劉玉永，汪文生，盧雪飛，梁曉玲，趙恒文

（1.南京貝特環(huán)保通用設(shè)備制造有限公司，南京 211500；2.皖江工學(xué)院，安徽 馬鞍山 243031；3.河海大學(xué)，南京 210098）

水和能源是現(xiàn)代社會的兩大基礎(chǔ)資源,污水處理廠是實現(xiàn)水污染防治和水資源循環(huán)利用的重要手段，但污水處理行業(yè)也是高能耗行業(yè)，其中電耗占總能耗的60%—90%[1,2]。據(jù)統(tǒng)計，2011 年全國城鎮(zhèn)污水處理總電耗為100 億kW·h，占全國總電耗的0.2%，電耗是污水處理廠成本的主要組成部分。2015 年3 月，北京市頒布了《城鎮(zhèn)污水處理能耗消耗限額》（DB/T 1118—2014）,這是我國首個針對污水處理能源消耗限額的規(guī)定。有資料顯示，電動機驅(qū)動類設(shè)備消耗的電能占污水處理廠總電耗的60%—70%。在污水處理廠建設(shè)和運營過程中，需減少能源消耗，從而實現(xiàn)提質(zhì)增效。具體可以采取以下措施：一方面，在池型設(shè)計、設(shè)備選型布置上，從安裝角度做到優(yōu)化優(yōu)選，充分發(fā)揮設(shè)備性能，提高工作效率；另一方面，通過采用新型高效的動力方案和攪拌器結(jié)構(gòu)，提高攪拌機的水力和傳動效率，實現(xiàn)節(jié)能降耗。

1 攪拌設(shè)備的能耗

目前，常見的污水處理工藝有A/O、A2/O、氧化溝、SBR 等。在所有的工藝中，攪拌設(shè)備通常是保證工藝運行的必備設(shè)備之一。通過對不同地區(qū)、不同工藝、不同規(guī)模污水處理廠攪拌設(shè)備的能耗進行統(tǒng)計（見表1）[3]，可知攪拌設(shè)備在污水處理廠生化單元能耗中占比較高，是主要的耗能設(shè)備。

表1 污水處理廠生化單元攪拌能耗占比

2 池型設(shè)計和布局對攪拌能耗的影響

潛水?dāng)嚢铏C是污水處理工藝中的關(guān)鍵設(shè)備之一，也是A2/O、A/O 及氧化溝等多種生化處理工藝中最為常用的攪拌設(shè)備。工程應(yīng)用中的數(shù)據(jù)顯示，生化池的池型設(shè)計會對攪拌機的能耗產(chǎn)生明顯影響，當(dāng)生化池的高徑比（液位與池底直徑比值）在0.5—1.0 時，完成生化反應(yīng)所需攪拌能耗相對較低；當(dāng)生化池的高徑比超過此范圍時，一般需對攪拌能耗給予1.0—2.0 的池型校正系數(shù)，池型校正系數(shù)見圖1。

圖1 池型校正系數(shù)

在設(shè)備布局上，合理的布局有利于實現(xiàn)良好的攪拌效果。在工程應(yīng)用中，一般會遵循以下幾個原則，如系統(tǒng)優(yōu)化原則（由2—4 臺攪拌機組成交叉射流）、發(fā)展長射流原則、循環(huán)水流原則等。結(jié)合工程應(yīng)用實例，圖2 列舉了幾種常用的設(shè)備布局方式。

圖2 攪拌機布局方式

3 攪拌機節(jié)能途徑

3.1 常規(guī)結(jié)構(gòu)

污水處理廠使用的潛水?dāng)嚢铏C多采用多極異步電機直接驅(qū)動葉輪的方式，電機的常用極數(shù)有6 極、8 極、10 極、12 極等。這種攪拌機的能量損失主要包括電動機的發(fā)熱損耗（定子繞組銅耗、轉(zhuǎn)子繞組銅耗、鐵芯損耗）、雜散損耗、機械摩擦損耗、通風(fēng)損耗等。多極異步電機，尤其是8 極以上多極異步電機，具有扭矩大、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，但效率和功率等比低極數(shù)電機（2 極或4 極）低，從而造成能量消耗較高。采用多極異步電機的潛水?dāng)嚢铏C見圖3。

圖3 多極異步電機方案

3.2 減速電機結(jié)構(gòu)

