污水处理工艺中鼓风机调控方式解析Word文件下载.docx
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2 离心风机调控方式的分析、选择
离心风机是目前应用最广泛的风机，是风机节能的主要对象。
从调查中了解到，目前风机运行中存在的主要问题是能源浪费严重。
根据国家有关部门统计，风机与泵的用电量占全国用电总量的40％左右[1]。
造成风机能耗大的主要原因是由于运行中的风机大量采用档板、阀门等调节方式。
这种方式虽简便易行，但在调节过程中将产生大量的能量损耗。
因此，在污水处理工程中需经常调节风量的鼓风机，应选择合适的调节方式，以降低能耗。
2.1 离心风机的工作原理及特性
单级高速离心风机的工作原理是：
原动机通过轴驱动叶轮高速旋转，气流由进口轴向进入高速旋转的叶轮后变成径向流动被加速，然后进入扩压腔，改变流动方向而减速，这种减速作用将高速旋转的气流中具有的动能转化为压能（势能），使风机出口保持稳定压力。
从理论上讲，离心鼓风机的压力-流量特性曲线是一条直线，但由于风机内部存在摩擦阻力等损失，实际的压力与流量特性曲线随流量的增大而平缓下降，对应的离心风机的功率-流量曲线随流量的增大而上升。
当风机以恒速运行时，风机的工况点将沿压力-流量特性曲线移动。
风机运行时的工况点，不仅取决于本身的性能，而且取决于系统的特性，当管网阻力增大时，管路性能曲线将变陡。
风机调节的基本原理就是通过改变风机本身的性能曲线或外部管网特性曲线，以得到所需工况。
2.2 变频调控原理与特性
随着科技的不断发展，交流电机调速技术被广泛采用。
通过新一代全控型电子元件，用变频器改变交流电机的转速方式来进行风机流量的控制，可以大幅度减少以往机械方式调控流量造成的能量损耗。
变频调节的节能原理：
图2中曲线1和2表示调速时的压力-流量曲线，曲线3和4表示节流调节时管路阻力特性曲线，曲线5表示恒速时功率-流量曲线，设A点为风机最大工况点。
当风量需从Q1减少到Q2时，如果采用节流调节法，工况点由A到B，风压增加到H2，由图中可看出轴功率P2下降，但减少的不太多。
如果采用变频调节方式，风机工况点由A到C，可见在满足同样风量Q2
情况下，风压H3将大幅度下降，功率P3随着显著减少。
节省的功率损耗△P＝△HQ2与图中面积BH2H3C成正比。
由以上分析可知，变频调节是一种高效的调节方式。
鼓风机采用变频调节，不会产生附加压力损失，节能效果显著，调节风量范围0％～100％，适合调节范围宽，且经常处于低负荷下运行的场合。
但是，当风机转速下降，风量减小时，风压将发生很大变化，由风机比例定律：
Q1/Q2＝（n1/n2）， H1/H2＝（n1/n2）2， P1/P2＝（n1/n2）3
可知，当其转速降低到原额定转速的一半时，对应工况点的流量、压力、轴功率各下降到原来的1/2、1/4、1/8，这就是变频调节方式可以大幅度节电的原因。
根据变频调节这一特性，对于在污水处理工艺中，曝气池始终保持5
m正常液位（见图1），要求鼓风机在出口压力恒定的条件下，进行大范围的流量调节，当调节深度较大时，将会使风压下降过大，不能满足工艺要求。
当调节深度较小时，则显示不出其节能的优势，反而使装置复杂，一次性投资增高（本工程中鼓风机采用变频调节比导叶调节增加一次性投资20万元）。
因此，对本工程的曝气池需保持5m液位的工况条件下，采用变频调节方式显然是不合适的。
2.3 进口导叶调节原理及特性：
