變頻器在污水處理系統中的應用

1　引言

　　2006年10月，滄州煉油廠供排水車間根據工藝需要，對煉廠的污水處理系統進行了改造，對原有的工業污水進行處理，以增加工業廢水的綜合利用率，為此車間新上一套lw400-1800臥式螺旋推料沉降離心機，對工藝生產中產生的污泥進行處理。

　　污泥脫水處理系統的關鍵設備是污泥脫水主機，即臥式螺旋推料沉降離心機（簡稱臥螺離心機），是利用離心沉降原理分離懸浮液的設備，即當裝有混合液的容器圍繞自己的軸線旋轉時，由于組成懸浮液的比重不同，所以它們受到的離心力也不同。懸浮液中的重相受到最大的離心力將向外沉到容器內壁，輕相則附在重相的表面。當容器中設有進料、出料等裝置時，即形成了連續工作式的臥螺離心機的某種分界面。分層的速度受到組成懸浮液輕重相密度差和離心力大小的影響，密度差越大，離心力越大，分層的速度越快。對固相顆粒當量直徑≥0.005～2mm、重量濃度比≤10%或體積濃度比≤70%、液固密度差≥0.05g/cm3的各種懸浮液均適合采用該類離心機進行液固分離。

2　系統組成和工作原理

　　2.1　離心機的結構

　　圖1所示的臥式螺旋卸料離心機主要由轉鼓、螺旋和差速器組成，轉鼓由主電機拖動，螺旋由副電機通過差速器來拖動，主電機和副電機都通過變頻器采用共母線的方式來控制，不僅能實現能量共享，而且能夠有效、及時的調整差轉速，來保證離心機穩定的分離效果。高速旋轉的轉鼓內裝有輸料螺旋，其旋轉方向與轉鼓相同，但兩者之間由差速器產生一定的速度差，懸浮液從進料管進入機內，在離心力的作用下，懸浮液固相被沉降在轉鼓內壁，由推料螺旋推送到轉鼓小端，從沉渣口排出，澄清后的液相從轉鼓大端溢流口流出。轉鼓與螺旋卸料器的差轉速取決于差速器的傳動比及其轉速。

　　2.2　系統的工作過程

　　轉鼓、螺旋輸送器同向高速運轉，轉鼓與螺旋輸料器在差速器的作用下形成10-35r/min的差轉速，分離原液經進料管進入高速轉動的轉鼓內，在離心力的作用下液體中比重大的懸浮物迅速向筒壁積聚，分離的濾液由液管進入水室分離排出，沉渣由螺旋輸送器推到轉筒的圓錐端經出渣口排出。

3　系統的電氣控制

　　該離心機在傳動上采用雙變頻共母線的控制方式，變頻器采用三墾力達電氣有限公司生產的samco－vm05變頻器，系統進行檢測螺旋的力矩，通過改變副電機的頻率來調整差轉速進行恒力矩控制，最終實現分離物料的恒力矩控制。如圖3所示：

　　1-主變頻器;2-主電機;3-離心機;4-差速器;5-副電機;6-副變頻器

　　3.1　臥式螺旋卸料沉降離心機背驅動裝置的負載性質

　　安裝在臥螺離心機差速器小軸端的調速裝置稱為背驅動裝置。在螺旋滯后于轉鼓時，這些裝置都是以消耗離心機動能為代價，對小軸作用制動力矩，借以達到調節差轉速的目的。對小軸而言，背驅動裝置是一種負負載。

　　在通用變頻器調速系統中，和差速器小軸相連的電動機長期處于再生狀態，運行于第4象限，從離心機接受機械能，將再生制動的能量反饋到變頻器的直流母線上，再通過制動電阻將其消耗掉。

　　3.2　共直流母線交流變頻調速系統的結構和特點

　　圖3中，離心機3由主電機2驅動，差速器小軸由副電機5驅動。主、副電機的轉速由變頻器1、6控制，二者的直流母線并連，三相電源輸入主變頻器1。

　　系統具有如下特點：

　　（1）優良的節能性能：在螺旋滯后時，再生的能量送到副變頻器的直流母線上，由于主、副變頻器的直流母線共用，該能量就經過主變頻器被主電機利用。

　　為簡單起見，設穩態時離心機以恒轉矩和恒差速運行（不計及調速時加速轉矩和減速轉矩的影響），則回收的能量為：

　　p=0.8mn/9550

　　式中：p-功率（kw） m-小軸力矩（n.m） n-小軸轉速（r/min）

　　m前的0.8倍是由于再生制動時，即使不加放電的制動電阻，電動機內部也有20%的銅損被轉換為制動轉矩。

　　（2）動態響應快：有些pid調節系統往往有超調現象，過渡過程時間較長，例如電渦流制動器調速系統，穩定周期有時長達數分鐘。而采用變頻調速系統轉矩響應時間僅150－200ms，動態特性明顯改善。

