淺析污水處理廠(chǎng)電氣節能設計

摘要：近些年，隨著(zhù)我國污水處理廠(chǎng)的大量建設，各地的環(huán)境保護及污水處理事業(yè)快速發(fā)展并取得顯著(zhù)成效。與此同時(shí)，污水處理廠(chǎng)能耗大，運營(yíng)成本居高不下的情況也越來(lái)越引起重視，本文從進(jìn)水泵、曝氣系統、污泥處理等三面介紹了目前污水處理廠(chǎng)節能降耗的方式和方法，希望能為其他污水處理廠(chǎng)節能工作提供參考。

關(guān)鍵詞：污水處理廠(chǎng)節能降耗；節能設計；優(yōu)化措施；污水處理廠(chǎng)

引言

近年來(lái)，我國污水處理行業(yè)突飛猛進(jìn)，整體發(fā)展處于快速成長(cháng)期，主要表現在污水處理能力迅速擴張、污水處理率穩步提高、污水處理量快速增長(cháng)等方面。截至2014年底，全國設市城市、縣(不含其它建制鎮)累計建成污水處理廠(chǎng)3717座，污水處理能力1.57億m/日，相比2013年，新增了約800萬(wàn)m2/日。但與世界各國相比，目前我國城市污水處理能力、水平、效率、綜合能效與環(huán)境要求差距仍然較大。如何優(yōu)化污水處理工藝與布置，從而有效節約能源，提高效率，已成為當今國內污水處理廠(chǎng)面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。

城市污水處理屬于高耗能行業(yè)。城市污水處理的高耗能，一方面使城市污水處理成本不斷升高，污水處理廠(chǎng)經(jīng)營(yíng)壓力不斷增大；另一方面污水處理廠(chǎng)設備的高耗能也加劇了我國現階段的能源危機。因此，對污水處理行業(yè)節能降耗的研究已迫在眉睫。

城市污水處理節能的途徑和手段就是以能耗調查為依據。通過(guò)對污水廠(chǎng)主要設備實(shí)際用電能耗需求的調查，可以直觀(guān)地得出污水廠(chǎng)各處理單元和處理工藝對所耗能量的不同需求，進(jìn)一步分析得出污水處理廠(chǎng)能耗控制的關(guān)鍵點(diǎn)，通過(guò)對關(guān)鍵點(diǎn)的控制，進(jìn)而對全流程各環(huán)節的節能潛力進(jìn)行深度挖掘。一、我國城市污水處理廠(chǎng)能耗分析

現階段，我國許多污水處理廠(chǎng)處理過(guò)程可以劃分為：污水初級處理、污水二級處理、污泥處理等三個(gè)主要部分。其中，初級處理單元主要設備為：進(jìn)水泵、格柵、沉砂池除污機等；二級污水處理單元主要設備為：鼓風(fēng)機、回流污泥泵、潛水攪拌器等；污泥處理單元主要設備為污泥濃縮脫水機、螺旋輸送機等。

上海市政工程設計研究院羊壽生教授對我國典型二級污水處理廠(chǎng)各單元能耗(電能)做過(guò)估算，估算結果以處理單位體積的污水的耗電量表示(kwh/m2),對二級處理廠(chǎng)該值為0.266,污水處理廠(chǎng)規模為25000m2/d,具體見(jiàn)表1:

由表1可以看出，污水、污泥提升能耗約占總能耗的30%,曝氣池鼓風(fēng)機、潛水攪拌器等供氧設備能耗約占總能耗的55%,污泥處理能耗約占總能耗的10%,三者的直接能耗約占總能耗的95%以上。下面我們就從以上三方面入手，提出實(shí)現途徑及具體方法以達到節能降耗的終目的。

二、水泵與節能

1.水泵的揚程與節能

目前，污水處理廠(chǎng)采用的進(jìn)水泵品牌及種類(lèi)很多，但其電耗均可用如下公式進(jìn)行計算式中：W為電機實(shí)際電耗，kW·h;p為污水的密度，取1000kg/m2;g為重力加速度，取數值9.81m/s2;Q為污水泵的實(shí)際流量，m2/s:H為污水泵的實(shí)際工作揚程；n1為水泵的效率；n2為電機的效率；t為水泵運行時(shí)間。

