變頻器在南太子湖污水處理廠的應用
一、 污水處理工藝過程 （氧化溝二級處理方式，日處理量為 10萬噸級）：
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污水處理廠，是武漢市第一個處理后的污水通過潛污泵排入長江的污水處理廠。是武漢市實現國家及地區水環境達標的重點工程，總投資約1.7億元，工程完工后日處理污水10萬噸.南太子湖污水處理廠建成后，將截住漢陽地區北起漢江、南至南太子湖、西至墨水湖、東抵長江的20多平方公里內的大部分生活污水，讓26萬市民直接受益。
二、 出水泵房潛污泵在運行中存在的問題：
1.為了保護生態環境，南太子湖污水處理廠已于2005年7月正式投入使用，而自動化需10月份投入使用。南太子湖污水處理廠進水泵房采用4臺67KW、3臺105KW潛污泵，出水泵房采用4臺120KW、2臺150KW潛污泵運行，由于進、出水泵房潛污泵不匹配（出水泵房前池小，無緩沖余地。水位上升、下降快，后果要么淹廠區要么缺水數分鐘燒水泵），造成出水泵房一臺潛污泵運行，水位不斷上漲；而兩臺潛污泵運行，水位迅速下降，致使其中一臺潛污泵每30分鐘啟動一次運行10分鐘就必須停機，如此頻繁開停機，給操作人員帶來相當大的工作強度，并給設備帶來非常大的損害。
造成這種現象的原因在于進出水泵房潛污泵揚程不一致，系統運行效率低。這是因為系統單機選型匹配不當、系數裕度過大和不合理的調節方式所造成。參數裕度過大由兩方面造成：一是設計規范的裕度系數過大，“寬打窄用”；另一是系統中單機選型過大，向上靠檔、寧大勿小。最終造成整套系統“大馬拉小車”負載運行的不匹配狀況。
2.污水處理廠的設備是全天候運轉的，而且潛污泵是污水處理的核心設備，對于這個問題可以通過兩種方案解決：一個是壓出水閘門，另一個需要用變頻器對潛污泵進行調速。
由于水泵類大多為平方轉矩負載，軸功率與轉速成立方關系，所以當水泵轉速下降時，消耗的功率也大大下降。經測算，當機泵的流量由100%降到50%時，若分別采用出口和入口閘閥的節流調節方式，則此時電機的輸入功率分別為額定功率的84%和60%，而此時機泵的軸功率僅為12.5% ，即損失功率分別為71.5%和47.5%，這說明即使機泵的設計效率為100%， 在不采用先進的調節措施時，其實際的運行效率可能只有百分之十幾或更低。
水泵要靠閘閥來節流，人為地增加管網阻力以減小流量，因此阻力損失相應增加，而此時水泵的特性曲線不變，葉片轉速不變，系統輸入功率并無減少，而是白白地損失在節流過程中。在節流調節方式中，電動機、水泵等長期處于高速、大負載下運行，造成維護工作量大，設備壽命低，并且運行現場噪聲大，影響環境。
三、變頻器在出水泵房潛污泵的應用 ：
1.在工業控制領域, 變頻調速普遍使用于各種調速系統中, 它具有體積小、重量輕、安裝操作簡單、數據可靠、性能穩定、節電效果顯著等特點。用在水泵調速控制系統中具有軟起動功能, 減少了對電網的污染。同時, 單臺變頻器既可用于多臺水泵軟起動又可用于對某臺水泵調速。這樣既可以減小設備的投入, 又可以減小電機起動對電網的沖擊電流影響。
2.潛污泵起動時的急扭和突然停機時的水錘現象往往容易造成管道松動或破裂，嚴重的可能造成電機的損壞，且電機起動 / 停止時需開啟 / 關閉閘閥來減小水錘的影響，如此操作一方面工作強度大，且難以滿足工藝的需要。在潛污泵安裝變頻調速器以后，可以根據工藝的需要，使電機軟啟 / 軟停，從而使急扭及水錘現象得到解決。而且在流量不大的情況下，可以降低泵的轉速，一方面可以避免水泵長期工作在滿負荷狀態，造成電機過早的老化，而且變頻的軟啟動大大的減小水泵啟動時對機械的沖擊。并且具有明顯的節電效果。[FS:PAGE]
3.變頻潛污泵的節電原理就是用調速控制代替閘閥控制流量，這是一個節電的有效途徑。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，則軸功率 N1 與面積 AH1 OQ1 成正比，若流量減半 Q2 =50% 輸出時，則軸功率 N2 與面積 BH2 OQ2 成正比，它比 N1 減少不多，這是因為需要克服閘閥阻力增大出水壓力所致。如果采用調速控制同樣流量減半輸出時，轉數由 n1 降至 n2 ，按水泵參數比例定律畫出 n2 時的特性曲線， C 點為新的工況點，這時軸功率 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，節省的功率耗損△ N 與面積 BH2H3C 成正比，可見節電效果十分顯著。
