مطالعه موردی صرفه‌جویی انرژی VFD: دمنده مخزن هوادهی تصفیه آب

دمنده های هوادهی فاضلاب شهری بزرگترین تجهیزات برق مصرفی در کارخانه های فاضلاب هستند. اکثر تاسیسات به دمنده های Roots با سرعت ثابت با دریچه گاز دستی دمپر هوا، ایجاد اتلاف انرژی عظیم و اثرات تصفیه بیوشیمیایی ناپایدار وابسته هستند. یک کارخانه فاضلاب شهری با اندازه متوسط ​​با نوسانات اکسیژن محلول، مصرف بیش از حد برق و خرابی‌های مکانیکی مکرر تا زمانی که با فن سنگین AnyHz FST-650L و پمپ VFD مقاوم‌سازی شد، دست به گریبان بود. سیستم کنترل ثابت اکسیژن محلول یکپارچه PID اتلاف گاز را حذف کرد، نشانگرهای تخلیه آب را تثبیت کرد و مصرف برق هوادهی را تا بیش از 35 درصد کاهش داد.

• صنعت: تصفیه فاضلاب شهری / حفاظت از محیط زیست
• تجهیزات: 3 مجموعه دمنده هوادهی Roots با سرعت ثابت 75 کیلووات
• اجزای کنترل اصلی: AnyHz FST-650L VFD سنگین + پروب های نظارت آنلاین DO + سیستم پیوند PLC
• تاریخچه عملیاتی: 6 سال عملکرد دریچه گاز با سرعت ثابت قبل از مقاوم سازی صرفه جویی در انرژی

مخزن هوادهی هوازی نیروگاه دارای سه دمنده 75 کیلوواتی بود که با سرعت کامل 50 هرتز به صورت 24 ساعته کار می کرد و حجم هوا فقط با بسته شدن دستی دمپرهای هوا تنظیم می شد.

1. اتلاف شدید انرژی از دریچه گاز دمپر؛ جریان هوای مسدود شده توسط سوپاپ ها انرژی الکتریکی را به اتلاف حرارت بی فایده تبدیل می کند
2. خوانش اکسیژن محلول ناپایدار (DO): به شدت بین 0.8 میلی گرم در لیتر تا 4.5 میلی گرم در لیتر در نوسان است.
3. DO کم فعالیت میکروارگانیسم های هوازی را سرکوب می کند، که منجر به COD ناموفق مکرر، نیتروژن آمونیاکی و تخلیه کل نیتروژن می شود.
4. DO بیش از حد باعث اتلاف انرژی غیر ضروری و تسریع پیری لجن شد
5. باز و بسته شدن مکرر سوپاپ باعث سایش شدید مکانیکی در خطوط لوله هوا، بلبرینگ دمنده و گیربکس می شود
6. گشت زنی دستی روزانه و تنظیم شیر نیاز به نیروی کار اضافی دارد، بدون تنظیم خودکار برای بار فاضلاب ورودی متغیر

آمار برق 7 روزه مستمر هزینه برق ماهانه تجهیزات هوادهی را بیش از 32000 دلار آمریکا ثبت کرد. مصرف برق 48 درصد از کل قبض برق کل نیروگاه را تشکیل می دهد. نتیجه: کنترل دمپر سرعت ثابت به عنوان عامل اصلی هزینه بالا تایید شد.

داده‌های حسگر DO در تمام ساعات شبانه‌روز ثبت می‌شود: مقدار DO 100% از محدوده هدف بهینه 2.0-2.5 میلی‌گرم در لیتر در طول ساعات ورودی آب خارج از اوج انحراف دارد. نتیجه: تنظیم دستی با تغییرات بار فاضلاب در زمان واقعی مطابقت نداشت.

سوابق تعمیر و نگهداری دمنده، تعویض بلبرینگ را هر 3 ماه یکبار، خرابی آب بند دمپر هوا هر 2 ماه نشان داد. هزینه نگهداری مکانیکی سالانه به 7200 دلار رسید. نتیجه: عملکرد ثابت با سرعت کامل باعث از دست دادن ضربه مکانیکی مداوم شد.

آزمایش موقت تک VFD بدون فیلتر سیگنال: سیگنال آنالوگ 4-20 میلی آمپر DO با نویز PWM فرکانس بالا VFD تحریف شده و منجر به تنظیم فرکانس کاذب می شود. نتیجه: سرکوب نویز EMC باید برای پایانه های سیگنال تشخیص اضافه شود.