由以上公式可以得出，進(jìn)水泵在通常正常工作時(shí)，其能耗取由進(jìn)水泵的實(shí)際揚程H所決定。為了有效降低進(jìn)水泵得實(shí)際揚程，以達到節能降耗的成效，我們可以采取以下兩種辦法：(1)在初步設計時(shí)，充分考慮污水廠(chǎng)各構筑物的高程因素，盡量避免多次提升，使污水提升一次到位。同時(shí)，根據現場(chǎng)自然條件合理利用重力流、自流經(jīng)過(guò)不同的處理構筑物，避免在各構筑物間進(jìn)行多次重復提升所帶來(lái)的能量損耗。(2)在進(jìn)行各構筑物的進(jìn)、出水口形式和污水廠(chǎng)管線(xiàn)之間的對接設計時(shí)，盡量綜合考慮，合理布置，以減少處理過(guò)程中的水頭損失。各構筑物和管線(xiàn)布置盡可能避免過(guò)長(cháng)輸送和減少拐彎，同時(shí)還要應簡(jiǎn)潔、緊湊。這樣不但可以降低泵的揚程，還可以減少水頭損失，一舉兩得的同時(shí)也達到了節能增效的目的。

2.水泵運行技術(shù)與節能

進(jìn)水泵是污水提升的主要設備，是污水廠(chǎng)主要能耗之一。因此泵站的節能降耗對降低污水處理廠(chǎng)能耗具有重要意義。對于還未建成的污水處理廠(chǎng)，泵站的節能應從初步設計階段就進(jìn)行綜合考量。對于已經(jīng)建成的污水處理廠(chǎng)，泵站的節能只能在現有條件下進(jìn)行調整，優(yōu)化現有水泵運行方式?，F階段，污水處理廠(chǎng)運行中節能效果較好的技術(shù)主要由兩種，一種是變頻調速技術(shù)；另外一種是水泵優(yōu)化組合技術(shù)?，F行污水處理廠(chǎng)水泵的主要運行方式為：水泵優(yōu)化組合技術(shù)搭配變頻調速技術(shù)。

三、污泥處理系統與節能

1.高效低耗能設備的選用與節能

由表1可知，污泥處理能耗約占總能耗的10%,也是污水廠(chǎng)節能的一個(gè)重點(diǎn)。帶式壓濾機比板框壓濾機能耗小，但易堵塞。隨著(zhù)污泥處理技術(shù)的不斷發(fā)展，目前大部分污水處理廠(chǎng)污泥處理主要設備為帶式濃縮脫水一體機或臥式螺旋沉降離心脫水機。帶式濃縮脫水一體機將濃縮和脫水一體化，占地不大，運行能耗較低；臥式螺旋沉降離心脫水機采用封閉系統，占地同樣不大，設備磨損率不高，運行費用較低。

2.污泥沼氣的利用與節能

污泥厭氧消化過(guò)程一般會(huì )產(chǎn)生一定量的沼氣，收集并提純這部分沼氣即可發(fā)電，從而補償一部分污水廠(chǎng)電能消耗，可以有效降低污水廠(chǎng)電能消耗及運行費用。

1. AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺

1.平臺概述

安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計算到能效管理平臺的產(chǎn)品體系，AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺通過(guò)在污水廠(chǎng)源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個(gè)關(guān)鍵節點(diǎn)安裝保護、監測、分析、治理裝置，用于監測污水廠(chǎng)能耗總量和能耗強度，監測主要用能設備能效，保護污水廠(chǎng)運行安全可靠，提高污水廠(chǎng)能效，為污水處理的能效管理提供科學(xué)、精細的解決方案。

AcrelEMS智慧水務(wù)綜合能效管理系統由變電站綜合自動(dòng)化系統、電力監控及能效管理系統組成，涵蓋了水務(wù)中壓變配電系統、電氣安全、應急電源、能源管理、照明控制、設備運維等，貫穿水務(wù)能源流的始終，幫助運維管理人員通過(guò)一套平臺、一個(gè)APP實(shí)時(shí)了解水務(wù)配電系統運行狀況，并且根據權限可以適用于水務(wù)后勤部門(mén)管理需要。

2.平臺拓撲圖

3.平臺子系統

（1）變電站綜合自動(dòng)化系統及電力監控

對水務(wù)配電系統中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實(shí)現遙測、遙信、遙控、遙調等功能，對異常情況及時(shí)預警。

監測變壓器、水泵、鼓風(fēng)機的電流、電壓、有功/無(wú)功功率、功率因數、負荷率、溫度、三相平衡、異常數據。

（2）電能質(zhì)量監測與治理

水務(wù)中大量的大功率電機、水泵變頻啟動(dòng)導致配電系統中存在大量諧波，通過(guò)監測其配電系統的諧波畸變、電壓波動(dòng)、閃變和容忍度指標分析其電能質(zhì)量，并配置對應的電能質(zhì)量治理措施提高供電電能質(zhì)量。

（3）電動(dòng)機管理

馬達監控實(shí)現水務(wù)中電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，電動(dòng)機保護器能對過(guò)載、短路、缺相、漏電等異常情況進(jìn)行保護、監測。高效、準確地反映出故障狀態(tài)、故障時(shí)間、故障地點(diǎn)、及相關(guān)信息，對電機進(jìn)行健康診斷和預防性維護。同時(shí)支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現電動(dòng)機自動(dòng)或遠程控制，監視、控制各個(gè)工藝設備,保障正常生產(chǎn)。