4.流體力學的觀點：
流量 ∝ 轉速
壓力 ∝轉速2
軸功率∝轉速3
若轉速下降 20%，則功率下降到51.2%
若轉速下降 50%，則軸功率下降到12.5%
即使考慮調速裝置本身的損耗等因素，節電也是相當可觀的。
四、變頻泵的優化配置
有一種變頻模式通常叫做恒水位變量循環狀啟動并先開先停的工作模式。在這種排水運行模式中，當來水流量少于變頻泵在恒水位工頻下的流量時，由變頻泵自動調速排水，當來水流量增大，變頻泵的轉速升高。當變頻泵的轉速升高到工頻轉速，由變頻排水控制器控制把該臺水泵切換到由工頻電網直接供電(不通過變頻器供電)。變頻器則另外啟動一臺并聯泵投入工作。隨來水流量增大，其余各并聯泵均按上述相同的方式軟啟動投入。這就是循環軟啟動投入方式。
但是，在任一臺泵變頻運行時，萬一水泵故障有可能使變頻器保護跳閘而停止工作。各并聯水泵是由變頻器控制運行的 ；當變頻器跳閘，必然使所有并聯水泵停機而中斷排水，造成廠區淹水。
因此，當水泵的可靠性一定，具有自動輪換控制功能的變頻恒水位的可靠性將低于不具備自動輪換控制功能的變頻恒水位機。因此 從安全生產的角度，我們不主張采用一拖幾系統。而計劃在出水泵房選用2臺變頻潛污泵各自獨立運行來提高安全系數。并在進水泵房安裝2臺變頻潛污泵調節水量。
五、自動化控制的實現
根據出水泵房前池的水位，通過改變潛污泵電動機供電電源的頻率來調整潛污泵的轉速，從而控制排水量，因而變頻必須受到水位反饋信號的控制，以構成水位自動控制系統。
常用的閉環控制方案是采用線性反饋控制系統。這種系統雖然能夠實現恒液位自動控制，但是存在以下不足：
① 成本高，這是由于線性液位(壓力)傳感器及調節器價格昂貴；
② 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量到水的高度(或壓力)，因此傳感器的測量孔被泥沙堵塞而容易產生測量誤差，致使被控水位偏離期望值；
③現場調試復雜，被控對象的非線性和大慣性因素給調節器的參數配置帶來了困難，有可能影響系統的穩定性和動態性能。總之,對于這樣一個非線性、大慣性過程采用線性反饋控制是不合理的，在經濟上不合算，在性能上不優越，而且調試不方便。
南太子湖決定采用一種結構簡單、運行可靠、成本低廉的非線性反饋變頻調速系統，成功地克服了線性反饋控制存在的問題。在該系統中，采用國產的變頻器控制潛污泵，通過一套超聲波液位傳感器構成非線性反饋控制系統，將水位控制在極限環內。[FS:PAGE]
在出水泵房前池上安裝一套超聲波液位傳感器，它可以測量4個液位。通常運行時水位將在2SL和3SL之間波動，當有大擾動時1SL或4SL實現運行頻率自整定和水位報警功能，該超聲波液位傳感器輸出信號被輸送到電氣控制單元，實現.html’ onmouseover="javascript:showpos(event,this)" onmouseout="javascript:ClearTimer()" target="_blank" style="color:#00A2CA">繼電器型非線性反饋特性，并與變頻器控制端子相結合，形成非線性控制。
六、系統應用效果：
由于變頻器每千瓦的成本隨著其功率增大而減少，變頻調速裝置的經濟性也隨著電機功率的增大而提高。變頻調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小時運行，每月30 天，本變頻控制柜在恒水位運行區的綜合節電率約在20%左右，由此：
每月節電總量=120KW×20%×24×30=17280度
按每度電以0.75 元計算，則：
潛污泵的節電資金：0.75×17280 度 =12960元/每月
變頻調速除節電外，還有增產、降耗、優質的效果。由于它具有體積小、重量輕、精度高、通用性強、工藝先進、功能豐富、保護齊全、可靠性高、操作簡便等優點，深受使用人員歡迎，變頻調速確是節能、降耗、優質、高產的理想設備。
結束語：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，并使系統始終處于一種節能狀態下運行，延長了設備的使用壽命，更好的適應了生產需要。而且通用型變頻器豐富的內部控制功能可以很方便地與其他控制系統實現閉環自動控制。從運行情況來看，效果很好。因此，在污水處理廠或相似的系統中使用變頻器應具有很好的推廣價值。
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