城市污水处理厂的涡轮鼓风机效率和谐波合规性 — Mirus International
| 客户 | 南旧金山的城市 / 圣布鲁诺水质控制厂 (质量控制计划) |
| 应用 | 曝气鼓风机更换——生物废水处理 |
| 鼓风机 | 350 HP APG-Neuros 空气涡轮鼓风机 (航空航天衍生技术) |
| 驱动器 | 变频驱动 (VFD) — 实用程序已连接 |
| 谐波滤波器 | Mirus Lineator AUHF HP 型号 |
| 谐波规格 | 信息技术发展署 < 5% 在整个运行范围内的鼓风机组终端 |
| 米鲁斯代表 | 电能质量概念 (当地的) |
| 测量的 ITDD (全速) | 4.56% - 以下 5% 限制, 比 SOLV 更好™ 预言 |
| 测量的 THDv (满载) | 2.15% ——从未超过 2.5% 整个操作范围 |
| 预计每年节省能源 | $55,000 美元 |
| 投资回收期 | 少于 4 岁月 |
01 操作环境: 能源审计推动鼓风机技术变革
南旧金山市和圣布鲁诺市联合运营水质控制厂 (质量控制计划) — 为两个社区提供服务的市政废水处理设施. 面临降低能源消耗和运营成本的压力, WQCP 委托进行了一次能源审计，以确定哪些地方消耗了电力以及哪些地方的效率改进将带来最大的回报.[1]
审计结果明确: 曝气鼓风机消耗的电力比工厂中任何其他系统都多. 曝气是迫使空气进入生物处理池以维持分解有机废物的需氧细菌的过程 - 它是生物处理过程的核心, 并且它连续运行. 在典型的城市污水处理厂中, 曝气占工厂总电能消耗的 50-70%. 提高鼓风机效率是影响最大的单一能源措施.
加州积极的环境政策提供了额外的激励: 国家计划为减少排放的能源效率投资提供财政激励. 节能减排的结合, 降低运营成本, 和可用的激励措施使得更换鼓风机的商业案例引人注目.[1]
无花果. 1. 南旧金山的鸟瞰图 / 圣布鲁诺水质控制厂. 圆形曝气池在设施占地面积中占据主导地位——曝气是工厂中最大的电力负荷. 源: 米鲁斯国际.[1]
1.1 涡轮鼓风机技术
WQCP 选择了 APG-Neuros 空气涡轮鼓风机 - 一项源自航空航天和国防涡轮机械的技术，而不是传统的工业鼓风机设计. 与传统离心式和正排量鼓风机相比，性能优势显着: 至少 40% 提高能源效率和 50% 减少物理足迹. APG-Neuros 是公认的北美废水处理涡轮鼓风机系统市场领导者.[1]
涡轮鼓风机以变速运行, 由VFD控制, 使空气输出精确匹配生物过程的需求. 变速运行可实现节能——当需要的通气量较少时，鼓风机会减慢速度，而当需求增加时，鼓风机会加速, 而不是以固定速度运行并机械地节流气流. 这正是使 VFD 在所有变扭矩泵和风扇应用中发挥价值的相同效率原理.
02 ITDD 对比. 总谐波失真: 变速负载的正确指标
项目规范要求总电流需求失真 (信息技术发展署) 下面 5% — 不是 THDi. 这种区别很重要并且值得理解, 因为IEEE 519 使用 ITDD 作为公共耦合点的一次电流谐波指标, 并且这两种措施在轻负载下的表现非常不同.[2]
2.1 THDi — 基波的百分比
THDi 将谐波电流表示为测量时基频电流的百分比. 轻负载时, 基波电流小. 谐波电流, 虽然绝对值很小, 代表小基本面的很大一部分——产生高 THDi. 变频器位于 25% 负载可能显示 35–40% THDi，而绝对谐波电流幅度远小于满负载时. 仅 THDi 就可以使轻负载驱动器看起来比重负载驱动器出现更严重的谐波问题.
2.2 ITDD — 额定需求电流的百分比
ITDD 将谐波电流表示为额定需求负载电流（设备设计消耗的满载电流）的百分比，而不是瞬时基波. 这个分母是固定的, 不可变. 结果是一个与实际谐波影响成比例的指标: 轻负载时, 谐波电流和ITDD都很小; 在满负荷, 两者都处于最大值. ITDD 以 THDi 所不具备的方式跟踪网络上的实际谐波负担.[2]
03 三方解决方案: APG神经症, 电能质量概念, 和米鲁斯
3.1 包装挑战
APG神经症’ 涡轮鼓风机系统作为紧凑型集成套件提供 — 鼓风机, 发动机, VFD, 和控制装置位于一个外壳中. “ 50% 与传统鼓风机相比，占地面积优势是一个关键卖点, 添加到系统中的任何谐波滤波器都必须安装在现有外壳内，而不会影响这一优势. 这就排除了笨重的附加过滤器柜，并需要 APG-Neuros 和 Mirus 之间的密切工程合作.[1]
3.2 模拟和本地专业知识
Power Quality Concepts（Mirus International 的该地区代表）为该项目提供了谐波缓解专业知识. 使用SOLV™, Mirus 运行了多个模拟场景来确定哪种 Lineator 模型和配置能够满足 5% ITDD 规范涵盖鼓风机的整个运行速度范围. 仿真确定 Lineator AUHF HP 模型是正确的解决方案.[1]
审查该项目的当地咨询工程师已经熟悉 Lineator 产品线并接受了 SOLV™ 模拟结果 - 但需要安装后现场测量以正式确认合规性. 这才是正确的专业工程方法: 模拟为设计提供信息, 测量确认性能.
