基于節能減排的城市生活污水處理廠電氣設計研究

肖凱

（貴州省建筑設計研究院有限責任公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

污水處理廠旨在改善城市用水環境，有效控制城市污水量。當前，處理廠在污水分類、水質凈化等方面，尚未達到理想層次，部分街道污水四溢，直接威脅著水體生態性。如果城市排水整體規劃不完整，無法有效集中處理城市污水，極易出現水體污染現象。為此，融合節能工藝，整體布局污水處理體系，保證排放水質達標，具有重要的研究意義。

1 融合節能減排的市區污水整治電氣設計理念

1.1 整體布局的合理性

整治城區污水時，有多樣性電氣系統單體。在各組單體中，引入的電氣設備數量有一定差異。電氣設備運行時，需連接配電線路，較多的單體結構、數量較大的電氣設備，會形成上萬米數的配電線路。在線路輸電時，較長線路會形成一定功率損耗。例如，某處理廠每年電纜能耗量占比電氣系統用電總數的1%，線損占比4%。污水處理廠使用的電氣設備較多，會產生較高線損。輸電期間產生的功率損耗，主要關聯于線路電流、電路電阻兩個參數，有效控制兩個參數，可達到功率損耗的控制目標。具體控制措施如下。

（1）合理選材，以較低的電阻率線纜為首選，有效控制輸電產生的電阻率[1]。當前，市場以鋁、銅兩種電纜為主要類型，兩種線纜性能對比結果如表1 所示。

表1 鋁、銅兩種電纜性能對比

由表1 對比發現，銅、鋁兩種電纜性能對比時，在氧化性、腐蝕性、電阻率各方面，銅電纜均表現出一定優勢。為此，污水處理廠應選擇銅電纜，進行線路設計。

（2）當電流參數固定時，如果線路截面較大，會降低電阻值。如果直接調整截面積參數，可能會增加線路成本。當設備運行功率不高時，按經濟載流量設計方式，以此控制有色金屬使用。

（3）整體布局時，優化配置供配電中心，盡量設置在負荷集中處。布線路徑以直線為主，減少彎路布線次數，避免回頭路的布線問題，以此控制配電線路的整體長度。

1.2 控制諧波電流

電力供應與輸送過程中，發動、變壓兩種設備的使用量較大，功率因數約為0.8 時，進行無功補償處理，需增加功率因數，使其達到0.92（實際應達到0.9）。功率因數調整后，會相應減少無功功率。處理廠使用的變頻調速裝置多以非線性線路負載出現，線路會形成一定數量的諧波，需要采取無功補償形式加以處理，確保諧波處理效果，包括：①就地處理。②集中處理。③兩種補償形式共用，以此增加功率因數，減少電網污染。較多的諧波，會削弱電能使用能力，降低電能傳輸速度，引起電氣設備出現異常聲響、不規律振動、溫度較高等不利現象。為此，適當引入無源濾波設備，以此保證諧波抑制效果。

2 融合節能減排的市區污水凈化電氣設計方法

2.1 節能式電氣系統

某處理廠耗電情況如圖1 所示。

圖1 某處理廠耗電情況

依據耗電特點，進行電氣系統節能規劃時，分別給出了供電、配電、站點選址、布線、照明等多個設計任務。在設計中融合節能、低碳等思想，創建污水處理平臺，確保排水質量。在污水分類、水質凈化的各環節中，按污水處理需求，精確計算各項設備的計算功率，合理規劃變壓器規格及數量，選用節能型設備，以此控制能耗量[2]。節能型電控系統如圖2 所示。

圖2 節能型電控系統

2.2 節能式變電設備

污水處理時，應加強變壓設備能耗管理，以處理廠運行負荷、設備能耗為參考，合理選擇設備型號，保持設備數量與實際污水處理需求相匹配，防止出現超負荷運行或者閑置較多容量等情況。設備運行期間，其電能消耗量占比整體用電量11%左右。選擇恰當方法，有效控制設備用電量，以達到降低設備用電能耗的設計目標。

（1）合理選型。處理廠引進變壓設備時，需選擇節能性強、運行能效高、噪音不大的類型，順應處理廠的設備使用需求。

（2）確定運行參數。變壓設備運行中，如果單組設備容量值較高，會相應增大配電長度，形成較多的電損。而在設備運行負載比例較高時，會增加能耗量。結合處理廠的設備運行需求，變壓設備負載比例應盡量處于70%~85%，保障污水處理效果。確定變壓設備容量時，按照基礎電價方式，獲取設備容量，有效調整各處負荷比例參數，讓處理廠整體電氣系統保持高負載狀態。

（3）考慮負載特點、設備數量等多個方面，提出變壓設備的設計方法，以順應生活污水凈化需求，從中選出節能性較高、成本較低的設備布局方案，能夠展現變壓設備的凈水價值。某處理廠選用的S13-800 型變壓設備節能情況如表2 所示。相比其他類型的變壓設備，在空載損耗、負載損耗、設備噪音、抗干擾等方面，均表現出較強的節能優勢，能夠保證變壓設備的能耗控制效果。