　　（3）容易處理突發事件造成的轉鼓內物料的堆積：副電機反轉時運行于第ⅰ象限（電動機狀態），這時差速很大：δn=（n1+n）/i，（n1－轉鼓轉速r/min;i－差速器速比），由于變頻器具有2倍額定力矩的靜態啟動轉矩，使堆積在轉鼓內的物料容易排出。

　　（4）有利于實現恒轉矩控制：沉泥具有可壓縮性，含固率時時刻刻在變化，使螺旋推料力矩隨著進料流量和含固率的波動而變化，要求電氣系統根據力矩變化及時控制進料量或差轉速，否則，很容易堵料。

　　恒力矩控制的關鍵是實時連續測量螺旋推料力矩，必須合理選擇力矩傳感元件。在液力馬達調速系統中，使用液油壓力變送器;在電渦流制動器調速系統中，使用電阻應變式力矩傳感器;在本文介紹的變頻器調速系統中，則可直接利用變頻器輸出的力矩電流模擬量，不必單獨安裝傳感器。

　　samco－vm05變頻器具有轉矩控制和轉速控制兩種工作方式：當選擇轉矩控制方式時，變頻器輸出頻率將根據輸出力矩信號自動調節，當螺旋推料力矩變大時，降低輸出頻率，增加差速，將沉泥快速推出轉鼓;反之，增加輸出頻率，減小差速，使力矩增加，最終使螺旋推料力矩穩定在設定值附近。

　　3.3　調速系統的設計

　　（1）變頻器選型：對主變頻器沒有特別要求，副變頻器要求能屏蔽輸入缺相保護。如果離心機需要恒力矩控制，應選用矢量控制變頻器。

　　（2）主、副變頻器功率匹配：不是任意功率的變頻器都可以連接，選取主變頻器功率時必須考慮到當副電機處于電動機狀態時，副變頻器從主變頻器吸取功率的能力。

　　（3）副電機選型：副電機額定輸出力矩應能滿足螺旋推料力矩的需求。由于差速器小軸傳遞力矩m是螺旋推料力矩m2的i分之一，因此副電機的額定力矩應大于m2/i;具體計算時，應考慮差轉速調節范圍，電機連接方式等因素。選用普通三相異步電機，轉速控制精度為0.5%-0.1%，選用帶編碼器的變頻電機，變頻器運行在帶pg矢量控制方式下，轉速控制精度可達到0.1%－0.05%。

　　本系統中主、副變頻器分別選用spf－22k和spf－7.5k變頻器，主電機型號規格為：yb2－180l－2，22kw，副電機型號規格為：yb2－132m－4，7.5kw。本系統離心機型號為lw400－1800，為無錫市中達離心機械有限公司生產，運行轉速n1=2300r/min;差速器額定輸出力矩為4000－5000，速比i=93;差速調節范圍δn=2－20r/min（正常運行6～12r/min）;副電機和差速器小軸連接（如圖3），差速按δn=（外轉鼓轉速-差速器輸入軸轉速）/差速器速比=（n1-n）/i計算，本系統的計算值為（2300-1650）/93=6.98，通過計算，完全可以滿足工藝要求。

4　電氣控制系統

主變頻器k1用于驅動離心機，使離心機轉速0～3200r/min無級可調，變頻器的輸入控制頻率由端子di1和di2設定。系統操作時，先啟動副電機，再啟動主電機，主電機到達設定轉速后，進清水清洗3min，關閉清洗閥，先后開啟輸送機、切割機、加藥泵，延時10s后，開進料泵進料工作。離心機的污泥脫水分離頻率出廠時設置為45hz（轉鼓轉速3150r/min），沖洗頻率出廠時設置為5hz（轉鼓轉速350r/min），如果需要改變運行頻率，可以對變頻器參數cd631進行設定。

　　k2是副變頻器，用于調節離心機轉鼓和螺旋速度之差，即差轉速，改變差轉速的大小可以改變離心機的推泥速度，也會影響離心機每小時污泥處理量。本機主副變頻器直流母線直接并連，具有優良的節能效果。

5　結束語

　　三墾變頻器在lw400-1800臥式螺旋推料沉降離心機上的應用，一是滿足了工藝上的要求，進一步減少了煉油廠的污水外排量，二是共直流母線交流變頻調速系統較好地解決了臥式螺旋推料沉降離心機背驅動電機再生能量的回收問題，它給用戶帶來了很大的實惠。經過近兩個月的應用，系統運行良好，收到了較好的效益。