无花果. 2. Mirus Lineator AUHF HP 安装在 APG-Neuros 涡轮鼓风机系统外壳内. Mirus 工程团队与 APG-Neuros 合作开发了一种封装解决方案，可保持系统紧凑的占地面积. 源: 米鲁斯国际.[1]
3.3 一体化包装
Mirus 工程团队直接与 APG-Neuros 工程师合作，开发了安装在涡轮鼓风机系统外壳内的 Lineator 套件配置. 结果是完全集成的谐波滤波器解决方案——最终用户看不见, 保持紧凑的系统占地面积, 并在整个速度范围内提供所需的谐波性能.[1]
04 结果: 测量的性能超出了预测和规格
安装后在不同负载水平下进行现场测量，以正式确认合规性. 结果超过了 SOLV™ 模拟预测和项目规范:[1]
ITDD 维持在较低水平 5% 在整个运行速度范围内 - 不仅仅是满载. THDv 从未超过 2.5% 在任何工作点. “ 4.56% 全速运行的 ITDD 实际上改进了 SOLV™ 预言, 与其他 Mirus 案例研究中看到的模式一致，其中保守的模拟假设产生优于模型的实际结果.
无花果. 3. 满负载运行时测量的波形 (20 一月 2016). 顶部: 电压波形, 总谐波失真 = 2.15% — 干净的正弦曲线. 底部: 电流波形, 信息技术DD = 4.56% — 近正弦波，谐波失真最小. 源: 米鲁斯国际.[1]
05 电能质量视角: 这个案例研究说明了什么
5.1 公用事业连接系统——不同的问题类别
本系列之前的每个案例研究都涉及发电机供电的孤岛系统. WQCP 是该系列中第一个与公用事业连接的应用程序. 谐波结果不同: 有公用电源, 源阻抗低，电压失真来自单个 350 惠普驱动器很普通. 这里的合规性驱动因素不是系统稳定性或设备保护——而是 IEEE 519 公共耦合点的电流畸变限制, 公用事业公司用它来保护共享网络上的所有其他客户免受该负载注入的谐波电流的影响.
这就是 IEEE 的背景 519 被写: 为许多客户提供服务的公用事业公司, 对任何单个客户可以注入共享网络的谐波电流量建立限制. WQCP 在 IEEE 下的义务 519 是将其谐波注入（PCC 的 ITDD）限制在不会显着降低邻近客户电能质量的水平. “ 5% 项目文件中的ITDD规范直接体现了这一义务.[2]
5.2 谐波滤波作为设备采购的一部分
本案例研究最重要的结构特征是谐波滤波被指定为鼓风机套件采购的一部分，而不是作为改造. WQCP没有购买涡轮鼓风机, 安装它, 测量谐波, 然后添加一个过滤器. 项目规范从一开始就包含了 ITDD 限制, APG-Neuros 负责提供合规的集成包, 在订购任何设备之前，Mirus 在设计阶段就参与了过滤器的尺寸和包装.
这才是正确的采购模式. 它将谐波合规性责任与控制谐波源的一方（设备供应商）联系起来，而不是将其作为现场问题留给工厂电气工程师在安装后解决. 它还实现了封装优化，使系统保持在紧凑的占地面积内.
5.3 当地 Mirus 代表的作用
Power Quality Concepts（Mirus 当地代表）运行 SOLV™ 定义滤波器规范并提供 APG-Neuros 之间的技术接口的模拟, 咨询工程师, 和米鲁斯’ 工程团队. 这是应用电能质量工程的分布模型: 具有仿真能力和产品深度的制造商, 由了解区域公用事业的专家在当地代表, 咨询工程界, 以及具体的申请要求. 当地代表与咨询工程师的现有关系（该工程师已经熟悉 Lineator 产品）是项目高效进行的一个因素.
这种模式——制造商技术深度, 当地代表应用知识, 咨询工程师第三方验证——对于任何建立电能质量咨询实践的人来说都是一个值得注意的模型. 当地代表的角色是客户关系的所在.
参考文献
- [1] 米鲁斯国际公司, “案例研究: 水质控制厂涡轮鼓风机更换项目,” 应用案例研究, 布兰普顿, Ontario, 加拿大. 可用的: mirusinternational.com
- [2] IEEE StD里 519-2022, “电力系统谐波控制 IEEE 标准,” IEEE, 纽约, 纽约, 2022.