进口导叶调节装置即在鼓风机吸风入口附近装设一组可调节转角的导叶-进口导叶，其作用是使气流在进入叶轮之前发生旋转，造成扭曲速度。
导叶可绕自身轴转动，叶片每转动一个角度就意味着变换一个导叶安装角，使进入风机叶轮的气流方向相应改变。
进口导叶调节风量原理是：
当导叶安装角θ＝0°
时，导叶对进口气流基本上无作用，气流将以径向流入叶轮叶片。
当θ＞０°
时，进口导叶将使气流进口的绝对速度沿圆周速度方向偏转θ角，同时对气流进口的速度有一定的节流作用，这种预旋和节流作用将导致风机性能曲线下降，从而使运行工况点变化，实现风机流量调节。
进口导叶调节的节能原理通过图3[1]说明。
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图3中曲线1为节流调节时功率-流量曲线，曲线2为进口导叶调节时的功率-流量曲线。
当进口导叶安装角由θ1＝0°
增大为θ2或θ3时，运行工况点由M1移至M2或M3；
流量由Q1减小至Q2或Q3；
轴功率由P′1减少至P′2或P′3。
图中用剖面线表示的面积为进口导叶比节流调节节省的功率。
在本工程中，曝气池深度是固定的，鼓风机在保持出口压力恒定条件下，进行流量调节，即Ｈ＝常量，Ｑ＝变量时，管网的特性曲线近似于水平直线，鼓风机采用进口导叶调节，不必借助于改变管网特性曲线，可通过改变导叶的开闭角度，使风机的压力-流量性能曲线改变，流量的变化是通过将工况点移动到新的改变了的风机特性曲线上的方法实现的（见图4）。
离心风机采用进口导叶调节方式，在部分负荷运行时可获得高效率和较宽的性能范围，在保持出口压力恒定条件下，工作流量可在50％～100％额定流量范围内变化[2]。
调节深度愈大、省功愈多。
如流量减少到额定流量的60％时，进口导叶方式比进口节流方式节省功率达17％之多[3]。
此外，其结构相对简单，运行可靠，维护管理方便，初期投资低。
因此，本工程中鼓风机采用进口导叶调节流量，显然是最佳调节方式。
2.4 不同调控方式的比较
图5给出了不同调控方式时风量和轴功率的关系。
尽管变频调节的离心鼓风机调节范围很广，在节能上有显著效果，但用在本工程的工艺系统中将受到工艺条件限制，调节范围仅为80％～100％，而且通过图5[3]可看出，在相对流量变化不大时，变频与导叶两种调节方式消耗功率差别并不大，因此采用变频调节方式，其节能特长显示不出来，这就失去了选择它的意义。
而选择导叶调节方式的鼓风机，在保持出口压力恒定条件下可以较大范围调节风量（５０％～１００％），以保证污水中溶解氧含量稳定，相对地节省了能源。
所以应选择导叶调节方式的高速离心风机，作为本工程的设备选型。
同时，为了更好地体现出节能效果，对于大功率的离心风机，还应注意配套电机的选择，如采用10kV高压电机，也有助于降低能耗。
3 结语
通过对变频与导叶调节方式的原理与特点的分析，明确了在采用鼓风曝气的污水处理工艺中，鼓风机调控方式的选择，不能只考虑节能，而必须在满足曝气工艺对风量、风压要求前提下，从流量变化范围、风机功率大小、调节装置的技术复杂程度、可靠性及投资等方面综合考虑，进行技术经济分析，作出合理的选择。
参考文献：
[1]吴民强.泵与风机节能技术问答[M]北京：
中国电力出版社，1998.
[2]王洪臣城市污水处理厂运行控制与维护管理[M]北京：
科学出版社，1997.
[3]聂能光，李竀要狈缁谀苡虢翟隱M].北京：
科学出版社，1990.
