淺析污水處理廠電氣節(jié)能設(shè)計(jì)

安科瑞 陳聰

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

關(guān)鍵詞：污水處理廠節(jié)能降耗；節(jié)能設(shè)計(jì)；優(yōu)化措施；污水處理廠

引言

近年來，我國污水處理行業(yè)突飛猛進(jìn)，整體發(fā)展處于快速成長期，主要表現(xiàn)在污水處理能力迅速擴(kuò)張、污水處理率穩(wěn)步提高、污水處理量快速增長等方面。截至2014年底，全國設(shè)市城市、縣(不含其它建制鎮(zhèn))累計(jì)建成污水處理廠3717座，污水處理能力1.57億m/日，相比2013年，新增了約800萬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(jié)約能源，提高效率，已成為當(dāng)今國內(nèi)污水處理廠面臨的一個(gè)重要問題。

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，污水處理廠經(jīng)營壓力不斷增大；另一方面污水處理廠設(shè)備的高耗能也加劇了我國現(xiàn)階段的能源危機(jī)。因此，對污水處理行業(yè)節(jié)能降耗的研究已迫在眉睫。

城市污水處理節(jié)能的途徑和手段就是以能耗調(diào)查為依據(jù)。通過對污水廠主要設(shè)備實(shí)際用電能耗需求的調(diào)查，可以直觀地得出污水廠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能耗控制的關(guān)鍵點(diǎn)，通過對關(guān)鍵點(diǎn)的控制，進(jìn)而對全流程各環(huán)節(jié)的節(jié)能潛力進(jìn)行深度挖掘。一、我國城市污水處理廠能耗分析

現(xiàn)階段，我國許多污水處理廠處理過程可以劃分為：污水初級(jí)處理、污水二級(jí)處理、污泥處理等三個(gè)主要部分。其中，初級(jí)處理單元主要設(shè)備為：進(jìn)水泵、格柵、沉砂池除污機(jī)等；二級(jí)污水處理單元主要設(shè)備為：鼓風(fēng)機(jī)、回流污泥泵、潛水?dāng)嚢杵鞯?；污泥處理單元主要設(shè)備為污泥濃縮脫水機(jī)、螺旋輸送機(jī)等。

上海市政工程設(shè)計(jì)研究院羊壽生教授對我國典型二級(jí)污水處理廠各單元能耗(電能)做過估算，估算結(jié)果以處理單位體積的污水的耗電量表示(kwh/m2),對二級(jí)處理廠該值為0.266,污水處理廠規(guī)模為25000m2/d,具體見表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(jī)、潛水?dāng)嚢杵鞯裙┭踉O(shè)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(xiàn)途徑及具體方法以達(dá)到節(jié)能降耗的終目的。

二、水泵與節(jié)能

1.水泵的揚(yáng)程與節(jié)能

目前，污水處理廠采用的進(jìn)水泵品牌及種類很多，但其電耗均可用如下公式進(jìn)行計(jì)算式中：W為電機(jī)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(shù)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(yáng)程；n1為水泵的效率；n2為電機(jī)的效率；t為水泵運(yùn)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(yáng)程H所決定。為了有效降低進(jìn)水泵得實(shí)際揚(yáng)程，以達(dá)到節(jié)能降耗的成效，我們可以采取以下兩種辦法：(1)在初步設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮污水廠各構(gòu)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(jù)現(xiàn)場自然條件合理利用重力流、自流經(jīng)過不同的處理構(gòu)筑物，避免在各構(gòu)筑物間進(jìn)行多次重復(fù)提升所帶來的能量損耗。(2)在進(jìn)行各構(gòu)筑物的進(jìn)、出水口形式和污水廠管線之間的對接設(shè)計(jì)時(shí)，盡量綜合考慮，合理布置，以減少處理過程中的水頭損失。各構(gòu)筑物和管線布置盡可能避免過長輸送和減少拐彎，同時(shí)還要應(yīng)簡潔、緊湊。這樣不但可以降低泵的揚(yáng)程，還可以減少水頭損失，一舉兩得的同時(shí)也達(dá)到了節(jié)能增效的目的。