效率較高的異步電機配合高效減速器的減速電機結(jié)構(gòu)，也可作為潛水?dāng)嚢铏C的驅(qū)動方式。這種驅(qū)動方式突破了多極電機效率和功率因數(shù)等電氣參數(shù)的限制，可在電動機系列里挑選高能效產(chǎn)品，通過與高效減速器的配合，組成減速電機的結(jié)構(gòu)，獲得較高的傳動效率。例如，選取《潛水?dāng)嚢铏C》（CJ/T 109—2007）標(biāo)準(zhǔn)系列中型號為QJB620/480-5 的潛水?dāng)嚢铏C，機電功率5kW、葉輪直徑620mm、輸出轉(zhuǎn)速480rpm，電機采用12 極異步電機直接驅(qū)動，按電機相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其效率為77.4%，功率因數(shù)為0.63。同樣型號規(guī)格，如采用減速電機結(jié)構(gòu)，依據(jù)《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》（GB 18613—2012）可選用效率較高的4 極異步電機，其效率可達87.7%[4]，配合一級傳動高效斜齒輪減速器獲得所需扭矩和轉(zhuǎn)速，傳動效率可達98%以上[5]，綜合傳動效率超過85%，高于12 極異步電機77.4%的傳動效率。采用減速異步電機結(jié)構(gòu)的潛水?dāng)嚢铏C見圖4。

圖4 減速異步電機方案

3.3 永磁電機結(jié)構(gòu)

異步起動永磁電機又稱自起動永磁同步電機（LSPMSM），是近年來發(fā)展較快的一種永磁同步電機，在中小功率和高壓大功率上應(yīng)用廣泛。異步起動永磁電機在穩(wěn)態(tài)運行時為同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速不受負(fù)載影響，轉(zhuǎn)子鼠籠條不再切割磁場，無轉(zhuǎn)子電流，轉(zhuǎn)子電阻損耗為零。因轉(zhuǎn)子內(nèi)嵌稀土永磁體，無須設(shè)定勵磁電流分量，可大幅提高電機功率因數(shù)。采用永磁電機結(jié)構(gòu)的潛水?dāng)嚢铏C見圖5。

圖5 永磁電機結(jié)構(gòu)潛水?dāng)嚢铏C

3.4 能耗對比試驗

為了更接近工程實際情況，測試方案采用實驗室測試數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實際運行數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式，分別對三種結(jié)構(gòu)的潛水?dāng)嚢铏C進行性能參數(shù)和實況運行測試。

首先，在試驗條件下分別測試了三種結(jié)構(gòu)的潛水?dāng)嚢铏C在不同負(fù)載條件下的效率（見圖6）。通過對曲線的分析可知，永磁電機結(jié)構(gòu)的傳動效率最高可達92%，效率曲線隨負(fù)載變化最??；減速電機結(jié)構(gòu)的最高效率約為85%，效率曲線隨負(fù)載變化較??；多極異步電機最高效率為78%左右，效率曲線隨負(fù)載變化最大。然后，在相同的實際工況下對三種結(jié)構(gòu)的潛水?dāng)嚢铏C進行了相關(guān)運行參數(shù)的測試，并采用GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控手段連續(xù)采集數(shù)據(jù)。最后，對數(shù)據(jù)進行對比分析。在深圳某污水凈化廠分別安裝采用常規(guī)結(jié)構(gòu)、減速電機結(jié)構(gòu)、永磁電機結(jié)構(gòu)的三臺潛水?dāng)嚢铏C。設(shè)備自2019 年5 月開始采集數(shù)據(jù)，通過MSC 在線智慧運行平臺進行實時數(shù)據(jù)的檢測和記錄，記錄數(shù)據(jù)見表2。

表2 潛水?dāng)嚢铏C電機能耗對比

圖6 電機效率對比

通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，減速電機和永磁電機在能效上明顯優(yōu)于多極異步電機。相對于多極異步電機,采用減速電機結(jié)構(gòu)的潛水?dāng)嚢铏C可節(jié)能約11%、減少電流約28%；采用永磁電機結(jié)構(gòu)的潛水?dāng)嚢铏C可節(jié)能約18%、減少電流約38%。實際運行中，設(shè)備負(fù)載率隨著污水處理廠運行工況的變化而有所波動，12 極異步電機的效率隨負(fù)載率變化而波動較大，減速電機和永磁電機都較為平穩(wěn)。

4 結(jié)語

攪拌設(shè)備能耗在污水處理總能耗中占比較高，在電機結(jié)構(gòu)方面具有較高的節(jié)能改造潛力。通過在試驗和實際工況下的對比分析可知，相比于多極異步電機，減速電機結(jié)構(gòu)可節(jié)能11%，永磁電機結(jié)構(gòu)可節(jié)能18%，因此減速電機和永磁電機是較為可行的攪拌設(shè)備節(jié)能途徑。同時在工程設(shè)計時，池型的合理設(shè)計以及設(shè)備的優(yōu)化布局安裝，都可以降低污水處理廠在攪拌設(shè)備上的電能消耗,對于污水處理廠節(jié)約成本、增加效益具有積極意義。