转自-给排水在线
用变频器取代液力耦合器势在必行
周德贤
（上海电机工程学会传动委员会，上海
200040）
从上世纪80年代迄今，国内先后投入运行的液力耦合器近4000台，功率大多为300～3200kW，每年节电20亿kWh以上，为国家创造了较高的经济效益。
但是，其转差损耗不可忽视。
通过分析说明用大功率变频装置取代液力耦合器，则节能效果更高。
低效调速系统；
液力耦合器；
国产高压变频器；
投资回收期
1
低效调速系统分析
不改变异步电机同步转速n0的交流调速系统称为有转差调速系统，如调压调速，电磁滑差调速，液力耦合器调速等。
存在有转差调速的系统，对于平方转矩的负载（如风机、水泵等），调速后所节约功率标幺值为
G（s）=1－（n/n0）2
（1）
式中：
n为电机运行转速；
n0为电机同步转速。
采用液力耦合器等调速装置则需增加转差损耗ΔPs，其大小随s变化而变化，具体见图1所示。
图1
不同负载时ΔPs和G（s）与n/n0的关系
在转速为n时，忽略不计电机本身损耗的情况下，输入功率P1=（1－s）P10≈（1－s）P20，故转差损耗标幺值为
ΔPs＊=≈=（1－s）3=s（1－s）2
求其极值dΔPs＊/ds=0，得（1－s）（1－3s）=0
即s=1（极小值），s=1/3（极大值）。
将s=1/3代入ΔPs＊得ΔPsmax＊=（1/3）（1－1/3）2=4/27=0.148，说明对于离心式风机，水泵、转差损耗ΔPs在2/3额定转速时为最大。
不同s时ΔPs＊数值，见表1。
表1
负载转矩M与n2成正比例时的ΔPs＊
s
n/n0
ΔPs＊
0
1
0.1
0.9
0.061
0.2
0.8
0.128
0.3
0.7
0.147
0.33
0.6667
0.148
0.4
0.6
0.144
0.5
0.125
0.096
0.063
0.032
0.009
1.0
由表1可知：
s自0→1/3时，ΔPs＊由极小值0增大至极大值0.148；
s自1/3→1时，ΔPs＊由极大值0.148减小至极小值0。
2
用国产变频器替代大功率液力耦合器调速势在必行
20多年前盛行采用液力耦合器对水厂供水泵及电厂引风机等进行调速节能。
受当时条件所限，变频调速技术不成熟且无法提供高压大功率变频装置，而液力耦合器投资便宜。
如今，若采用进口变频器2000～2500元/kW，投资回收期过长（达5～6年），而近年来国产高压大功率变频技术趋向成熟，价格1200～1500元/kW，预计不久将来会下降到1000元/kW左右，比传统的液力耦合器贵4～5倍。
表2列出了采用变频器取代液力耦合器的投资回收期对比，从表2可以看出变频器的投资按企业所节约电费计算，2～3年就可收回。
表2
投资回收期对比＊
功率/kW
轴功率/kW
变频器/万元
液力耦合器/万元
投资差价/万元
耗电量（kW·
h/年）
多耗电费（万元/年）
ΔPs＊=14％
电厂
企业
250
150
25
6.7
18.3
14.7
3.23
8
315
189
30
23.3
18.55
4
10
360
216
35
7.7
27.3
21.14
4.65
11.4
440
264
44
7.8
36.2
25.34
5.57
13.7
500
300
50
42.2
29.4
6.5
15.8
680
408
70
9.9
60.1
40
8.8
21.6
850
510
85
12
73
11
27
1050
630
100
15.5
84.5
61.7
13.6
33.3
1500
900
24
126
88.2
19.4
47.6
2000
1200
200
46
154
117.6
25.7
63.5
3000
1800
78
172
176.4
38.7
92.9
＊注：
年运行时间按7000h计；
电费电厂按0.22元/kW·
h，企业按0.54元/kW·
h计；