2.水泵運(yùn)行技術(shù)與節(jié)能

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

三、污泥處理系統(tǒng)與節(jié)能

1.高效低耗能設(shè)備的選用與節(jié)能

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

2.污泥沼氣的利用與節(jié)能

污泥厭氧消化過程一般會(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(bǔ)償一部分污水廠電能消耗，可以有效降低污水廠電能消耗及運(yùn)行費(fèi)用。

1. AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺(tái)

1.平臺(tái)概述

安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計(jì)算到能效管理平臺(tái)的產(chǎn)品體系，AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺(tái)通過在污水廠源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)、充的各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)安裝保護(hù)、監(jiān)測、分析、治理裝置，用于監(jiān)測污水廠能耗總量和能耗強(qiáng)度，監(jiān)測主要用能設(shè)備能效，保護(hù)污水廠運(yùn)行安全可靠，提高污水廠能效，為污水處理的能效管理提供科學(xué)、精細(xì)的解決方案。

AcrelEMS智慧水務(wù)綜合能效管理系統(tǒng)由變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、電力監(jiān)控及能效管理系統(tǒng)組成，涵蓋了水務(wù)中壓變配電系統(tǒng)、電氣安全、應(yīng)急電源、能源管理、照明控制、設(shè)備運(yùn)維等，貫穿水務(wù)能源流的始終，幫助運(yùn)維管理人員通過一套平臺(tái)、一個(gè)APP實(shí)時(shí)了解水務(wù)配電系統(tǒng)運(yùn)行狀況，并且根據(jù)權(quán)限可以適用于水務(wù)后勤部門管理需要。

2.平臺(tái)拓?fù)鋱D

3.平臺(tái)子系統(tǒng)

（1）變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)及電力監(jiān)控

對水務(wù)配電系統(tǒng)中35kV、10kV電壓等級(jí)配置繼電保護(hù)和弧光保護(hù)，實(shí)現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調(diào)等功能，對異常情況及時(shí)預(yù)警。

監(jiān)測變壓器、水泵、鼓風(fēng)機(jī)的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數(shù)、負(fù)荷率、溫度、三相平衡、異常數(shù)據(jù)。

（2）電能質(zhì)量監(jiān)測與治理

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

（3）電動(dòng)機(jī)管理

馬達(dá)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)水務(wù)中電機(jī)的保護(hù)、遙測、遙信、遙控功能，電動(dòng)機(jī)保護(hù)器能對過載、短路、缺相、漏電等異常情況進(jìn)行保護(hù)、監(jiān)測。高效、準(zhǔn)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(jī)進(jìn)行健康診斷和預(yù)防性維護(hù)。同時(shí)支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)自動(dòng)或遠(yuǎn)程控制，監(jiān)視、控制各個(gè)工藝設(shè)備,保障正常生產(chǎn)。

（4）能耗管理

為水務(wù)搭建計(jì)量體系，顯示水務(wù)的能源流向和能源損耗，通過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(qū)域。

將所有有關(guān)能源的參數(shù)集中在一個(gè)看板中，從多個(gè)維度對比分析，實(shí)現(xiàn)各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的能耗對比，幫助領(lǐng)導(dǎo)掌控整個(gè)工廠的能源消耗，能源成本，標(biāo)煤排放等的情況。

能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采集水務(wù)中污水廠、自來水廠、水泵站等的用電、用水、燃?xì)狻⒗錈崃肯牧?，同環(huán)比對比分析，能耗總量和能耗強(qiáng)度計(jì)算，標(biāo)煤計(jì)算和CO2排放統(tǒng)計(jì)趨勢。

能效分析按計(jì)量架構(gòu)，分別進(jìn)行能效分析，契合能源管理體系要求，可對各車間/職能部門的能效水平進(jìn)行分析，同比、環(huán)比、對標(biāo)等。通過污水處理產(chǎn)量以及系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)，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(biāo)對標(biāo)，以便企業(yè)能夠根據(jù)產(chǎn)品單耗情況來調(diào)整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。