表2 某處理廠選用的S13-800 型變壓設備的節能表現

2.3 節能式照明體系

室外道路范圍內，進行照明設計時，應順應車輛通行的照明需求。相比城市主干道路，污水處理廠的運輸道路，整體寬度不大，且夜間通車量不多。為此，照明設計融合節能思想，選擇庭院路燈進行設計，路燈高度取3.5~5m，防止出現車輛與路燈刮碰問題。路燈選型完成后，使用“人工+智能”的組合型控制方式，有效控制室外通行區的照明能耗。處理廠的室外照明，多數采取夜間巡視形式，將照明設備布設于建筑外墻，聯合于通行區照明設備，合理控制照明間距，均勻布設照明點位。建立戶外照明體系時，可選擇單獨開關，進行巡檢操作，以此增強戶外照明的節能性。處理廠項目內部的照明區，包括值班室、配電室、處理中心等多個位置。依照各區域的照明需求，引入可行的照明控制方法，保證照明質量，有效控制照明能耗。例如，在項目內的樓道、走廊等位置，選擇聲控型、紅外線感應型的照明開關，以此減少照明設備持續運行產生的能耗量[3]。在污水處理中心、辦公室等位置，選擇高效節能燈具，替換白熾燈，增強室內照明節能效果。某處理廠選擇80W LED 燈具，其設備參數如表3 所示。

表3 80W LED 燈具的技術參數

由表3 技術參數可知，LED 燈具的可用時間較長，光通量較高，可保障照明質量，功率因數不小于0.95，符合節能電氣系統的性能要求。

2.4 節能電動機

電動機是進行“電能→動能”的關鍵設備，多用于污水傳輸、攪拌處理等環節。當前多數污水處理廠運行的電動機是“鼠籠型”，表現出能耗高、功能因數較小等特點。融合節能設計后，需加強電動機能耗管理，選擇節能型設備。實踐中，高效電機能耗是一般電機的75%，運行能效是一般電機的1.05 倍，功率因數相比一般電機增加8%。為此，高效電機是減少電機能耗的重要措施。電機選型完成后，融合降壓控制技術，防止電機長時間輕載運轉，以此控制能耗[4]。

2.5 控制系統節能設計

（1）中央控制。處理廠內部含有較多的水廠，可使用中央控制技術，融合云處理方式，進行網關配置，有效連接各平臺，保證數據采集的全面性，高效傳輸各系統的運行參數。數據傳輸使用5G 通信技術，進行遠程共享、APP 推送，便于處理廠人員及時掌握污水處理情況。運營控制中心，集中處理采集數據，進行分類、存儲各項處理后，依據管理者需求生成報告。在處理廠值班室內設計數據顯示屏，值班人員可隨時查看各系統處理，及時排查設備潛在問題，全面管控處理系統。

（2）廠區控制。在處理廠內增設控制站，增強廠內各系統的自主控制效果，確保設備管理質量。選擇PLC控制形式，將其連接于控制站的顯示屏，全面獲取系統運行數據，添加必要的參數方案，使系統處于高效運行狀態。PLC 表現出較強的控制能力，可及時發現設備故障，給出相應的故障處理方案，防止出現水質凈化不達標、設備故障停產等問題。從高效運行、減少重復處理方面，達成污水處理的節能目標。例如，水泵運行各時段內，水量參數有一定差異。可采取設備組合形式，選擇變頻調速設備，有效控制輸水量，以此獲取優異的節水效果。為此，在污水處理期間，規范運行控制系統，合理設計各項參數，是保證系統節能性的關鍵措施。

（3）網絡系統。控制系統的平穩運行，依賴于網絡系統的整體性能。某處理廠內部的控制站，在設計網絡結構時，選用10/100Mbit/s 網絡，利用雙絞線進行數據傳送，可保證系統數據傳輸質量，防止數據傳輸不及時、系統監測不到位的等問題，便于管理者及時做出節能調整。控制站與各類設備的連接，采取Modbus總線處理方式，能夠有效控制通信質量，及時回傳生產調度信息。

2.6 儀表節能設計

儀表是監測污水處理平臺運行情況的關鍵設備。某處理廠的儀表設計方案如表4 所示。

表4 某處理廠的儀表設計方案

較多的儀表設備，需加以節能管理，保持儀表電流參數介于4~20mA。儀表監測數據需進行有效轉化，反饋至監測平臺，便于處理廠監測管理。儀表適用的環境條件為：溫度最小為零度、且不超過50℃，濕度不大于95%。儀表節能管理的系統控制如圖3 所示。

圖3 儀表節能管理的系統控制

2.7 監控節能設計

某處理廠使用視頻監控技術，建筑外設有1 個監控點。節能設計時，選用穿熱鍍鋅鋼管，建立高效平穩的信號傳輸路徑。此材料具有較強的管線防護性，可減少管線受損的可能性，確保視頻信號傳輸質量。系統進行防雷處理，以此減少雷電威脅，保證監控系統的運行安全。從防雷、防護管線、保證監控系統安全各方面，降低系統損耗、故障的可能性，順應節能設計需求[5]。

3 結語

綜上所述，污水處理廠旨在改善城區水體環境、循環再用生活污水，表現出較強的城市污水管理功能。在污水處理期間，廠內運行的電氣設施較多，需加以節能設計，以高效處理污水，減少能源消耗，順應環保要求。在實踐中，某處理廠使用銅電纜、高效電機、LED 節能燈具，增設控制站，引入PLC 技術，全面落實節能設計，以期減少污水處理產生的能耗，為城市營建極具生態性、水體管理能力優異的用水環境。