的污水通過(guò)潛污泵排入長(zhǎng)江的污水處理廠。是武漢市實(shí)現(xiàn)國(guó)家及地區(qū)水環(huán)境達(dá)標(biāo)的重點(diǎn)工程，總投資約1.7億元，工程完工后日處理污水10萬(wàn)噸.南太子湖污水處理廠建成后，將截住漢陽(yáng)地區(qū)北起漢江、南至南太子湖、西至墨水湖、東抵長(zhǎng)江的20多平方公里內(nèi)的大部分生活污水，讓26萬(wàn)市民直接受益。 　　二、 出水泵房潛污泵在運(yùn)行中存在的問(wèn)題： 　　1.為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境，南太子湖污水處理廠已于2005年7月正式投入使用，而自動(dòng)化需10月份投入使用。南太子湖污水處理廠進(jìn)水泵房采用4臺(tái)67KW、3臺(tái)105KW潛污泵，出水泵房采用4臺(tái)120KW、2臺(tái)150KW潛污泵運(yùn)行，由于進(jìn)、出水泵房潛污泵不匹配（出水泵房前池小，無(wú)緩沖余地。水位上升、下降快，后果要么淹廠區(qū)要么缺水?dāng)?shù)分鐘燒水泵），造成出水泵房一臺(tái)潛污泵運(yùn)行，水位不斷上漲；而兩臺(tái)潛污泵運(yùn)行，水位迅速下降，致使其中一臺(tái)潛污泵每30分鐘啟動(dòng)一次運(yùn)行10分鐘就必須停機(jī)，如此頻繁開(kāi)停機(jī)，給操作人員帶來(lái)相當(dāng)大的工作強(qiáng)度，并給設(shè)備帶來(lái)非常大的損害。 　　造成這種現(xiàn)象的原因在于進(jìn)出水泵房潛污泵揚(yáng)程不一致，系統(tǒng)運(yùn)行效率低。這是因?yàn)橄到y(tǒng)單機(jī)選型匹配不當(dāng)、系數(shù)裕度過(guò)大和不合理的調(diào)節(jié)方式所造成。參數(shù)裕度過(guò)大由兩方面造成：一是設(shè)計(jì)規(guī)范的裕度系數(shù)過(guò)大，“寬打窄用”；另一是系統(tǒng)中單機(jī)選型過(guò)大，向上靠檔、寧大勿小。最終造成整套系統(tǒng)“大馬拉小車(chē)”負(fù)載運(yùn)行的不匹配狀況。 　　2.污水處理廠的設(shè)備是全天候運(yùn)轉(zhuǎn)的，而且潛污泵是污水處理的核心設(shè)備，對(duì)于這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)兩種方案解決：一個(gè)是壓出水閘門(mén)，另一個(gè)需要用變頻器對(duì)潛污泵進(jìn)行調(diào)速。 　　由于水泵類(lèi)大多為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，軸功率與轉(zhuǎn)速成立方關(guān)系，所以當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速下降時(shí)，消耗的功率也大大下降。經(jīng)測(cè)算，當(dāng)機(jī)泵的流量由100%降到50%時(shí)，若分別采用出口和入口閘閥的節(jié)流調(diào)節(jié)方式，則此時(shí)電機(jī)的輸入功率分別為額定功率的84%和60%，而此時(shí)機(jī)泵的軸功率僅為12.5% ，即損失功率分別為71.5%和47.5%，這說(shuō)明即使機(jī)泵的設(shè)計(jì)效率為100%， 在不采用先進(jìn)的調(diào)節(jié)措施時(shí)，其實(shí)際的運(yùn)行效率可能只有百分之十幾或更低。 　　水泵要靠閘閥來(lái)節(jié)流，人為地增加管網(wǎng)阻力以減小流量，因此阻力損失相應(yīng)增加，而此時(shí)水泵的特性曲線不變，葉片轉(zhuǎn)速不變，系統(tǒng)輸入功率并無(wú)減少，而是白白地?fù)p失在節(jié)流過(guò)程中。在節(jié)流調(diào)節(jié)方式中，電動(dòng)機(jī)、水泵等長(zhǎng)期處于高速、大負(fù)載下運(yùn)行，造成維護(hù)工作量大，設(shè)備壽命低，并且運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)噪聲大，影響環(huán)境。 　　三、變頻器在出水泵房潛污泵的應(yīng)用 ： 　　1.在工業(yè)控制領(lǐng)域, 變頻調(diào)速普遍使用于各種調(diào)速系統(tǒng)中, 它具有體積小、重量輕、安裝操作簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)可靠、性能穩(wěn)定、節(jié)電效果顯著等特點(diǎn)。