（5）智能照明控制

系統(tǒng)為污水廠、自來水廠、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區(qū)域控制、自動(dòng)控制、感應(yīng)控制、定時(shí)控制、場景控制、調(diào)光控制等多種控制方式，模塊可根據(jù)經(jīng)緯度自動(dòng)識(shí)別日出日落時(shí)間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能，盡量利用自然光照，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)、廠區(qū)照明的智能控制達(dá)到安全、節(jié)能、舒適的目的。

（6）電氣安全

監(jiān)測消防設(shè)備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災(zāi)時(shí)消防設(shè)備可以正常投入使用。

（7）環(huán)境監(jiān)測

污水廠、自來水廠、水泵站等場所溫濕度、煙霧、積水浸水、UPS電池間可燃?xì)怏w濃度展示和預(yù)警，保障污水廠、自來水廠、水泵站等安全運(yùn)行。當(dāng)可燃?xì)怏w或有害氣體濃度超標(biāo)可自動(dòng)啟動(dòng)排風(fēng)風(fēng)機(jī)或新風(fēng)系統(tǒng)，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。

（8）分布式光伏監(jiān)測

實(shí)時(shí)監(jiān)測低壓并網(wǎng)柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數(shù)及斷路器開關(guān)狀態(tài)，逆變器運(yùn)行監(jiān)視，對逆變器直流側(cè)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(shù)、當(dāng)前發(fā)電功率、累計(jì)發(fā)電量進(jìn)行監(jiān)測，以曲線方式繪制上述監(jiān)測的各個(gè)參量的歷史數(shù)據(jù)。

平臺(tái)結(jié)合廠區(qū)實(shí)際分布情況，通過3D或2.5D平面圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車棚的分布情況，顯示匯流箱、并網(wǎng)點(diǎn)位置，各個(gè)屋頂?shù)难b機(jī)容量。

（9）工藝仿真監(jiān)控

平臺(tái)通過2D、3D方式實(shí)時(shí)監(jiān)視粗格柵、污水提升、細(xì)格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、污泥濃縮壓濾等工藝設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。在格柵清渣機(jī)、污水提升泵、回流泵、曝氣風(fēng)機(jī)、加藥泵、濃縮壓濾機(jī)、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動(dòng)機(jī)控制柜或低壓饋電柜安裝電動(dòng)機(jī)保護(hù)，進(jìn)行短路、過流、過載、起動(dòng)超時(shí)、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護(hù)、堵轉(zhuǎn)、逆序、溫度等保護(hù)以及外部故障連鎖停機(jī)，與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)自動(dòng)或遠(yuǎn)程控制，監(jiān)視、控制各個(gè)工藝設(shè)備,保障正常生產(chǎn)。

1. 結(jié)語

本文通過對污水廠處理工藝中主要耗能設(shè)備及相應(yīng)工藝單元的分析得出了一些目前污水處理廠已應(yīng)用或?qū)?yīng)用的節(jié)能降耗的措施和方法，當(dāng)然其中不免有疏忽和遺漏。

城市污水廠的節(jié)能降耗是一項(xiàng)龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程。牽涉面廣，不但涉及多種專業(yè)技術(shù)人員的相互配合，還涉及到節(jié)能技改與正常生產(chǎn)之間可能存在的矛盾；雖然執(zhí)行起來會(huì)有一定的難度，且各個(gè)污水廠的工藝、設(shè)備、自控系統(tǒng)也會(huì)有較大差異，很難有可直接全盤模仿的經(jīng)驗(yàn)，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(shù)據(jù)進(jìn)行分析評估，就能在一定程度上識(shí)別出一些具體的節(jié)能降耗關(guān)鍵點(diǎn)；然后根據(jù)各個(gè)污水處理廠的實(shí)際情況，分步分批實(shí)施。對于節(jié)能降耗效果的評價(jià)，一定要著眼于全局，不能顧此失彼。

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