变频技术对污水循环利用的应用

1、引言

近几年来，在国家节能减排、循环经济可持续发展经济政策指引下，如何充分利用资源，节约能源是现代企业要面对的一大难题。锦州国储洞库工程施工中需要用到大量的自来水，如何节约用水和污水的处理是项目上一直关心的问题。结合水幕洞注水和施工用水的特点，项目上设计了一套污水循环利用系统。该系统采用了变频技术控制水泵转速，从而控制供水压力。压力控制变频调速系统，达到了不必人为调节，压力可自行设定，调节后压力稳定，节约用电的目的。此系统的应用减少了自来水的使用，从而减少了污水的排放，达到了节能环保的效果。

2、污水循环利用系统

2.1施工用水和污水排放

锦州地下水封洞库设置有储油洞室、水幕巷道、施工巷道，储油洞室及水幕巷道为水平布置的地下隧道结构，如图1所示。本工程因工程特殊设计要求，进行喷射混凝土支护后不进行防排水及衬砌施工，造成渗水量较大，施工过程中产生大量废水排放;水幕系统为了保证施工期地下洞库水封安全、维持地下水系统平衡，需要在储油洞室施工过程中对地下围岩进行供水。同时，根据设计及环保要求，对水幕进行地下补水的水质要求较高，我部初始时均采用市政自来水，施工用水采用入口附近设置的高压水池提供。施工过程中需要大量的清洁水作为施工用水及水幕供水，每日用水量达到数百立方米，现阶段洞内每日排放污水1000余立方米，经初步沉淀处理后只能用于水质要求不高的洒水、混凝土养护、车辆清洗上，每日使用量十余立方米，循环利用率很低，大量废水排出根据专业检测机构对废水的检测结果，认为污水对周边环境造成了污染。因此提高污水的循环利用率是节约水资源、减少污水排放、降低工程周边环境污染的重要措施。

2.2污水循环利用系统的组成

1）污水收集和处理。水幕巷道施工已完成，其排水主要为围堰周边渗水，水幕渗水量较大，据统计平均大约为492m3/d。这部分水质较好。在水幕巷道两侧边墙部位施工水沟，将渗水进行汇集，如图1a）所示;然后在水幕巷道2与水幕巷道6交叉处，使用混凝土浇筑围堰，并预留导水槽出口，如图1b）所示;在水幕巷道口使用钢板现场制作沉淀箱，将围堰内集水通过槽钢导水槽将水引入水幕巷道与施工巷道交岔口处沉淀集水箱内，由于收集的水质较好，经简单沉淀处理就可重复利用。

2）水泵增压供水。将收集并沉淀处理后的水通过增压泵分别增压后导入水幕供水管和主洞室供水管。在管道上装有止回阀，并通过远传压力表，流量计等获取用水数据，同时根据远传压力表采集的压力信号经过控制器与设定压力比较后，将控制信号传送给变频器，从而调节增压泵转速，调节水压到设定值。3）污水循环利用系统总体结构。污水循环利用系统通过水幕巷道设置集水措施，将水幕巷道内渗水汇集后在沉淀池内经多次沉淀，再采用可控制增压泵进行分别增压后接入水幕供水管和主洞室供水管，以达到工作水压要求;多余水量排入水幕巷道口的污水池内抽出洞外，如图2所示。

3、变频控制系统

3.1CHF100A变频器

2.1.1变频器的工作原理我们知道，交流电动机的同步转速表达式为：其中，n为异步电动机的转速;f为异步电动机的频率;s为电动机转差率;p为电动机极对数。由式（1）可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0Hz～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

3.1.2英威腾CHF100A变频器技术特性

1）输入输出特性。a.输入电压范围：380V/220V±15%;b.输入频率范围：47Hz～63Hz;c.输出电压范围：0～额定输入电压;d.输出频率范围：0Hz～400Hz。2）外围接口特性。a.可编程数字输入：7路开关量输入，1路高速脉冲输入;b.可编程模拟量输入0V～10V输入，AI2:0V～10V或0mA～20mA输入;c.开路集电极输出：1路输出;d.继电器输出：2路输出;e.模拟量输出：2路输出，分别可选0/4mA～20mA或0V～10V。3）技术性能特性。a.控制方式：开环矢量控制（SVC）、V/F控制;b.过载能力：150%额定电流60s;180%额定电流10s;c.调速比：1∶100;d.载波频率：0.5kHz～15.0kHz。