用在水泵調(diào)速控制系統(tǒng)中具有軟起動(dòng)功能, 減少了對(duì)電網(wǎng)的污染。同時(shí), 單臺(tái)變頻器既可用于多臺(tái)水泵軟起動(dòng)又可用于對(duì)某臺(tái)水泵調(diào)速。這樣既可以減小設(shè)備的投入, 又可以減小電機(jī)起動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊電流影響。 　　2.潛污泵起動(dòng)時(shí)的急扭和突然停機(jī)時(shí)的水錘現(xiàn)象往往容易造成管道松動(dòng)或破裂，嚴(yán)重的可能造成電機(jī)的損壞，且電機(jī)起動(dòng) / 停止時(shí)需開(kāi)啟 / 關(guān)閉閘閥來(lái)減小水錘的影響，如此操作一方面工作強(qiáng)度大，且難以滿足工藝的需要。在潛污泵安裝變頻調(diào)速器以后，可以根據(jù)工藝的需要，使電機(jī)軟啟 / 軟停，從而使急扭及水錘現(xiàn)象得到解決。而且在流量不大的情況下，可以降低泵的轉(zhuǎn)速，一方面可以避免水泵長(zhǎng)期工作在滿負(fù)荷狀態(tài)，造成電機(jī)過(guò)早的老化，而且變頻的軟啟動(dòng)大大的減小水泵啟動(dòng)時(shí)對(duì)機(jī)械的沖擊。并且具有明顯的節(jié)電效果。 　　3.變頻潛污泵的節(jié)電原理就是用調(diào)速控制代替閘閥控制流量，這是一個(gè)節(jié)電的有效途徑。水泵的特性曲線如圖 1 所示。在用閘閥控制額定流量 Q1 =100% 輸出時(shí)，則軸功率 N1 與面積 AH1 OQ1 成正比，若流量減半 Q2 =50% 輸出時(shí)，則軸功率 N2 與面積 BH2 OQ2 成正比，它比 N1 減少不多，這是因?yàn)樾枰朔l閥阻力增大出水壓力所致。如果采用調(diào)速控制同樣流量減半輸出時(shí)，轉(zhuǎn)數(shù)由 n1 降至 n2 ，按水泵參數(shù)比例定律畫(huà)出 n2 時(shí)的特性曲線， C 點(diǎn)為新的工況點(diǎn)，這時(shí)軸功率 N2 與面積 CH3OQ2 成正比，在滿足同樣流量 Q2 情況軸功能降低很多，節(jié)省的功率耗損△ N 與面積 BH2H3C 成正比，可見(jiàn)節(jié)電效果十分顯著。 　　4.流體力學(xué)的觀點(diǎn)： 　　流量 ∝ 轉(zhuǎn)速 　　壓力 ∝轉(zhuǎn)速2 　　軸功率∝轉(zhuǎn)速3 　　若轉(zhuǎn)速下降 20%，則功率下降到51.2% 　　若轉(zhuǎn)速下降 50%，則軸功率下降到12.5% 　　即使考慮調(diào)速裝置本身的損耗等因素，節(jié)電也是相當(dāng)可觀的。 　　四、變頻泵的優(yōu)化配置 　　有一種變頻模式通常叫做恒水位變量循環(huán)狀啟動(dòng)并先開(kāi)先停的工作模式。在這種排水運(yùn)行模式中，當(dāng)來(lái)水流量少于變頻泵在恒水位工頻下的流量時(shí)，由變頻泵自動(dòng)調(diào)速排水，當(dāng)來(lái)水流量增大，變頻泵的轉(zhuǎn)速升高。當(dāng)變頻泵的轉(zhuǎn)速升高到工頻轉(zhuǎn)速，由變頻排水控制器控制把該臺(tái)水泵切換到由工頻電網(wǎng)直接供電（不通過(guò)變頻器供電）。變頻器則另外啟動(dòng)一臺(tái)并聯(lián)泵投入工作。隨來(lái)水流量增大，其余各并聯(lián)泵均按上述相同的方式軟啟動(dòng)投入。這就是循環(huán)軟啟動(dòng)投入方式。 　　但是，在任一臺(tái)泵變頻運(yùn)行時(shí)，萬(wàn)一水泵故障有可能使變頻器保護(hù)跳閘而停止工作。各并聯(lián)水泵是由變頻器控制運(yùn)行的 ；當(dāng)變頻器跳閘，必然使所有并聯(lián)水泵停機(jī)而中斷排水，造成廠區(qū)淹水。 　　因此，當(dāng)水泵的可靠性一定，具有自動(dòng)輪換控制功能的變頻恒水位的可靠性將低于不具備自動(dòng)輪換控制功能的變頻恒水位機(jī)。因此 從安全生產(chǎn)的角度，我們不主張采用一拖幾系統(tǒng)。而計(jì)劃在出水泵房選用2臺(tái)變頻潛污泵各自獨(dú)立運(yùn)行來(lái)提高安全系數(shù)。并在進(jìn)水泵房安裝2臺(tái)變頻潛污泵調(diào)節(jié)水量。 　　 