基于A2/O 工藝的污水處理廠電氣自控節能設計

楊 坤 李文華

(天津市市政工程設計研究院給排水分院，天津 300051)

污水處理是高耗能產業，其中電耗在污水處理廠運行能耗中所占比例很大。電氣自控專業設計人員如何將降低電能耗的理念貫穿于設計之中，對于污水處理廠的節能尤為重要。本文以山東某污水處理廠的設計為例，探討電氣和自控實現節能降耗的設計思路。

1 工程概況

本工程總體建設規模為16萬m3/d，擬分2期建設，近期實施12萬m3/d，遠期再實施4萬m3/d。工藝由預處理、二級生物處理、消毒處理組成，污水處理工藝方案組成具體如下:進水→預處理→二級生物處理→消毒處理→出水。二級生物處理采用A2/O工藝。A2/O污水處理工藝具有同步脫氮和除磷功能，是生物脫氮除磷工藝中應用較多的一種方案，具有良好的環境效益和經濟效益。本工程的電氣系統設計內容包括變配電站設計、廠內電氣設備的供配電設計、電纜線路敷設設計、照明設計、防雷、接地及等電位設計。自控系統設計包括污水處理廠自動控制系統的搭建、工藝控制策略的優化、檢測儀表的選擇、網絡通訊系統及自控儀表防雷接地等的設計。

2 電氣系統節能設計

電氣節能的理念應貫徹到設計的始終，從變電站的布置、負荷計算、變壓器選型、容量選配、合理確定運行方式及無功補償設計、減少電纜的損耗、電機運行方式、減少照明損耗等方面考慮。

2.1 變電站的布置

合理選擇變電站位置，力求使其處于負荷中心，從而最大限度減少配電距離，節約電纜，減小線路損耗，提升供電的安全性。本工程中，負荷較集中的構筑物有鼓風機房、進水泵房、反沖洗設備間。根據水廠總圖布置及負荷計算情況，本工程設置兩個變電站，要求第一變配電站靠近鼓風機房和進水泵房;第二變配電站設置在反沖洗設備間附近。

2.2 變壓器節能措施

選用低損耗變壓器，降低用電設備自身損耗，是變壓器節能的主要措施之一。變壓器的損耗主要由空載損耗和負載損耗組成。空載損耗又稱鐵損，它由變壓器本身的硅鋼片性能和鐵芯制造工藝決定，不隨變壓器的負荷變化而變化;負載損耗主要與流經變壓器電流和變壓器電阻有關，其大小和變壓器負載率的平方成比。為此，本工程在變壓器選擇時采用空載損耗和負載損耗相對比較低的變壓器，即節能型的銅芯干式變壓器SC10系列。

本工程配電系統采用兩臺變壓器分列運行，當一臺發生故障時，另一臺負責全廠主要負荷的供電。這樣，兩臺變壓器共同分擔全廠負荷，可以降低變壓器安裝容量，使其運行在最佳經濟負載率附近。考慮變壓器的合理運行，一般變壓器平均負載率控制在0.6～0.85之間為宜。本工程負荷計算如表1～表4所示。

表1 第一變配電站0.4 kV負荷計算結果(近期負荷)

表2 第一變配電站0.4 kV負荷計算結果(遠期負荷)

表3 第二變配電站0.4 kV負荷計算結果(近期負荷)

表4 第二變配電站0.4 kV負荷計算結果(遠期負荷)

根據近、遠期工程相結合的原則，本工程設計第一變配電站內設置兩臺800 kVA變壓器，第二變電站內設置兩臺800 kVA變壓器。不僅可以滿足近期運行要求，而且便于遠期電氣設備的配電和安裝。

2.3 無功補償的設計

污水處理廠主要的用電設備是異步電動機，其自然功率因數往往達不到電網要求，需進行無功補償。對電氣系統進行無功補償不僅可以減少變壓器和配電線路的無功功率損耗，實現節約能源、高效利用電能的目的，還可以減少配電線路的截面及變壓器的容量，節約設備投資。污水處理廠的負荷一般比較集中，變配電站選在負荷中心位置時，優先采用配電系統的集中補償。本工程在第一變配電站10 kV和0.4 kV母線以及第二變配電站0.4 kV母線上分別設電容集中自動補償裝置，對全廠總的用電負荷進行功率因素自動補償，補償后功率因素達到0.90以上。

2.4 電纜的節能措施

電纜節能設計除了將變電站設置于負荷中心，減少金屬損耗外，合理設計電纜線路的走向，減少電纜長度，同樣可以節省投資，降低線路損耗，還可以減少線路壓降，提高供電的安全性和可靠性。

2.5 電動機的節電措施

減少電動機的電能損耗是水廠節能的重要環節。風機水泵是污水處理廠重要的耗能機械，水廠中的許多風機和水泵的流量不是要求恒定的，根據風機、水泵的壓力—流量特性曲線，按照工藝要求的流量，實現變速變流量控制是節電的有效方法［1］。本工程對于大功率的設備采用變頻調速技術，根據控制量的變化要求對電動機進行調速，從而達到有效節能的目的。