این سایت به طور کامل کنترل دمپر سرعت ثابت را با سیستم VFD مخصوص مایعات سنگین AnyHz FST-650L با پیکربندی کامل اتصال هوشمند جایگزین کرد:

1. کاوشگرهای آنلاین DO با دقت بالا را در داخل مخازن هوادهی نصب کنید تا سیگنال‌های بازخورد آنالوگ 4 تا 20 میلی آمپر را به پایانه‌های کنترل VFD ارسال کنند.
2. الگوریتم اکسیژن ثابت PID داخلی مستقل FST-650L را فعال کنید، مقدار DO هدف را در 2.0-2.5mg/L قفل کنید. درایو به طور خودکار فرکانس را افزایش یا کاهش می دهد تا با نیاز اکسیژن مطابقت داشته باشد
3. پیکربندی حذف تداخل EMC:
   • خازن های جذب 1000 pF که روی تمام پایانه های سیگنال آنالوگ نصب شده اند
   • راکتورهای خروجی اختصاصی برای هر واحد 75 کیلوواتی VFD مطابقت دارند
   • مسیر سیم کشی جداگانه برای کابل های برق و کابل های سیگنال برای جلوگیری از تداخل
4. منطق پیوند همزمان چند دمنده: PLC به طور خودکار دمنده آماده به کار را هنگامی که درایو اصلی به حد فرکانس بالایی رسید، راه اندازی می کند. وقتی فرکانس به آستانه پایین‌تر می‌رسد، فن اضافی را قطع می‌کند، سوئیچینگ کاملاً بدون مراقبت
5. بهینه‌سازی پارامتر استارت نرم: زمان شتاب/کاهش سرعت را تا 35 ثانیه افزایش دهید تا تأثیر راه‌اندازی بر چرخ دنده‌ها و یاتاقان‌های دمنده کاهش یابد.
6. مانیتورینگ ابری راه دور محلی HMI + فعال: نمایش زمان واقعی فرکانس در حال اجرا، جریان عملیاتی، مقدار DO مخزن و مصرف انرژی تجمعی، با هشدار خودکار برای OC، OL، گرمای بیش از حد و خطاهای ارتباطی

پس از راه اندازی کامل سیستم و تأیید عملکرد 72 ساعته مداوم با بار کامل:

1. اکسیژن محلول در 2.0-2.5mg/L بدون مداخله مصنوعی پایدار می ماند.
2. متوسط ​​فرکانس در حال اجرا دمنده در 32 تا 40 هرتز در شرایط کاری عادی تثبیت شد
3. بدون اعوجاج سیگنال یا تداخل EMC در ابزارهای تشخیص DO
4. سوئیچینگ خودکار فن بدون نوسان فشار خط لوله به آرامی کار می کرد
5. بدون خطای تصادفی اضافه بار، جریان بیش از حد یا گرمای بیش از حد در طول عملیات طولانی مدت

• هزینه سخت افزار مقاوم سازی: VFD، سنسورها، راکتورها و لوازم جانبی سیم کشی در مجموع 11800 دلار آمریکا
• تلفات جامع سالانه اصلی (برق و تعمیر و نگهداری): بیش از 45600 دلار آمریکا
• دوره بازپرداخت تخمینی: کمتر از 4 ماه

معایب اصلی سیستم هوادهی با سرعت ثابت سنتی:

1. هدر رفت انرژی: دمپرهای مکانیکی انرژی زیادی مصرف می کنند تا جریان هوا را مسدود کنند، که تبدیل فرکانس به طور کامل از طریق تنظیم سرعت بدون پله حذف می شود.
2. کنترل دستی گسسته: کارکنان نمی توانند به نوسانات جریان فاضلاب در زمان واقعی پاسخ دهند، که باعث عدم تعادل DO می شود.
3. تأثیر راه‌اندازی بالا: استارت مستقیم روی خط با سرعت کامل، 6 تا 7 برابر جریان نامی تولید می‌کند و پیری مکانیکی را تسریع می‌کند.
4. نویز EMC سرکوب نشده: سوئیچینگ فرکانس بالا اینورترهای فیلتر نشده سیگنال های سنسور آنالوگ ضعیف را مخدوش می کند و منطق کنترل خودکار را از بین می برد.

بینش بحرانی: برای تجهیزات سیال محیطی (دمنده ها، پمپ های آب)، کنترل حلقه بسته PID فرکانس متغیر هر دو اتلاف انرژی و مسائل پایداری فرآیند را به طور همزمان حل می کند. تطبیق اجزای کمکی EMC برای صحنه های سیگنال سنسور آنالوگ برای جلوگیری از خرابی های کنترل پنهان الزامی است.

