变频器在污水处理系统中的应用

1　引言

　　2006年10月，沧州炼油厂供排水车间根据工艺需要，对炼厂的污水处理系统进行了改造，对原有的工业污水进行处理，以增加工业废水的综合利用率，为此车间新上一套lw400-1800卧式螺旋推料沉降离心机，对工艺生产中产生的污泥进行处理。

　　污泥脱水处理系统的关键设备是污泥脱水主机，即卧式螺旋推料沉降离心机（简称卧螺离心机），是利用离心沉降原理分离悬浮液的设备，即当装有混合液的容器围绕自己的轴线旋转时，由于组成悬浮液的比重不同，所以它们受到的离心力也不同。悬浮液中的重相受到最大的离心力将向外沉到容器内壁，轻相则附在重相的表面。当容器中设有进料、出料等装置时，即形成了连续工作式的卧螺离心机的某种分界面。分层的速度受到组成悬浮液轻重相密度差和离心力大小的影响，密度差越大，离心力越大，分层的速度越快。对固相颗粒当量直径≥0.005～2mm、重量浓度比≤10%或体积浓度比≤70%、液固密度差≥0.05g/cm3的各种悬浮液均适合采用该类离心机进行液固分离。

2　系统组成和工作原理

　　2.1　离心机的结构

　　图1所示的卧式螺旋卸料离心机主要由转鼓、螺旋和差速器组成，转鼓由主电机拖动，螺旋由副电机通过差速器来拖动，主电机和副电机都通过变频器采用共母线的方式来控制，不仅能实现能量共享，而且能够有效、及时的调整差转速，来保证离心机稳定的分离效果。高速旋转的转鼓内装有输料螺旋，其旋转方向与转鼓相同，但两者之间由差速器产生一定的速度差，悬浮液从进料管进入机内，在离心力的作用下，悬浮液固相被沉降在转鼓内壁，由推料螺旋推送到转鼓小端，从沉渣口排出，澄清后的液相从转鼓大端溢流口流出。转鼓与螺旋卸料器的差转速取决于差速器的传动比及其转速。

　　2.2　系统的工作过程

　　转鼓、螺旋输送器同向高速运转，转鼓与螺旋输料器在差速器的作用下形成10-35r/min的差转速，分离原液经进料管进入高速转动的转鼓内，在离心力的作用下液体中比重大的悬浮物迅速向筒壁积聚，分离的滤液由液管进入水室分离排出，沉渣由螺旋输送器推到转筒的圆锥端经出渣口排出。

3　系统的电气控制

　　该离心机在传动上采用双变频共母线的控制方式，变频器采用三垦力达电气有限公司生产的samco－vm05变频器，系统进行检测螺旋的力矩，通过改变副电机的频率来调整差转速进行恒力矩控制，最终实现分离物料的恒力矩控制。如图3所示：

　　1-主变频器;2-主电机;3-离心机;4-差速器;5-副电机;6-副变频器

　　3.1　卧式螺旋卸料沉降离心机背驱动装置的负载性质

　　安装在卧螺离心机差速器小轴端的调速装置称为背驱动装置。在螺旋滞后于转鼓时，这些装置都是以消耗离心机动能为代价，对小轴作用制动力矩，借以达到调节差转速的目的。对小轴而言，背驱动装置是一种负负载。

　　在通用变频器调速系统中，和差速器小轴相连的电动机长期处于再生状态，运行于第4象限，从离心机接受机械能，将再生制动的能量反馈到变频器的直流母线上，再通过制动电阻将其消耗掉。

　　3.2　共直流母线交流变频调速系统的结构和特点

　　图3中，离心机3由主电机2驱动，差速器小轴由副电机5驱动。主、副电机的转速由变频器1、6控制，二者的直流母线并连，三相电源输入主变频器1。

　　系统具有如下特点：

　　（1）优良的节能性能：在螺旋滞后时，再生的能量送到副变频器的直流母线上，由于主、副变频器的直流母线共用，该能量就经过主变频器被主电机利用。

　　为简单起见，设稳态时离心机以恒转矩和恒差速运行（不计及调速时加速转矩和减速转矩的影响），则回收的能量为：

　　p=0.8mn/9550

　　式中：p-功率（kw） m-小轴力矩（n.m） n-小轴转速（r/min）

　　m前的0.8倍是由于再生制动时，即使不加放电的制动电阻，电动机内部也有20%的铜损被转换为制动转矩。

　　（2）动态响应快：有些pid调节系统往往有超调现象，过渡过程时间较长，例如电涡流制动器调速系统，稳定周期有时长达数分钟。而采用变频调速系统转矩响应时间仅150－200ms，动态特性明显改善。