3.1.3英威腾CHF100A变频器结构

英威腾变频器外部有操作键盘面板，控制板端子，主回路端子，主回路电缆入口，控制电缆入口，安装孔等。

3.1.4英威腾变频器参数设置与接线端子

1）参数设置。在变频器的操作键盘面板中设置变频器参数，本系统中需要改变的参数有：a.设置P0.00=0，把数度控制方式设为V/F控制;b.设置P0.01=1，把运行控制方式设为接线端子控制（S1和GND）;c.设置P0.03=50Hz，把最大频率输出设置为50Hz;d.设置P1.06=1，把停机方式设置为自由停车;e.设置P5.01=1，把S1端子功能设置为正转运行;f.设置P5.12=0.00V，把AI1下限值设置为0V;g.设置P5.14=10.00V，把AI1下限值设置为10V;h.其他参数保持默认或由系统根据电机参数自动设置。2）变频器接线端子。变频器接线主回路有三相电源输入和变频输出，控制端子接线有运行控制S1，COM和频率模拟控制信号AI1，GND，此型号（18.5kW以下）制动电阻内置无需外接。

3.2HD4000控制器

3.2.1技术特性

1）可编程设定多种泵工作方式，最多可拖4台泵循环启动;

2）液晶汉字显示，参数调整和设定具有密码锁定及保护功能，系统运行状态和故障状态汉字提示，运行状况一目了然;

3）采用人工智能模糊控制算法，设定参数少，控制精度高，双看门狗电路，采用数字滤波及多项抗干扰措施，防止软件跑飞;

4）可接无源远传压力表、有源电压及电流型压力变送器，具有压力传感器零点和满度补偿功能;

5）具有缺水自动检测保护功能和外部输入停机保护功能;

6）具有手动操作功能，可手动调节输出电压来控制变频器的频率;

7）D/A输出控制频率电压为DC:0V～10V，也可设定为DC:0V～5V;

8）控制器接线端子输出容量：3A/AC:220V;

9）额定工作电压220V±10%;

10）控制器额定功耗：不大于AC5W。2.2.2控制器结构HD4000控制器正面是控制面板，控制器背部是接线端子。

3.2.3参数设置与接线端子

1）参数设置。在控制面板中设置控制器参数，本系统中需要改变的参数有：a.设置P00=0.60，系统所需压力设置为0.60MPa;b.设置P03=1，把水泵工作方式设置为一台泵工作;c.设置P07=1，把模拟量输出电压设置为0V～10V;d.设置P08=1，把传感器信号电压设置为0V～5V;e.设置P09=1.0，把传感器量程设置为1.0MPa;f.设置P15=50，把手动输出频率设置为50Hz;g.其他参数保持出厂默认值即可。

2）控制器接线端子。控制器接线有电源端子L和N，远传压力表端子V+，IN和GND，停机信号端子DI2和CM2，模拟控制输出端子D/A和CM2以及电机运行控制信号端子B1。

3.3YTZ-150远传压力表

本系统中选用YTZ-150型电位器式远传压力表。仪表机械部分与一般弹簧压力表相同，电位器在齿轮传动机上，当扇形齿轮发生偏转时，固定在扇形齿轮轴上的电刷也滑动，从而被测压力的变化转变成电阻值的变化，输出相应的压力值。在压力表盘的右边接线盒内有红、黄、绿三个接线端子，分别对应电源正、压力信号输出、电源负极。

3.4增压水泵

本系统选用了两台ISG65-250A型立式离心泵作为增压泵。电机功率11kW，额定转速2930r/min。水泵流量6.5L/s，扬程70m。

3.5控制系统结构和工作原理

1）控制柜。控制系统中还有断路器，交流接触器，熔断器，指示灯，旋转开关和接线座等电气元件。

2）控制系统工作原理。如图3所示，当系统Q1，Q2闭合，变频器得电，停止指示灯L2通电。打开旋转开关SB1，控制器得电，系统自动工作，交流接触器KM1线圈得电，接触器主触点闭合，增压泵电机与变频器接通;接触器常闭辅助触点断开，停止指示灯L2断电;接触器常开辅助触点闭合，运行指示灯L1得电，变频器S1与GND接通，变频器开始运行。通过远传压力表采集管道水压，控制器采集的压力值与设定值比较输出0V～10V的模拟控制信号给变频器，变频器控制增压泵转速，从而调节管道压力。当Q3闭合时，控制器输出断开，系统暂停工作。当SB1断开时，控制器断电，系统停止工作。

4、结语

污水循环利用系统的应用为项目节能环保做出了很大的贡献。据统计，平均每天循环用水量为314m3/d，对外排水量794m3/d，工程循环用水率达到28.3%（314/1108），节约自来水301m3/d，减少污水排放314m3/d（1108-794），经测算平均每月节约用水9030m3，数据表明了污水循环利用系统的经济效益和环境效益。同时变频调速技术为污水循环利用系统提供了技术支持，利用变频技术实现水泵转速由变频器控制，调节水泵转速实现压力控制的技术方案科学合理、技术先进、功能完善、控制简单、操作方便、手动和自动调节切换容易、系统经济实用、运行稳定、可靠性高、有较好的应用前景，同时对相关领域自动控制系统设计有很好的借鉴和帮助意义。

审核编辑 ：李倩