变频器价格≤500kW按660V等级变频器计算，680kW～3000kW为国产变频器2004年后预计价格。
华北某电厂引风机采用三种调节方式的测试数据如下：
该异步电机额定值PN=1250kW，UN=6kV，cosφN=0.85，ηN=95％，nN=742r/min，3种调节方式在不同发电负荷时的电动机输入电流，综合功率损耗分别如图2和图3所示，日耗电量见表3所列。
图2
电动机输入电流
图3
综合功率损耗
表3
3种调节方式的引风机日耗电量
日发电负荷/MW
挡板
液力耦合器
变频器
/kW·
h
3469（周五，1998.11.27）
17575
8920
5134
2667（周六，1998.11.28）
15743
6696
2738
2910（周日，1998.11.29）
16474
7437
3499
由于液力耦合器设计有一定的容量裕度，机组满负荷发电时转差率s≈0.27，效率η=73％，又有转差附加损耗14％左右；
而变频器在全调速范围内效率基本不变，保持在95％左右。
因此，变频器调速比液力耦合器变速节能效果更显著。
按机组年运行7200h（300d），应用变频调速年节电350万kW·
h，而使用液力耦合器年节电约100万多kW·
h，两者相差250万kW·
h。
投资对比如表4所列，从表4可知投资回收期约为2年3个月。
表4
1250kW设备投资对比万元
设备
价格
年节电费
0.125×
400=50
100×
0.22=22
变频器（进口）
1000=125
350×
0.22=77
差价
－75
＋55
3
结语
综合上述分析可知，从节能考虑国内大容量风机、水泵采用国产变频器调速更合理。
作者简介
周德贤（1936－），男，高级工程师。
上海电机工程学会电气传动专委会主任委员，上海电力电子学会常务理事，上海电器集团公司理事。
合编《风机水泵交流调速节能技术》、《风机水泵调速节能设计手册》等，发表论文26篇。
变频调速技术在离心式引风机控制中的节能分析
（发布日期：
2006-11-1415:
09:
16）
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摘要:
简要介绍了变频调速技术的节能原理，并以风机系统为例，分析了变频调速装置在离心式引风机控制中应用的现状与效果，变频调速装置除了具有节能效果外，还可以改善工艺状况，具有广泛的优越性。
关键词:
离心式通风机
变频调速
节能
1、引言
变频器调速技术在离心式引风机中得到广泛地应用。
风机最大特点是负载转矩与转速的平方成正比，而轴功率与转速的立方成正比，因此如将电机的定速运转改为根据需要的流量来调节电机的转速就可节约大量的电能。
2、控制系统改造的必要性分析
中铝青海分公司铝电解槽供料系统风动溜槽中促使氧化铝流动的高压风是由离心式引风机提供的，共36台，所以正确对离心式引风机进行控制是至关重要的。
原来对离心式引风机采用直接启动的方式，通过人工检查氧化铝的走料速度来决定启、停高压风机的台数，多数情况下，根据经验一套系统需启动两台功率为37kW的电机在工频下驱动的风机来满足供料。
但实际中一台风机就能满足风动溜槽中氧化铝流动所需的供风量，启动两台离心式引风机的优点是可保证电解槽的及时供料，风动溜槽中也不易积料，可避免由于溜槽中长时间积料造成的溜槽不畅通，也就避免了影响正常的供料。
在这中间忽略了能源的浪费。
近十几年来，随着电力电子技术、微电子技术与电力开关器件的发展，交流变频技术从理论到实践逐渐走向成熟。
变频调速以其效率高、调速范围大、调速精度高、特性硬、无级调速等优点，在各种交、直流调速系统中，尤其是节能技术改造中，变频技术的应用面正在不断扩大，应用也从简单的节能向改进工艺提高产品质量与产量的综合型方向发展。
在设计实施过程中，经常遇到的问题是使用变频调速器是否节约能源，能否满足生产工艺要求等。