（4）能耗管理

為水務(wù)搭建計量體系，顯示水務(wù)的能源流向和能源損耗，通過(guò)能源流向圖幫助水務(wù)分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區域。

將所有有關(guān)能源的參數集中在一個(gè)看板中，從多個(gè)維度對比分析，實(shí)現各個(gè)工藝環(huán)節的能耗對比，幫助領(lǐng)導掌控整個(gè)工廠(chǎng)的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

能耗數據統計采集水務(wù)中污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站等的用電、用水、燃氣、冷熱量消耗量，同環(huán)比對比分析，能耗總量和能耗強度計算，標煤計算和CO2排放統計趨勢。

能效分析按計量架構，分別進(jìn)行能效分析，契合能源管理體系要求，可對各車(chē)間/職能部門(mén)的能效水平進(jìn)行分析，同比、環(huán)比、對標等。通過(guò)污水處理產(chǎn)量以及系統采集的能耗數據，在污水單耗中生成污水單耗趨勢圖，并進(jìn)行同比和環(huán)比分析，同時(shí)將污水的單耗與行業(yè)/國際指標對標，以便企業(yè)能夠根據產(chǎn)品單耗情況來(lái)調整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。

（5）智能照明控制

系統為污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區域控制、自動(dòng)控制、感應控制、定時(shí)控制、場(chǎng)景控制、調光控制等多種控制方式，模塊可根據經(jīng)緯度自動(dòng)識別日出日落時(shí)間實(shí)現自動(dòng)控制功能，盡量利用自然光照，實(shí)現室內、廠(chǎng)區照明的智能控制達到安全、節能、舒適的目的。

（6）電氣安全

監測消防設備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災時(shí)消防設備可以正常投入使用。

（7）環(huán)境監測

污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站等場(chǎng)所溫濕度、煙霧、積水浸水、UPS電池間可燃氣體濃度展示和預警，保障污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站等安全運行。當可燃氣體或有害氣體濃度超標可自動(dòng)啟動(dòng)排風(fēng)風(fēng)機或新風(fēng)系統，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。

（8）分布式光伏監測

實(shí)時(shí)監測低壓并網(wǎng)柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數及斷路器開(kāi)關(guān)狀態(tài)，逆變器運行監視，對逆變器直流側每一光伏組串的輸入直流電壓、直流電流、直流功率，逆變器交流電壓、交流電流、頻率、功率因數、當前發(fā)電功率、累計發(fā)電量進(jìn)行監測，以曲線(xiàn)方式繪制上述監測的各個(gè)參量的歷史數據。

平臺結合廠(chǎng)區實(shí)際分布情況，通過(guò)3D或2.5D平面圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車(chē)棚的分布情況，顯示匯流箱、并網(wǎng)點(diǎn)位置，各個(gè)屋頂的裝機容量。

（9）工藝仿真監控

平臺通過(guò)2D、3D方式實(shí)時(shí)監視粗格柵、污水提升、細格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、污泥濃縮壓濾等工藝設備運行狀態(tài)。在格柵清渣機、污水提升泵、回流泵、曝氣風(fēng)機、加藥泵、濃縮壓濾機、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動(dòng)機控制柜或低壓饋電柜安裝電動(dòng)機保護，進(jìn)行短路、過(guò)流、過(guò)載、起動(dòng)超時(shí)、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護、堵轉、逆序、溫度等保護以及外部故障連鎖停機，與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現電動(dòng)機自動(dòng)或遠程控制，監視、控制各個(gè)工藝設備,保障正常生產(chǎn)。

1. 結語(yǔ)

本文通過(guò)對污水廠(chǎng)處理工藝中主要耗能設備及相應工藝單元的分析得出了一些目前污水處理廠(chǎng)已應用或將應用的節能降耗的措施和方法，當然其中不免有疏忽和遺漏。

城市污水廠(chǎng)的節能降耗是一項龐大而復雜的系統工程。牽涉面廣，不但涉及多種專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員的相互配合，還涉及到節能技改與正常生產(chǎn)之間可能存在的矛盾；雖然執行起來(lái)會(huì )有一定的難度，且各個(gè)污水廠(chǎng)的工藝、設備、自控系統也會(huì )有較大差異，很難有可直接全盤(pán)模仿的經(jīng)驗，但只要針對整個(gè)工藝進(jìn)行全面梳理，從“合理布局，優(yōu)化”的大局角度出發(fā)，對歷史數據進(jìn)行分析評估，就能在一定程度上識別出一些具體的節能降耗關(guān)鍵點(diǎn)；然后根據各個(gè)污水處理廠(chǎng)的實(shí)際情況，分步分批實(shí)施。對于節能降耗效果的評價(jià)，一定要著(zhù)眼于全局，不能顧此失彼。

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安科瑞唐曉娟13774431042