2.6 照明節能設計

照明設計要求盡量采用高效電光源，并合理采用混合照明:配電站、車庫、綜合樓辦公室等構筑物的照明以三基色細管徑節能型熒光燈為主，輔以局部壁燈照明;其余各生產車間的照明燈具主要采用金鹵燈，并采用壁裝形式為主，必要時設置局部照明。廠區道路照明采用庭院燈照明，選用高壓鈉光源，照明控制采用手動控制、時間控制與光控制相結合方式，避免人為原因造成電能浪費。

3 控制系統的節能設計

3.1 自控系統介紹及節能設計思路

本工程污水處理廠自動控制系統采用基于可編程邏輯控制器(PLC)的集散型控制系統，以及監控和數據采集(SCADA)系統。集散型控制系統的特點是將控制層和管理層分開。控制層主要是通過現場PLC完成各自轄域內工藝設備的自動控制，并對工藝單元優化運行;管理層主要是對全廠的生產過程進行監視、數據存儲和分析，完成全廠工藝單元的協調工作。自控系統可以合理調整工況，使整個污水處理系統在最經濟狀態下運行，降低運行能耗。自控儀表和網絡通訊系統的設計已經非常成熟，近一步的提升自控系統的軟硬件并不能對污水廠的節能起到更大的作用。但是，優化工藝環節的控制技術對于自控節能設計卻有很大的提升空間。A2/O生物處理工藝流程中，曝氣是最重要的能耗環節:曝氣能耗約占污水處理廠所有運行費用的50%或更多［2］。因此，通過對控制技術的優化，降低污水廠曝氣環節的能耗，是自控節能設計的重要途徑。

3.2 曝氣控制節能設計

3.2.1 風量的控制

污水處理工藝有多種DO控制策略，最常見的是基于溶氧儀反饋信號的PID控制器。由于溶氧儀獲取的反饋信號有較大的滯后性，所以PID控制器很難在污水廠取較好的控制品質。為了提高DO的控制品質，本工程引進了精確曝氣流量控制系統，系統包括溶解氧控制、鼓風機調節和空氣流量分配等一系列針對A2/O工藝曝氣系統核心工藝環節或設備的模塊。本系統的控制策略是對需氧量進行預測，即根據需氣模型計算滿足需要的曝氣量，抑制時滯帶來的波動。在國內一些污水廠內，這種控制策略獲得較好的控制效果［3］。

具體控制方案如下:A2/O反應池中的好氧段分為3個廊道，每個廊道要求的DO值不同。精確曝氣系統要求每個好氧廊道配備一臺DO儀，每根曝氣主管配備一臺空氣流量計、一臺電動調節閥門，每條處理工藝配備一臺液位計、一臺MLSS濃度計。

精確曝氣控制柜采集進水COD、進水水量、生物反應池的溶解氧、MLSS等儀表信號后，通過需氧量計算模塊預測出總需氧量以及每個好氧廊道的需氧量，做到預測需氧量的實時變化;鼓風機和電動調節閥根據總需氧量和每個廊道的需氧量實現聯合控制調節，提高DO值的穩定控制能力，降低點能耗。

3.2.2 鼓風機的控制

本工程采用單機高速離心式鼓風機，工作電壓10 kV，配用電機功率為315 kW。鼓風機對氣量的調節方式有變頻調節和導葉調節。變頻技術對于工程節能的貢獻已經得到廣泛的認可，但是在本工程中，要求A2/O反應池的水位基本不變，總管風壓恒定，如果采用變頻調節，難以避免風壓調節過大，達不到工藝要求，并且變頻裝置價格較高，工程一次性投資較大。采用進口導葉調節氣量，在保持出口壓力恒定條件下，每臺鼓風機的供氣量調節范圍可達到45%～100%。在相對流量變化不大時，變頻與導葉兩種調節方式消耗功率差別并不大［4］。而選擇導葉調節方式的鼓風機，結構簡單，投資較少，管理方便，為本工程節能設計的最佳設備選擇。本工程四臺鼓風機按照整體控制的思路，設置總控制柜MCP柜。MCP主控制柜根據精確曝氣系統控制柜輸出的總氣量預測值和總壓力信號，自動控制鼓風機開啟臺數、進出口導葉片開啟角度，實時調節空氣量的輸出。

4 結語

污水處理廠電氣自控節能措施還有很多，比如提高電氣系統抑制諧波的能力、污泥處理等其他工藝環節的控制優化等。電氣自控設計人員應根據不同水廠的工藝要求和設備特點，在設計中尋找更好的節能方法，有效的降低能耗。

［1］《鋼鐵企業電力設計手冊》編委會.鋼鐵企業電力設計手冊［M］.北京:冶金工業出版社，1996.

［2］馬 勇，彭永臻.城市污水處理系統運行及過程控制［M］.北京:科學出版社，2007.

［3］張榮兵，鮑海鵬.VAS系統在A2/O工藝穩定運行及節能優化中的應用［J］.中國給水排水，2012，28(12):71-74.

［4］侯潤珍.污水處理工藝中鼓風機調控方式的選擇［J］.工業用水與廢水，2000，31(6):44-46.

［5］GB 50052-2009，供配電系統設計規范［S］.