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，若無法解決運營成本過高的問題，那么環(huán)保效益便無從談起。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)狀卻不容樂觀。據(jù)調(diào)查，我國污水處理設(shè)備運行正常、運行異常和處于閑置狀態(tài)的占比均為1/3左右，實際運轉(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、高能耗的問題，而且時常發(fā)生故障，自動化水平較差。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)資金也包括運營成本，特別是電能的巨大消耗和嚴(yán)重的浪費現(xiàn)象，大大增大了污水處理廠的運營成本。

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)能中強調(diào)供配電系統(tǒng)，主要是因為污水處理依賴設(shè)備運行，設(shè)備運行離不開電力支持。污水處理的正常運作需要電能、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，更能彰顯良好的經(jīng)濟效益，顯然有助于污水處理廠運營成本的降低。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，或多或少地具有功率因數(shù)低的問題，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

2.1 優(yōu)化供配電節(jié)能設(shè)計

合理的供配電系統(tǒng)不僅可達(dá)到節(jié)能降耗的目的，還有助于減少電費支出，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。因此，在對污水處理廠供配電系統(tǒng)采取節(jié)能措施時，需要從設(shè)計著手進(jìn)行優(yōu)化，一般需要做到以下幾點要求：根據(jù)污水處理廠的重要程度確定負(fù)荷級別，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、電氣保護等也應(yīng)納入供配電節(jié)能設(shè)計范圍，在滿足運行要求的前提下最大程度地提高節(jié)能效果和效益。

2.2 重點關(guān)注高耗能設(shè)備

污水處理作為一個高耗能行業(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)機是污水處理廠第一耗能大戶的事實是改變不了的[2]。當(dāng)然，除了上述主要的耗能設(shè)備，電機、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，也可以借助自動化調(diào)節(jié)和控制等技術(shù)手段來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)計環(huán)節(jié)，一般情況下，需從污水處理廠負(fù)荷等級、供電容量、變壓器設(shè)計數(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、實際負(fù)荷接近，針對集中性負(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，通過盡量縮短線路以有效減少線路的電能損耗。同時，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、無功補償以及線路優(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，分別采取就地補償、集中補償，對供電距離較遠(yuǎn)的高壓電動機等采取就地?zé)o功補償?shù)确绞健?/p>

3.2 控制配電級數(shù)與高次諧波

現(xiàn)階段，我國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，若實際運行中并無電壓為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，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，無論是對配電系統(tǒng)的功率因數(shù)還是對熱損耗均造成了不良影響。因此，從保護配電系統(tǒng)的角度出發(fā)，必須采取切實有效的措施抑制高次諧波，例如，對于集中且大容量的非線性負(fù)載，可選用無源濾波器，而當(dāng)非線性負(fù)載容量大且穩(wěn)定時，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)機節(jié)能優(yōu)勢

由于鼓風(fēng)機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)常要求輸入過量的鼓風(fēng)送氧量，但這一環(huán)節(jié)造成了能源浪費。所以，人們要以此為切入點，結(jié)合計算機技術(shù)、自動化控制技術(shù)以及管理軟件，促進(jìn)鼓風(fēng)機更好地節(jié)能降耗。

一是重視鼓風(fēng)機選型，主要包括離心鼓風(fēng)機和羅茨鼓風(fēng)機兩種類型。其中，前者結(jié)構(gòu)簡單、運行平衡、供氣連續(xù)、壽命長，后者效率高、成本低、便于維護與控制，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)濟可靠性等方面加以考慮。對于位于城鎮(zhèn)的污水處理廠，建議優(yōu)先選用羅茨鼓風(fēng)機。實踐證明，當(dāng)壓力低于4 MPa時，羅茨鼓風(fēng)機的運行效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于離心鼓風(fēng)機，當(dāng)流量小于15 m3/min時，羅茨鼓風(fēng)機的軸功率僅為50%的離心鼓風(fēng)機，初次投資費用也明顯低于離心鼓風(fēng)機。

二是強化變頻控制，通過在好氧段中設(shè)置一個在線溶解氧監(jiān)測儀表，基于科學(xué)的生物處理溶解氧（DO）數(shù)學(xué)模型，對好氧段DO指數(shù)進(jìn)行實時跟蹤并科學(xué)計算實際需氣量，然后根據(jù)水流量的變化對DO進(jìn)行動態(tài)設(shè)置，用于適應(yīng)波動范圍較大的進(jìn)廠水質(zhì)，以獲得顯著的節(jié)能效果。同時，對曝氣加以精確控制，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COD消減量的增加顯著減少鼓風(fēng)機啟停頻率，此時節(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，但造價相對較高，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)場控制室，無需人員值守；信息層則處于廠中央控制室，使用的是以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和計算機及其軟件平臺。三者在集散控制系統(tǒng)（PLC+PC系統(tǒng)）的作用下，可實現(xiàn)對整個污水處理工藝流程進(jìn)行實時監(jiān)測、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，液位信號與變配間PLC相連，通過對液位信號的檢測，自動或手動調(diào)節(jié)池內(nèi)水位并對需要運行的潛水泵數(shù)量進(jìn)行控制，同時結(jié)合上下限報警設(shè)計，以防水泵干運轉(zhuǎn)造成電能浪費[5]。

同時，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，提供各種機械電氣設(shè)備狀態(tài)、數(shù)據(jù)參數(shù)，對運行設(shè)備的電力消耗、給水消耗、藥劑消耗等進(jìn)行監(jiān)測、記錄、管理和分析，并提供相應(yīng)的節(jié)能運行建議。這顯然利于污水處理廠開展動態(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、電機設(shè)備也可在一定程度上實現(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，合理利用太陽能和自然光源，盡量使用高光效、低能耗、長壽命的LED光源，配以時控、光控、人體感應(yīng)等功能的智能燈具，以便根據(jù)實際需求進(jìn)行開關(guān)，減少不必要的電能浪費。電機節(jié)能其實應(yīng)用的也是變頻控制原理，需要處理的污水通常需要長時間停留在曝氣池中，此時與之匹配的電機也要連續(xù)地長期運行。因此，為切實降低該環(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

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，污水處理廠要想實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，就必須立足實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、長期的，需要緊跟形勢與時俱進(jìn)，不斷提高用電效率、減少電能浪費。