污水處理廠的供配電節(jié)能措施分析

黃 鎧

（廣東正仕電氣有限公司，廣東 汕頭 515000）

隨著污染治理工作的不斷深入，與社會(huì)生產(chǎn)和公眾生活密切相關(guān)的污水處理廠備受關(guān)注，但污水處理廠需要極大的能源和資金支持，若無(wú)法解決運(yùn)營(yíng)成本過(guò)高的問(wèn)題，那么環(huán)保效益便無(wú)從談起。因此，污水處理廠只有樹立節(jié)能理念，從供配電系統(tǒng)入手，通過(guò)節(jié)能降耗、降低成本，才能發(fā)揮緩解水污染的重要功能。

1 污水處理廠供配電節(jié)能概述

1.1 污水處理廠行業(yè)現(xiàn)狀

當(dāng)下，我國(guó)80%以上的河流存在不同程度的污染，污水處理現(xiàn)狀卻不容樂(lè)觀。據(jù)調(diào)查，我國(guó)污水處理設(shè)備運(yùn)行正常、運(yùn)行異常和處于閑置狀態(tài)的占比均為1/3左右，實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)率僅能達(dá)到50%。最關(guān)鍵的是，現(xiàn)階段的污水處理廠普遍存在低功效、高能耗的問(wèn)題，而且時(shí)常發(fā)生故障，自動(dòng)化水平較差。歸根結(jié)底，巨額的資金缺口和技術(shù)滯后是問(wèn)題所在，其中資金不足是物質(zhì)基礎(chǔ)，既包括建設(shè)資金也包括運(yùn)營(yíng)成本，特別是電能的巨大消耗和嚴(yán)重的浪費(fèi)現(xiàn)象，大大增大了污水處理廠的運(yùn)營(yíng)成本。

1.2 污水處理廠供配電節(jié)能的必要性

之所以在污水處理廠節(jié)能中強(qiáng)調(diào)供配電系統(tǒng)，主要是因?yàn)槲鬯幚硪蕾囋O(shè)備運(yùn)行，設(shè)備運(yùn)行離不開電力支持。污水處理的正常運(yùn)作需要電能、燃料、藥劑等諸多能源，其中電能消耗占整體能耗的90%左右，若能從供配電系統(tǒng)著手開展節(jié)能降耗工作，不僅可以節(jié)約用電，減少浪費(fèi)，更能彰顯良好的經(jīng)濟(jì)效益，顯然有助于污水處理廠運(yùn)營(yíng)成本的降低。再者，在污水處理系統(tǒng)中，鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)、進(jìn)水提升與污泥脫水系統(tǒng)作為耗能大項(xiàng)，或多或少地具有功率因數(shù)低的問(wèn)題，而且存在不必要的電能損耗情況，故污水處理廠供配電系統(tǒng)有著巨大的節(jié)能潛力，需要人們認(rèn)真分析和深度挖掘[1]。

2 污水處理廠供配電節(jié)能要點(diǎn)

2.1 優(yōu)化供配電節(jié)能設(shè)計(jì)

合理的供配電系統(tǒng)不僅可達(dá)到節(jié)能降耗的目的，還有助于減少電費(fèi)支出，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，在對(duì)污水處理廠供配電系統(tǒng)采取節(jié)能措施時(shí)，需要從設(shè)計(jì)著手進(jìn)行優(yōu)化，一般需要做到以下幾點(diǎn)要求：根據(jù)污水處理廠的重要程度確定負(fù)荷級(jí)別，結(jié)合供電可靠性要求選擇合理的電源供電方式；基于負(fù)荷分析和計(jì)算，確定變配電房選址合理，盡量與負(fù)荷中心接近，適當(dāng)縮短供電半徑并合理部署配電室，以形成最優(yōu)的電力負(fù)荷組合用于節(jié)能降耗；從安全、性能、經(jīng)濟(jì)和可靠等方面進(jìn)行綜合分析，優(yōu)先選擇功率高、耗能低的節(jié)能電氣設(shè)備，特別是變壓器必須結(jié)合負(fù)荷性質(zhì)和容量因素予以慎重選擇；線路材料、布線方式、供電距離、電氣保護(hù)等也應(yīng)納入供配電節(jié)能設(shè)計(jì)范圍，在滿足運(yùn)行要求的前提下最大程度地提高節(jié)能效果和效益。

2.2 重點(diǎn)關(guān)注高耗能設(shè)備

污水處理作為一個(gè)高耗能行業(yè)，據(jù)估算，處理單位體積污水所需的電能為0.15～0.28 kW·h/m3。其中，污水生化處理環(huán)節(jié)居于能耗之首，尤其是曝氣鼓風(fēng)機(jī)耗能高達(dá)污水處理廠直接能耗的51%左右，其次是污水提升、污泥處理環(huán)節(jié)，如圖1所示。雖然不同區(qū)域、不同企業(yè)的污水處理耗能數(shù)據(jù)會(huì)有所不同，文獻(xiàn)資料現(xiàn)有的數(shù)據(jù)也不統(tǒng)一，但曝氣鼓風(fēng)機(jī)是污水處理廠第一耗能大戶的事實(shí)是改變不了的[2]。當(dāng)然，除了上述主要的耗能設(shè)備，電機(jī)、照明等也具有一定的節(jié)能潛力，至于節(jié)能措施，可以選用節(jié)能型設(shè)備，也可以借助自動(dòng)化調(diào)節(jié)和控制等技術(shù)手段來(lái)減少不必要的電能損耗。