为此，对其电气控制系统进行了改造，通过压力传感器检测溜槽中风压调整变频频率，对离心式引风机实行变频器变频控制，避免了能源的浪费，所以具有较大的改造价值。
3、变频调速技术的节能原理与负载关系
变频器在离心式引风机调速控制系统中应用主要目的是节能，交流异步电动机的转速公式n＝60f/P（1-S），电源频率与转速成正比，即改变频率可改变电机转速，理论上风量与转速的一次方成正比，轴功率与转速的3次方成正比，调节风门和调节转速时的测试数据分别如表1和表2所示。
表1调节风门时的测试数据
风量/（m3/s）
0.036
0.123
0.195
0.266
0.308
0.339
电功率/kW
0.86
0.90
0.98
1.02
1.06
1.12
表2调节转速时的测试数据
转速/（r/min）
160
490
880
1030
1170
1440
功率/kW
0.037
0.065
0.150
0.260
0.365
1.120
由表可见，与调节风门相比，调节转速具有十分显著的节能效果（被测电机pMN＝16kW
nMN＝1430r/min）
风机类负载其中空气、介质对机器中的叶片之阻力基本上和转速的平方成正比，即：
Mfz＝Kn2，式中K为比例系数〔1〕，实际的风机由于轴承上有一定的摩擦转矩Mm，是反抗性负载性质的，要由外加转矩克服这个Mm后，才能使风机转动。
因此，实际的风机负载转矩为Mfz＝Mm+Kn2。
现以恒转矩类负载与离心风机为例分析节能特性，为了分析的方便，假定电动机的输入功能等于这类装置的轴功率，即不考虑装置效率影响。
由于风机最大特点是负载转矩与转速的平方成正比，而轴功率与转速的立方成正比，因此如将电机的定速运转改为根据需要的流量来调节电机的转速就可节约大量的电能。
4
改造方案
4.1引风机加装变频器结构原理
从以上运行情况分析：
若提高电动机的工作效率、节约电能，可在风机电动机上装调速装置。
根据工作的情况调节调速器装置的速度即可以满足工作状况的要求。
用变频器对风机进行改造不必对原系统进行太大改动。
在变频改造的过程中，当氧化铝流动速度较慢时，让电动机高速运行便可达到要求。
当需风量不太大时，使电动机低速运转可节约电能。
同时，可根据需要而调节变频器，以满足工况要求。
4.2
改造原理
图1工作原理图
工作原理如图1所示〔2〕，将溜槽的实际风压经反馈后送到比较器的输入端与给定压力进行比较，当溜槽高压风压力不足时，通过对参数运算，调整PID的参数，控制电压上升，使VVVF频率相应增大，风机转速加快，供风量加大，迫使风压上升；
反之，风机转速减慢，供风量减少，迫使溜槽压力下降。
以保持稳定的恒压供风。
在本系统中采用了多风机控制，单机设定在25～50Hz范围内变化，在调节范围内管道压力远小于或大于设定值时，可以依靠增加或减少运行风机的数量来完成，加减风机按1→2→3转换顺序选择。
5
效果分析
变频调速节能控制装置的特点是效率高，没有因调速而带来附加转差损耗，调速范围大、精度高，可实现无级调速，而且容易实现协调控制和闭环控制。
由于可利用原鼠笼式电动机，所以特别适合旧设备的技术改造，它既保持了原电动机结构简单、可靠耐用、维修方便的优点，又能达到显著的节电效果，是风机交流调速节能的理想方法。
由于风机的功率较大、工作时间较长、节能效果非常显著，实际测得离心引风机实际电流为44A，直接启动电流为56A，如果按一年工作360天，调频30～50Hz，用随机分布来计算，可节约：
37kW×
24h×
360d×
44A/56A=251177kW·
h，按每kW·
h0.25元计算每年每台可节约62794元，则每年可以节约62794×
36＝2260584元。
来源：
中国论文下载中心
[06-03-1114:
11:
00]
作者：
侯润珍
编辑：
studa9ngns
而选择导叶调节方式的鼓风机，在保持出口压力恒定条件
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