1. محدوده هدف DO ثابت: مقدار هدف PID را روی 2.0-2.5mg/L برای مخازن هوازی شهری تنظیم کنید تا اثر درمان و مصرف انرژی متعادل شود.
2. قوانین تطبیق استاندارد EMC: خازن های جذب 1000 pF را برای تمام ترمینال های ورودی آنالوگ 4-20 میلی آمپر اضافه کنید. راکتورهای خروجی را برای درایوهای بالاتر از 45 کیلو وات نصب کنید
3. جلوگیری از حلقه های زمین: برای همه سنسورها و کابینت های کنترل VFD از اتصال به زمین ستاره تک نقطه ای استفاده کنید.
4. پارامترهای شتاب را بهینه کنید: زمان افزایش 30 ثانیه را برای دمنده های Roots با اینرسی بالا تنظیم کنید تا از سفرهای اضافه بار جلوگیری کنید.
5. ثبت منظم داده ها: میانگین فرکانس اجرای روزانه و داده های DO را برای تنظیم پارامترهای PID به صورت فصلی ثبت کنید
6. چک لیست نگهداری پیشگیرانه: سیم کشی سنسور، پایانه های زمین و اتلاف گرمای راکتور را هر سه ماه یکبار بررسی کنید

1. استاندارد پساب پایدار اکسیژن محلول در محدوده بهینه در طول سال قفل شده است. میکروارگانیسم های هوازی فعالیت بالایی را حفظ می کنند. نشانگرهای COD، نیتروژن آمونیاکی و نیتروژن کل به طور مداوم واجد شرایط می مانند و خطر مجازات های زیست محیطی را از بین می برند.
2. کاهش قابل توجه دریچه گاز صرفه جویی در انرژی به طور کامل حذف شد. نرخ جامع صرفه جویی انرژی به 35٪ تا 42٪ می رسد. هزینه ماهانه برق هوادهی بیش از 11200 دلار کاهش یافت.
3. هزینه تعمیر و نگهداری به شدت کاهش یافته استارت نرم شوک مکانیکی را به یاتاقان ها، گیربکس ها و خطوط لوله هوا به حداقل می رساند. چرخه تعمیر و نگهداری منظم از 3 ماه به 8 ماه افزایش یافته است. عیوب جایگزینی دمپر هوا به طور کامل برطرف شده است و هزینه نگهداری سالانه را بیش از 65٪ کاهش می دهد.
4. عملیات هوشمند بدون مراقبت تجسم داده در زمان واقعی در HMI محلی و پلت فرم نظارت از راه دور. عملکرد هشدار خطای خودکار بار کاری گشت زنی دستی روزانه را تا 70 درصد کاهش می دهد. بدون نیاز به تنظیم مکرر دریچه برای اپراتورها.
5. استارت نرم با ضربه پایین شبکه جریان راه اندازی را از 6× به 1.2× کاهش می دهد، نوسانات ولتاژ شبکه را حذف می کند و از خاموش شدن بریکرهای ولتاژ بالا کارخانه جلوگیری می کند.

این کیس مقاوم سازی دمنده هوادهی فاضلاب ثابت می کند که VFD سری AnyHz FST-650L با کنترل حلقه بسته داخلی PID ارزش دوگانه ای را ارائه می دهد: عملکرد پایدار تصفیه زیست محیطی و کاهش چشمگیر هزینه انرژی در طولانی مدت. بسیاری از اپراتورهای کارخانه فاضلاب به اشتباه عملکرد دمنده ثابت با سرعت کامل را به عنوان استاندارد می پذیرند، غافل از اینکه تبدیل ساده تبدیل فرکانس می تواند هزینه های عملیاتی را کاهش دهد و در عین حال شاخص های تخلیه را تثبیت کند.

درس: برای تجهیزات سیال با فشار ثابت/اکسیژن ثابت که بر فشار مکانیکی تکیه دارند، کنترل حلقه بسته VFD مقرون به صرفه ترین راه حل ارتقا است. لوازم جانبی تطبیق EMC کوچک (خازن‌ها، راکتورها) از خطاهای سیگنال متناوب که به سختی قابل ردیابی است و اتوماسیون کامل را مختل می‌کند، جلوگیری می‌کند.

یادآوری ROI: یک پروژه مقاوم سازی VFD کم هزینه می تواند تمام سرمایه گذاری ها را در عرض 4 ماه بازیابی کند، سپس صرفه جویی مداوم برق و تعمیر و نگهداری را برای طول عمر کامل دمنده ها ایجاد کند.

ادامه مطلب