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，與社會生產和公眾生活密切相關的污水處理廠備受關注，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)現狀

當下，我國80%以上的河流存在不同程度的污染，污水處理現狀卻不容樂觀。據調查，我國污水處理設備運行正常、運行異常和處于閑置狀態(tài)的占比均為1/3左右，實際運轉率僅能達到50%。最關鍵的是，現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。歸根結底，巨額的資金缺口和技術滯后是問題所在，其中資金不足是物質基礎，既包括建設資金也包括運營成本，特別是電能的巨大消耗和嚴重的浪費現象，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)能中強調供配電系統，主要是因為污水處理依賴設備運行，設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，在污水處理系統中，鼓風曝氣系統、進水提升與污泥脫水系統作為耗能大項，或多或少地具有功率因數低的問題，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有著巨大的節(jié)能潛力，需要人們認真分析和深度挖掘[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)能設計

合理的供配電系統不僅可達到節(jié)能降耗的目的，還有助于減少電費支出，提高企業(yè)的經濟效益。因此，在對污水處理廠供配電系統采取節(jié)能措施時，需要從設計著手進行優(yōu)化，一般需要做到以下幾點要求：根據污水處理廠的重要程度確定負荷級別，結合供電可靠性要求選擇合理的電源供電方式；基于負荷分析和計算，確定變配電房選址合理，盡量與負荷中心接近，適當縮短供電半徑并合理部署配電室，以形成最優(yōu)的電力負荷組合用于節(jié)能降耗；從安全、性能、經濟和可靠等方面進行綜合分析，優(yōu)先選擇功率高、耗能低的節(jié)能電氣設備，特別是變壓器必須結合負荷性質和容量因素予以慎重選擇；線路材料、布線方式、供電距離、電氣保護等也應納入供配電節(jié)能設計范圍，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 重點關注高耗能設備

污水處理作為一個高耗能行業(yè)，據估算，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，尤其是曝氣鼓風機耗能高達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)的污水處理耗能數據會有所不同，文獻資料現有的數據也不統一，但曝氣鼓風機是污水處理廠第一耗能大戶的事實是改變不了的[2]。當然，除了上述主要的耗能設備，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)能型設備，也可以借助自動化調節(jié)和控制等技術手段來減少不必要的電能損耗。

圖1 污水處理系統能耗

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

變壓器節(jié)能主要體現在供配電系統設計環(huán)節(jié)，一般情況下，需從污水處理廠負荷等級、供電容量、變壓器設計數量、技術條件等方面進行分析論證，盡量選用節(jié)能型變壓器，保證其容量與最佳負荷、實際負荷接近，針對集中性負荷和季節(jié)性負荷可增設專用變壓器，配以優(yōu)化的線路敷設路徑，通過盡量縮短線路以有效減少線路的電能損耗。同時，為進一步彰顯變壓器的節(jié)能潛力，還可選擇提高其功率因數的方法，具體措施包括負載配置、無功補償以及線路優(yōu)化等，例如，選用功率因數較高的電氣設備，對污水處理所用的低功率因數、低壓的設備，分別采取就地補償、集中補償，對供電距離較遠的高壓電動機等采取就地無功補償等方式。

3.2 控制配電級數與高次諧波

現階段，我國污水處理廠的用電負荷用量大多處于1 000～10 000 kW范圍內，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上盡量減少配電級數，則有助于減少配電環(huán)節(jié)的電能損耗。例如，當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速裝置和非線性負載，雖然對改善污水處理水平有一定的促進作用，但也加重了電氣系統諧波的危害，無論是對配電系統的功率因數還是對熱損耗均造成了不良影響。因此，從保護配電系統的角度出發(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載，可選用無源濾波器，而當非線性負載容量大且穩(wěn)定時，可選用有源濾波器，結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)揮鼓風機節(jié)能優(yōu)勢

由于鼓風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，經常要求輸入過量的鼓風送氧量，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，結合計算機技術、自動化控制技術以及管理軟件，促進鼓風機更好地節(jié)能降耗。

一是重視鼓風機選型，主要包括離心鼓風機和羅茨鼓風機兩種類型。其中，前者結構簡單、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、水質處理要求、污水處理工藝以及經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)先選用羅茨鼓風機。實踐證明，當壓力低于4 MPa時，羅茨鼓風機的運行效率遠遠高于離心鼓風機，當流量小于15 m3/min時，羅茨鼓風機的軸功率僅為50%的離心鼓風機，初次投資費用也明顯低于離心鼓風機。

二是強化變頻控制，通過在好氧段中設置一個在線溶解氧監(jiān)測儀表，基于科學的生物處理溶解氧（DO）數學模型，對好氧段DO指數進行實時跟蹤并科學計算實際需氣量，然后根據水流量的變化對DO進行動態(tài)設置，用于適應波動范圍較大的進廠水質，以獲得顯著的節(jié)能效果。同時，對曝氣加以精確控制，節(jié)約的曝氣量可達到15%，而且在出水水質達標的基礎上還可以降低DO設置值，減少10%的鼓風能耗。為獲取更高的出水指標，可通過COD消減量的增加顯著減少鼓風機啟停頻率，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

先進的自動化和智能化控制系統可在整體上輔助污水處理廠供配電系統更為順利地開展節(jié)能工作。例如，某污水處理廠的自動化控制系統包括設備層、控制層和信息層。其中，設備層基于現場總線網絡經電纜與設備控制箱和儀表進行連接；控制層處于現場控制室，無需人員值守；信息層則處于廠中央控制室，使用的是以太網網絡和計算機及其軟件平臺。三者在集散控制系統（PLC+PC系統）的作用下，可實現對整個污水處理工藝流程進行實時監(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，自動或手動調節(jié)池內水位并對需要運行的潛水泵數量進行控制，同時結合上下限報警設計，以防水泵干運轉造成電能浪費[5]。

同時，該系統所選用的應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、設備部署圖等界面，提供各種機械電氣設備狀態(tài)、數據參數，對運行設備的電力消耗、給水消耗、藥劑消耗等進行監(jiān)測、記錄、管理和分析，并提供相應的節(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 其他供配電系統節(jié)能措施

除了上述提及的節(jié)能措施，照明裝置、電機設備也可在一定程度上實現節(jié)能降耗。例如，在眩光限制條件內，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，應在不影響照明質量的基礎上優(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、人體感應等功能的智能燈具，以便根據實際需求進行開關，減少不必要的電能浪費。電機節(jié)能其實應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，變頻調速系統是不二之選，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、結構簡單，最關鍵的是節(jié)能效果顯著，所以以其代表的變頻調速技術效率高、能量損失小，在污水處理廠供配電節(jié)能中應用廣泛。

4 結語

當前，節(jié)能減排的呼聲日益高漲，使得污水處理廠被推上風口浪尖，如何在保證污水水質達標的基礎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)能是復雜的、長期的，需要緊跟形勢與時俱進，不斷提高用電效率、減少電能浪費。