圖1 污水處理系統(tǒng)能耗

3 污水處理廠供配電節(jié)能的具體措施

3.1 切實(shí)提升變壓器功率因數(shù)

變壓器節(jié)能主要體現(xiàn)在供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，一般情況下，需從污水處理廠負(fù)荷等級(jí)、供電容量、變壓器設(shè)計(jì)數(shù)量、技術(shù)條件等方面進(jìn)行分析論證，盡量選用節(jié)能型變壓器，保證其容量與最佳負(fù)荷、實(shí)際負(fù)荷接近，針對(duì)集中性負(fù)荷和季節(jié)性負(fù)荷可增設(shè)專用變壓器，配以優(yōu)化的線路敷設(shè)路徑，通過(guò)盡量縮短線路以有效減少線路的電能損耗。同時(shí)，為進(jìn)一步彰顯變壓器的節(jié)能潛力，還可選擇提高其功率因數(shù)的方法，具體措施包括負(fù)載配置、無(wú)功補(bǔ)償以及線路優(yōu)化等，例如，選用功率因數(shù)較高的電氣設(shè)備，對(duì)污水處理所用的低功率因數(shù)、低壓的設(shè)備，分別采取就地補(bǔ)償、集中補(bǔ)償，對(duì)供電距離較遠(yuǎn)的高壓電動(dòng)機(jī)等采取就地?zé)o功補(bǔ)償?shù)确绞健?/p>

3.2 控制配電級(jí)數(shù)與高次諧波

現(xiàn)階段，我國(guó)污水處理廠的用電負(fù)荷用量大多處于1 000～10 000 kW范圍內(nèi)，供電電源電壓有 10 kV、20 kV、35 kV之分，如果能在不影響可靠供電的基礎(chǔ)上盡量減少配電級(jí)數(shù)，則有助于減少配電環(huán)節(jié)的電能損耗。例如，當(dāng)污水處理廠電源電壓為 20 kV或35 kV時(shí)，若實(shí)際運(yùn)行中并無(wú)電壓為6 kV或10 kV的用電設(shè)備，為了節(jié)能降耗，建議優(yōu)先考慮直變?yōu)?.4 kV的20 kV或35 kV變壓器[3]。

同時(shí)，污水處理廠往往存在大量的變頻調(diào)速裝置和非線性負(fù)載，雖然對(duì)改善污水處理水平有一定的促進(jìn)作用，但也加重了電氣系統(tǒng)諧波的危害，無(wú)論是對(duì)配電系統(tǒng)的功率因數(shù)還是對(duì)熱損耗均造成了不良影響。因此，從保護(hù)配電系統(tǒng)的角度出發(fā)，必須采取切實(shí)有效的措施抑制高次諧波，例如，對(duì)于集中且大容量的非線性負(fù)載，可選用無(wú)源濾波器，而當(dāng)非線性負(fù)載容量大且穩(wěn)定時(shí)，可選用有源濾波器，結(jié)合消諧電抗器的使用，既可以大大降低諧波的危害，也可節(jié)約能耗和成本。

3.3 充分發(fā)揮鼓風(fēng)機(jī)節(jié)能優(yōu)勢(shì)

由于鼓風(fēng)機(jī)是污水處理廠的用電大戶，而且以往的污水處理工藝為了獲得充分的曝氣，經(jīng)常要求輸入過(guò)量的鼓風(fēng)送氧量，但這一環(huán)節(jié)造成了能源浪費(fèi)。所以，人們要以此為切入點(diǎn)，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)以及管理軟件，促進(jìn)鼓風(fēng)機(jī)更好地節(jié)能降耗。

一是重視鼓風(fēng)機(jī)選型，主要包括離心鼓風(fēng)機(jī)和羅茨鼓風(fēng)機(jī)兩種類型。其中，前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行平衡、供氣連續(xù)、壽命長(zhǎng)，后者效率高、成本低、便于維護(hù)與控制，故選型必須從污水處理廠的規(guī)模大小、水質(zhì)處理要求、污水處理工藝以及經(jīng)濟(jì)可靠性等方面加以考慮。對(duì)于位于城鎮(zhèn)的污水處理廠，建議優(yōu)先選用羅茨鼓風(fēng)機(jī)。實(shí)踐證明，當(dāng)壓力低于4 MPa時(shí)，羅茨鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于離心鼓風(fēng)機(jī)，當(dāng)流量小于15 m3/min時(shí)，羅茨鼓風(fēng)機(jī)的軸功率僅為50%的離心鼓風(fēng)機(jī)，初次投資費(fèi)用也明顯低于離心鼓風(fēng)機(jī)。

