污水处理厂的供配电节能措施分析

2019-07-08黄铠

中国资源综合利用 2019年6期

黄铠

（广东正仕电气有限公司，广东汕头 515000）

随着污染治理工作的不断深入，与社会生产和公众生活密切相关的污水处理厂备受关注，但污水处理厂需要极大的能源和资金支持，若无法解决运营成本过高的问题，那么环保效益便无从谈起。因此，污水处理厂只有树立节能理念，从供配电系统入手，通过节能降耗、降低成本，才能发挥缓解水污染的重要功能。

1 污水处理厂供配电节能概述

1.1 污水处理厂行业现状

当下，我国80%以上的河流存在不同程度的污染，污水处理现状却不容乐观。据调查，我国污水处理设备运行正常、运行异常和处于闲置状态的占比均为1/3左右，实际运转率仅能达到50%。最关键的是，现阶段的污水处理厂普遍存在低功效、高能耗的问题，而且时常发生故障，自动化水平较差。归根结底，巨额的资金缺口和技术滞后是问题所在，其中资金不足是物质基础，既包括建设资金也包括运营成本，特别是电能的巨大消耗和严重的浪费现象，大大增大了污水处理厂的运营成本。

1.2 污水处理厂供配电节能的必要性

之所以在污水处理厂节能中强调供配电系统，主要是因为污水处理依赖设备运行，设备运行离不开电力支持。污水处理的正常运作需要电能、燃料、药剂等诸多能源，其中电能消耗占整体能耗的90%左右，若能从供配电系统着手开展节能降耗工作，不仅可以节约用电，减少浪费，更能彰显良好的经济效益，显然有助于污水处理厂运营成本的降低。再者，在污水处理系统中，鼓风曝气系统、进水提升与污泥脱水系统作为耗能大项，或多或少地具有功率因数低的问题，而且存在不必要的电能损耗情况，故污水处理厂供配电系统有着巨大的节能潜力，需要人们认真分析和深度挖掘[1]。

2 污水处理厂供配电节能要点

2.1 优化供配电节能设计

合理的供配电系统不仅可达到节能降耗的目的，还有助于减少电费支出，提高企业的经济效益。因此，在对污水处理厂供配电系统采取节能措施时，需要从设计着手进行优化，一般需要做到以下几点要求：根据污水处理厂的重要程度确定负荷级别，结合供电可靠性要求选择合理的电源供电方式；基于负荷分析和计算，确定变配电房选址合理，尽量与负荷中心接近，适当缩短供电半径并合理部署配电室，以形成最优的电力负荷组合用于节能降耗；从安全、性能、经济和可靠等方面进行综合分析，优先选择功率高、耗能低的节能电气设备，特别是变压器必须结合负荷性质和容量因素予以慎重选择；线路材料、布线方式、供电距离、电气保护等也应纳入供配电节能设计范围，在满足运行要求的前提下最大程度地提高节能效果和效益。

2.2 重点关注高耗能设备

污水处理作为一个高耗能行业，据估算，处理单位体积污水所需的电能为0.15～0.28 kW·h/m3。其中，污水生化处理环节居于能耗之首，尤其是曝气鼓风机耗能高达污水处理厂直接能耗的51%左右，其次是污水提升、污泥处理环节，如图1所示。虽然不同区域、不同企业的污水处理耗能数据会有所不同，文献资料现有的数据也不统一，但曝气鼓风机是污水处理厂第一耗能大户的事实是改变不了的[2]。当然，除了上述主要的耗能设备，电机、照明等也具有一定的节能潜力，至于节能措施，可以选用节能型设备，也可以借助自动化调节和控制等技术手段来减少不必要的电能损耗。

图1 污水处理系统能耗

3 污水处理厂供配电节能的具体措施

3.1 切实提升变压器功率因数

变压器节能主要体现在供配电系统设计环节，一般情况下，需从污水处理厂负荷等级、供电容量、变压器设计数量、技术条件等方面进行分析论证，尽量选用节能型变压器，保证其容量与最佳负荷、实际负荷接近，针对集中性负荷和季节性负荷可增设专用变压器，配以优化的线路敷设路径，通过尽量缩短线路以有效减少线路的电能损耗。同时，为进一步彰显变压器的节能潜力，还可选择提高其功率因数的方法，具体措施包括负载配置、无功补偿以及线路优化等，例如，选用功率因数较高的电气设备，对污水处理所用的低功率因数、低压的设备，分别采取就地补偿、集中补偿，对供电距离较远的高压电动机等采取就地无功补偿等方式。

3.2 控制配电级数与高次谐波

现阶段，我国污水处理厂的用电负荷用量大多处于1 000～10 000 kW范围内，供电电源电压有 10 kV、20 kV、35 kV之分，如果能在不影响可靠供电的基础上尽量减少配电级数，则有助于减少配电环节的电能损耗。例如，当污水处理厂电源电压为 20 kV或35 kV时，若实际运行中并无电压为6 kV或10 kV的用电设备，为了节能降耗，建议优先考虑直变为0.4 kV的20 kV或35 kV变压器[3]。