五、自動(dòng)化控制的實(shí)現(xiàn) 　　根據(jù)出水泵房前池的水位，通過(guò)改變潛污泵電動(dòng)機(jī)供電電源的頻率來(lái)調(diào)整潛污泵的轉(zhuǎn)速，從而控制排水量，因而變頻必須受到水位反饋信號(hào)的控制，以構(gòu)成水位自動(dòng)控制系統(tǒng)。 　　常用的閉環(huán)控制方案是采用線性反饋控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)恒液位自動(dòng)控制，但是存在以下不足： 　　① 成本高，這是由于線性液位（壓力）傳感器及調(diào)節(jié)器價(jià)格昂貴； 　�、� 可靠性低，由于線性液位（壓力）傳感器必須沉入水底且與水充分接觸才能測(cè)量到水的高度（或壓力），因此傳感器的測(cè)量孔被泥沙堵塞而容易產(chǎn)生測(cè)量誤差，致使被控水位偏離期望值； 　　③現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試復(fù)雜，被控對(duì)象的非線性和大慣性因素給調(diào)節(jié)器的參數(shù)配置帶來(lái)了困難，有可能影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能�？傊�,對(duì)于這樣一個(gè)非線性、大慣性過(guò)程采用線性反饋控制是不合理的，在經(jīng)濟(jì)上不合算，在性能上不優(yōu)越，而且調(diào)試不方便。 　　南太子湖決定采用一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、成本低廉的非線性反饋?zhàn)冾l調(diào)速系統(tǒng)，成功地克服了線性反饋控制存在的問(wèn)題。在該系統(tǒng)中，采用國(guó)產(chǎn)的變頻器控制潛污泵，通過(guò)一套超聲波液位傳感器構(gòu)成非線性反饋控制系統(tǒng)，將水位控制在極限環(huán)內(nèi)。 　　在出水泵房前池上安裝一套超聲波液位傳感器，它可以測(cè)量4個(gè)液位。通常運(yùn)行時(shí)水位將在2SL和3SL之間波動(dòng)，當(dāng)有大擾動(dòng)時(shí)1SL或4SL實(shí)現(xiàn)運(yùn)行頻率自整定和水位報(bào)警功能，該超聲波液位傳感器輸出信號(hào)被輸送到電氣控制單元，實(shí)現(xiàn)繼電器型非線性反饋特性，并與變頻器控制端子相結(jié)合，形成非線性控制。 　　六、系統(tǒng)應(yīng)用效果： 　　由于變頻器每千瓦的成本隨著其功率增大而減少，變頻調(diào)速裝置的經(jīng)濟(jì)性也隨著電機(jī)功率的增大而提高。變頻調(diào)速裝置投資回收期為一年左右，使用壽命約10年。 　　本潛污泵24小時(shí)運(yùn)行，每月30 天，本變頻控制柜在恒水位運(yùn)行區(qū)的綜合節(jié)電率約在20%左右，由此： 　　每月節(jié)電總量=120KW×20%×24×30=17280度 　　按每度電以0.75 元計(jì)算，則： 　　潛污泵的節(jié)電資金：0.75×17280 度 =12960元/每月 　　變頻調(diào)速除節(jié)電外，還有增產(chǎn)、降耗、優(yōu)質(zhì)的效果。由于它具有體積小、重量輕、精度高、通用性強(qiáng)、工藝先進(jìn)、功能豐富、保護(hù)齊全、可靠性高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，深受使用人員歡迎，變頻調(diào)速確是節(jié)能、降耗、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的理想設(shè)備。 　　結(jié)束語(yǔ)：南太子湖污水處理廠出水泵房的潛污泵在使用了 EV2000 系列變頻器以后，不但免去了許多繁瑣的人工操作，不安全隱患因素，并使系統(tǒng)始終處于一種節(jié)能狀態(tài)下運(yùn)行，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，更好的適應(yīng)了生產(chǎn)需要。而且通用型變頻器豐富的內(nèi)部控制功能可以很方便地與其他控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)控制。從運(yùn)行情況來(lái)看，效果很好。因此，在污水處理廠或相似的系統(tǒng)中使用變頻器應(yīng)具有很好的推廣價(jià)值。