二是強(qiáng)化變頻控制，通過(guò)在好氧段中設(shè)置一個(gè)在線溶解氧監(jiān)測(cè)儀表，基于科學(xué)的生物處理溶解氧（DO）數(shù)學(xué)模型，對(duì)好氧段DO指數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤并科學(xué)計(jì)算實(shí)際需氣量，然后根據(jù)水流量的變化對(duì)DO進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)置，用于適應(yīng)波動(dòng)范圍較大的進(jìn)廠水質(zhì)，以獲得顯著的節(jié)能效果。同時(shí)，對(duì)曝氣加以精確控制，節(jié)約的曝氣量可達(dá)到15%，而且在出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上還可以降低DO設(shè)置值，減少10%的鼓風(fēng)能耗。為獲取更高的出水指標(biāo)，可通過(guò)COD消減量的增加顯著減少鼓風(fēng)機(jī)啟停頻率，此時(shí)節(jié)能效果最高可提升50%[4]。值得一提的是，變頻控制雖然有著可觀的節(jié)能功效，但造價(jià)相對(duì)較高，一般適用于規(guī)模較大的污水處理廠。

3.4 積極引入智能化控制系統(tǒng)

先進(jìn)的自動(dòng)化和智能化控制系統(tǒng)可在整體上輔助污水處理廠供配電系統(tǒng)更為順利地開展節(jié)能工作。例如，某污水處理廠的自動(dòng)化控制系統(tǒng)包括設(shè)備層、控制層和信息層。其中，設(shè)備層基于現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)經(jīng)電纜與設(shè)備控制箱和儀表進(jìn)行連接；控制層處于現(xiàn)場(chǎng)控制室，無(wú)需人員值守；信息層則處于廠中央控制室，使用的是以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)及其軟件平臺(tái)。三者在集散控制系統(tǒng)（PLC+PC系統(tǒng)）的作用下，可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)污水處理工藝流程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、操作和管理。其中，自控儀表在供配電節(jié)能中彰顯了重要作用，例如，調(diào)節(jié)池中的超聲波液位計(jì)，液位信號(hào)與變配間PLC相連，通過(guò)對(duì)液位信號(hào)的檢測(cè)，自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)節(jié)池內(nèi)水位并對(duì)需要運(yùn)行的潛水泵數(shù)量進(jìn)行控制，同時(shí)結(jié)合上下限報(bào)警設(shè)計(jì)，以防水泵干運(yùn)轉(zhuǎn)造成電能浪費(fèi)[5]。

同時(shí)，該系統(tǒng)所選用的應(yīng)用軟件可為工作人員提供污水處理工藝流程圖、電氣接線圖、設(shè)備部署圖等界面，提供各種機(jī)械電氣設(shè)備狀態(tài)、數(shù)據(jù)參數(shù)，對(duì)運(yùn)行設(shè)備的電力消耗、給水消耗、藥劑消耗等進(jìn)行監(jiān)測(cè)、記錄、管理和分析，并提供相應(yīng)的節(jié)能運(yùn)行建議。這顯然利于污水處理廠開展動(dòng)態(tài)的能耗管理，使其節(jié)能效果更上一層樓。

3.5 其他供配電系統(tǒng)節(jié)能措施

除了上述提及的節(jié)能措施，照明裝置、電機(jī)設(shè)備也可在一定程度上實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。例如，在眩光限制條件內(nèi)，優(yōu)先考慮高效率的開啟式直接照明燈具，效率不得低于70%；不同場(chǎng)所、不同功能的光源，應(yīng)在不影響照明質(zhì)量的基礎(chǔ)上優(yōu)先選用高光效照明；主照明電源采用三相供電，以平衡照明負(fù)荷，減少電壓損失，合理利用太陽(yáng)能和自然光源，盡量使用高光效、低能耗、長(zhǎng)壽命的LED光源，配以時(shí)控、光控、人體感應(yīng)等功能的智能燈具，以便根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行開關(guān)，減少不必要的電能浪費(fèi)。電機(jī)節(jié)能其實(shí)應(yīng)用的也是變頻控制原理，需要處理的污水通常需要長(zhǎng)時(shí)間停留在曝氣池中，此時(shí)與之匹配的電機(jī)也要連續(xù)地長(zhǎng)期運(yùn)行。因此，為切實(shí)降低該環(huán)節(jié)的用電量，變頻調(diào)速系統(tǒng)是不二之選，雖然具體的變頻控制方式有多種，但電壓空間矢量控制方式成本較低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，最關(guān)鍵的是節(jié)能效果顯著，所以以其代表的變頻調(diào)速技術(shù)效率高、能量損失小，在污水處理廠供配電節(jié)能中應(yīng)用廣泛。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，節(jié)能減排的呼聲日益高漲，使得污水處理廠被推上風(fēng)口浪尖，如何在保證污水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上最大限度地降低用電變得尤為重要。因此，污水處理廠要想實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，就必須立足實(shí)際充分挖掘供配電的節(jié)能潛力，但供配電節(jié)能是復(fù)雜的、長(zhǎng)期的，需要緊跟形勢(shì)與時(shí)俱進(jìn)，不斷提高用電效率、減少電能浪費(fèi)。