　　（3）容易处理突发事件造成的转鼓内物料的堆积：副电机反转时运行于第ⅰ象限（电动机状态），这时差速很大：δn=（n1+n）/i，（n1－转鼓转速r/min;i－差速器速比），由于变频器具有2倍额定力矩的静态启动转矩，使堆积在转鼓内的物料容易排出。

　　（4）有利于实现恒转矩控制：沉泥具有可压缩性，含固率时时刻刻在变化，使螺旋推料力矩随着进料流量和含固率的波动而变化，要求电气系统根据力矩变化及时控制进料量或差转速，否则，很容易堵料。

　　恒力矩控制的关键是实时连续测量螺旋推料力矩，必须合理选择力矩传感元件。在液力马达调速系统中，使用液油压力变送器;在电涡流制动器调速系统中，使用电阻应变式力矩传感器;在本文介绍的变频器调速系统中，则可直接利用变频器输出的力矩电流模拟量，不必单独安装传感器。

　　samco－vm05变频器具有转矩控制和转速控制两种工作方式：当选择转矩控制方式时，变频器输出频率将根据输出力矩信号自动调节，当螺旋推料力矩变大时，降低输出频率，增加差速，将沉泥快速推出转鼓;反之，增加输出频率，减小差速，使力矩增加，最终使螺旋推料力矩稳定在设定值附近。

　　3.3　调速系统的设计

　　（1）变频器选型：对主变频器没有特别要求，副变频器要求能屏蔽输入缺相保护。如果离心机需要恒力矩控制，应选用矢量控制变频器。

　　（2）主、副变频器功率匹配：不是任意功率的变频器都可以连接，选取主变频器功率时必须考虑到当副电机处于电动机状态时，副变频器从主变频器吸取功率的能力。

　　（3）副电机选型：副电机额定输出力矩应能满足螺旋推料力矩的需求。由于差速器小轴传递力矩m是螺旋推料力矩m2的i分之一，因此副电机的额定力矩应大于m2/i;具体计算时，应考虑差转速调节范围，电机连接方式等因素。选用普通三相异步电机，转速控制精度为0.5%-0.1%，选用带编码器的变频电机，变频器运行在带pg矢量控制方式下，转速控制精度可达到0.1%－0.05%。

　　本系统中主、副变频器分别选用spf－22k和spf－7.5k变频器，主电机型号规格为：yb2－180l－2，22kw，副电机型号规格为：yb2－132m－4，7.5kw。本系统离心机型号为lw400－1800，为无锡市中达离心机械有限公司生产，运行转速n1=2300r/min;差速器额定输出力矩为4000－5000，速比i=93;差速调节范围δn=2－20r/min（正常运行6～12r/min）;副电机和差速器小轴连接（如图3），差速按δn=（外转鼓转速-差速器输入轴转速）/差速器速比=（n1-n）/i计算，本系统的计算值为（2300-1650）/93=6.98，通过计算，完全可以满足工艺要求。

4　电气控制系统

主变频器k1用于驱动离心机，使离心机转速0～3200r/min无级可调，变频器的输入控制频率由端子di1和di2设定。系统操作时，先启动副电机，再启动主电机，主电机到达设定转速后，进清水清洗3min，关闭清洗阀，先后开启输送机、切割机、加药泵，延时10s后，开进料泵进料工作。离心机的污泥脱水分离频率出厂时设置为45hz（转鼓转速3150r/min），冲洗频率出厂时设置为5hz（转鼓转速350r/min），如果需要改变运行频率，可以对变频器参数cd631进行设定。

　　k2是副变频器，用于调节离心机转鼓和螺旋速度之差，即差转速，改变差转速的大小可以改变离心机的推泥速度，也会影响离心机每小时污泥处理量。本机主副变频器直流母线直接并连，具有优良的节能效果。

5　结束语

　　三垦变频器在lw400-1800卧式螺旋推料沉降离心机上的应用，一是满足了工艺上的要求，进一步减少了炼油厂的污水外排量，二是共直流母线交流变频调速系统较好地解决了卧式螺旋推料沉降离心机背驱动电机再生能量的回收问题，它给用户带来了很大的实惠。经过近两个月的应用，系统运行良好，收到了较好的效益。