同时，污水处理厂往往存在大量的变频调速装置和非线性负载，虽然对改善污水处理水平有一定的促进作用，但也加重了电气系统谐波的危害，无论是对配电系统的功率因数还是对热损耗均造成了不良影响。因此，从保护配电系统的角度出发，必须采取切实有效的措施抑制高次谐波，例如，对于集中且大容量的非线性负载，可选用无源滤波器，而当非线性负载容量大且稳定时，可选用有源滤波器，结合消谐电抗器的使用，既可以大大降低谐波的危害，也可节约能耗和成本。

3.3 充分发挥鼓风机节能优势

由于鼓风机是污水处理厂的用电大户，而且以往的污水处理工艺为了获得充分的曝气，经常要求输入过量的鼓风送氧量，但这一环节造成了能源浪费。所以，人们要以此为切入点，结合计算机技术、自动化控制技术以及管理软件，促进鼓风机更好地节能降耗。

一是重视鼓风机选型，主要包括离心鼓风机和罗茨鼓风机两种类型。其中，前者结构简单、运行平衡、供气连续、寿命长，后者效率高、成本低、便于维护与控制，故选型必须从污水处理厂的规模大小、水质处理要求、污水处理工艺以及经济可靠性等方面加以考虑。对于位于城镇的污水处理厂，建议优先选用罗茨鼓风机。实践证明，当压力低于4 MPa时，罗茨鼓风机的运行效率远远高于离心鼓风机，当流量小于15 m3/min时，罗茨鼓风机的轴功率仅为50%的离心鼓风机，初次投资费用也明显低于离心鼓风机。

二是强化变频控制，通过在好氧段中设置一个在线溶解氧监测仪表，基于科学的生物处理溶解氧（DO）数学模型，对好氧段DO指数进行实时跟踪并科学计算实际需气量，然后根据水流量的变化对DO进行动态设置，用于适应波动范围较大的进厂水质，以获得显著的节能效果。同时，对曝气加以精确控制，节约的曝气量可达到15%，而且在出水水质达标的基础上还可以降低DO设置值，减少10%的鼓风能耗。为获取更高的出水指标，可通过COD消减量的增加显著减少鼓风机启停频率，此时节能效果最高可提升50%[4]。值得一提的是，变频控制虽然有着可观的节能功效，但造价相对较高，一般适用于规模较大的污水处理厂。

3.4 积极引入智能化控制系统

先进的自动化和智能化控制系统可在整体上辅助污水处理厂供配电系统更为顺利地开展节能工作。例如，某污水处理厂的自动化控制系统包括设备层、控制层和信息层。其中，设备层基于现场总线网络经电缆与设备控制箱和仪表进行连接；控制层处于现场控制室，无需人员值守；信息层则处于厂中央控制室，使用的是以太网网络和计算机及其软件平台。三者在集散控制系统（PLC+PC系统）的作用下，可实现对整个污水处理工艺流程进行实时监测、操作和管理。其中，自控仪表在供配电节能中彰显了重要作用，例如，调节池中的超声波液位计，液位信号与变配间PLC相连，通过对液位信号的检测，自动或手动调节池内水位并对需要运行的潜水泵数量进行控制，同时结合上下限报警设计，以防水泵干运转造成电能浪费[5]。

同时，该系统所选用的应用软件可为工作人员提供污水处理工艺流程图、电气接线图、设备部署图等界面，提供各种机械电气设备状态、数据参数，对运行设备的电力消耗、给水消耗、药剂消耗等进行监测、记录、管理和分析，并提供相应的节能运行建议。这显然利于污水处理厂开展动态的能耗管理，使其节能效果更上一层楼。

3.5 其他供配电系统节能措施

除了上述提及的节能措施，照明装置、电机设备也可在一定程度上实现节能降耗。例如，在眩光限制条件内，优先考虑高效率的开启式直接照明灯具，效率不得低于70%；不同场所、不同功能的光源，应在不影响照明质量的基础上优先选用高光效照明；主照明电源采用三相供电，以平衡照明负荷，减少电压损失，合理利用太阳能和自然光源，尽量使用高光效、低能耗、长寿命的LED光源，配以时控、光控、人体感应等功能的智能灯具，以便根据实际需求进行开关，减少不必要的电能浪费。电机节能其实应用的也是变频控制原理，需要处理的污水通常需要长时间停留在曝气池中，此时与之匹配的电机也要连续地长期运行。因此，为切实降低该环节的用电量，变频调速系统是不二之选，虽然具体的变频控制方式有多种，但电压空间矢量控制方式成本较低、结构简单，最关键的是节能效果显著，所以以其代表的变频调速技术效率高、能量损失小，在污水处理厂供配电节能中应用广泛。