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張大鵬

1  系統概況
曝氣池是污水處理系統的核心設備，鼓風機將壓縮空氣通過管道送入曝氣池，使空氣中的氧溶解在污水中，供給活性污泥中的微生物。污水中的含氧量必須保持在適當的范圍內，否則微生物就會缺乏活性，起不到降解作用。由于鼓風機的風壓是一定的，風量只能靠出氣閥調節，實際生產運行中出氣閥開度一般在50%～70%。因此，在上述過程中如果應用變頻調速系統控制風量，即可滿足工藝要求又可達到節能效果。
2  節能原理
離心式鼓風機屬典型的平方率負載，理想的平方律負載的阻轉矩T與轉速N的平方成正比，即
T=KtN2    （Kt為轉矩常數）                      (1)
P=KtN3/9550=KPN3   （KP為功率常數）             (2)
平方律負載的功率P與轉速N的三次方成正比，即
因此，在工藝允許的范圍內盡可能的降低轉速才會取得最佳節能效果。
3  應用中出現的問題
(1)  最佳節能效果
現代變頻器有許多先進的功能，合理的選擇利用會取得更好的效果。如圖1所示，曲線0是平方律負載的機械特性，曲線1是電動機在V/F控制方式下的轉矩曲線。當轉速為Nx時，負載轉矩為Tx，電機轉矩為Tmx，可以看出，在低頻運行時，電動機的轉矩與負載轉矩相比，仍高出許多，也就是說該系統還有很大的節能潛力。因此合理的選擇變頻器的V/F曲線，可取得進一步的節能效果。但是在減低V/F曲線時，要注意低頻時的啟動問題。如圖1中的曲線0和曲線3相交于S點，顯然在S點以下系統不能啟動。
(2)  喘震問題
在實際應用中會發現，如果變頻器運行于41Hz左右時，系統就會發生嚴重的震蕩，電流大幅變化，電機發出刺耳的噪音。
  

圖1  平方律負載機械特性曲線 

圖2  系統防喘震分析示意圖

原因分析，如圖2所示，鼓風機風道出口位于曝氣池底部，曝氣池水位h是固定不變的，只有風道壓力Pf大于水體對風道的壓力Ps即Pf-Ps>0時空氣才能順利送入池中。當Ps與Pf非常接近時，由于Ps和Pf總有微小的波動，這時它們之差就時而大于0，時而小于0，因此壓縮空氣流呈斷續狀態，這就導致電流大幅波動，從而發生喘震現象。此時的頻率稱為喘震頻率Nc。為避免喘震現象的發生，可以在選擇V/F曲線時使S點對應的頻率Nmin>NC，并且變頻器下限頻率設定為Nmin即可解決問題，而此時的節電效果恰恰也是最好的。
(3)  上限頻率
由于負載轉矩與轉速的三次方成正比，如果實際轉速高于額定轉速，負載轉矩可能大大超過額定轉矩。另外變頻器一般具有轉差補償功能，當變頻器顯示50Hz時，其實際轉速一般高于50Hz，從而引起電機過載、軸承加速損壞等問題，因此應設定上限頻率為49Hz。
4  改造效果
(1)  風機電機功率為110kW，實際測量改造前電流為120～130A，采用FUJI110kW變頻器改造后電流為70～80A，頻率基本穩定在43Hz，應用公式(2)計算，月節電18000kWh。以每年運行11個月，每度電0.45元計算，每年可節約電費9萬余元。
(2)  應用變頻調速后，電機轉速下降，軸承等機械磨損減少，壽命延長，維修工作量減少。
(3)  應用變頻調速后，電機可以軟起動，起動電壓降減少，對電網的沖擊大幅減少。