基于节能减排的城市生活污水处理厂电气设计研究
2023-10-20肖凯
肖凯
(贵州省建筑设计研究院有限责任公司,贵州 贵阳 550081)
0 引言
污水处理厂旨在改善城市用水环境,有效控制城市污水量。当前,处理厂在污水分类、水质净化等方面,尚未达到理想层次,部分街道污水四溢,直接威胁着水体生态性。如果城市排水整体规划不完整,无法有效集中处理城市污水,极易出现水体污染现象。为此,融合节能工艺,整体布局污水处理体系,保证排放水质达标,具有重要的研究意义。
1 融合节能减排的市区污水整治电气设计理念
1.1 整体布局的合理性
整治城区污水时,有多样性电气系统单体。在各组单体中,引入的电气设备数量有一定差异。电气设备运行时,需连接配电线路,较多的单体结构、数量较大的电气设备,会形成上万米数的配电线路。在线路输电时,较长线路会形成一定功率损耗。例如,某处理厂每年电缆能耗量占比电气系统用电总数的1%,线损占比4%。污水处理厂使用的电气设备较多,会产生较高线损。输电期间产生的功率损耗,主要关联于线路电流、电路电阻两个参数,有效控制两个参数,可达到功率损耗的控制目标。具体控制措施如下。
(1)合理选材,以较低的电阻率线缆为首选,有效控制输电产生的电阻率[1]。当前,市场以铝、铜两种电缆为主要类型,两种线缆性能对比结果如表1 所示。
表1 铝、铜两种电缆性能对比
由表1 对比发现,铜、铝两种电缆性能对比时,在氧化性、腐蚀性、电阻率各方面,铜电缆均表现出一定优势。为此,污水处理厂应选择铜电缆,进行线路设计。
(2)当电流参数固定时,如果线路截面较大,会降低电阻值。如果直接调整截面积参数,可能会增加线路成本。当设备运行功率不高时,按经济载流量设计方式,以此控制有色金属使用。
(3)整体布局时,优化配置供配电中心,尽量设置在负荷集中处。布线路径以直线为主,减少弯路布线次数,避免回头路的布线问题,以此控制配电线路的整体长度。
1.2 控制谐波电流
电力供应与输送过程中,发动、变压两种设备的使用量较大,功率因数约为0.8 时,进行无功补偿处理,需增加功率因数,使其达到0.92(实际应达到0.9)。功率因数调整后,会相应减少无功功率。处理厂使用的变频调速装置多以非线性线路负载出现,线路会形成一定数量的谐波,需要采取无功补偿形式加以处理,确保谐波处理效果,包括:①就地处理。②集中处理。③两种补偿形式共用,以此增加功率因数,减少电网污染。较多的谐波,会削弱电能使用能力,降低电能传输速度,引起电气设备出现异常声响、不规律振动、温度较高等不利现象。为此,适当引入无源滤波设备,以此保证谐波抑制效果。
2 融合节能减排的市区污水净化电气设计方法
2.1 节能式电气系统
某处理厂耗电情况如图1 所示。
图1 某处理厂耗电情况
依据耗电特点,进行电气系统节能规划时,分别给出了供电、配电、站点选址、布线、照明等多个设计任务。在设计中融合节能、低碳等思想,创建污水处理平台,确保排水质量。在污水分类、水质净化的各环节中,按污水处理需求,精确计算各项设备的计算功率,合理规划变压器规格及数量,选用节能型设备,以此控制能耗量[2]。节能型电控系统如图2 所示。
图2 节能型电控系统
2.2 节能式变电设备
污水处理时,应加强变压设备能耗管理,以处理厂运行负荷、设备能耗为参考,合理选择设备型号,保持设备数量与实际污水处理需求相匹配,防止出现超负荷运行或者闲置较多容量等情况。设备运行期间,其电能消耗量占比整体用电量11%左右。选择恰当方法,有效控制设备用电量,以达到降低设备用电能耗的设计目标。
(1)合理选型。处理厂引进变压设备时,需选择节能性强、运行能效高、噪音不大的类型,顺应处理厂的设备使用需求。
(2)确定运行参数。变压设备运行中,如果单组设备容量值较高,会相应增大配电长度,形成较多的电损。而在设备运行负载比例较高时,会增加能耗量。结合处理厂的设备运行需求,变压设备负载比例应尽量处于70%~85%,保障污水处理效果。确定变压设备容量时,按照基础电价方式,获取设备容量,有效调整各处负荷比例参数,让处理厂整体电气系统保持高负载状态。
(3)考虑负载特点、设备数量等多个方面,提出变压设备的设计方法,以顺应生活污水净化需求,从中选出节能性较高、成本较低的设备布局方案,能够展现变压设备的净水价值。某处理厂选用的S13-800 型变压设备节能情况如表2 所示。相比其他类型的变压设备,在空载损耗、负载损耗、设备噪音、抗干扰等方面,均表现出较强的节能优势,能够保证变压设备的能耗控制效果。
表2 某处理厂选用的S13-800 型变压设备的节能表现
2.3 节能式照明体系
室外道路范围内,进行照明设计时,应顺应车辆通行的照明需求。相比城市主干道路,污水处理厂的运输道路,整体宽度不大,且夜间通车量不多。为此,照明设计融合节能思想,选择庭院路灯进行设计,路灯高度取3.5~5m,防止出现车辆与路灯刮碰问题。路灯选型完成后,使用“人工+智能”的组合型控制方式,有效控制室外通行区的照明能耗。处理厂的室外照明,多数采取夜间巡视形式,将照明设备布设于建筑外墙,联合于通行区照明设备,合理控制照明间距,均匀布设照明点位。建立户外照明体系时,可选择单独开关,进行巡检操作,以此增强户外照明的节能性。处理厂项目内部的照明区,包括值班室、配电室、处理中心等多个位置。依照各区域的照明需求,引入可行的照明控制方法,保证照明质量,有效控制照明能耗。例如,在项目内的楼道、走廊等位置,选择声控型、红外线感应型的照明开关,以此减少照明设备持续运行产生的能耗量[3]。在污水处理中心、办公室等位置,选择高效节能灯具,替换白炽灯,增强室内照明节能效果。某处理厂选择80W LED 灯具,其设备参数如表3 所示。
表3 80W LED 灯具的技术参数
由表3 技术参数可知,LED 灯具的可用时间较长,光通量较高,可保障照明质量,功率因数不小于0.95,符合节能电气系统的性能要求。
2.4 节能电动机
电动机是进行“电能→动能”的关键设备,多用于污水传输、搅拌处理等环节。当前多数污水处理厂运行的电动机是“鼠笼型”,表现出能耗高、功能因数较小等特点。融合节能设计后,需加强电动机能耗管理,选择节能型设备。实践中,高效电机能耗是一般电机的75%,运行能效是一般电机的1.05 倍,功率因数相比一般电机增加8%。为此,高效电机是减少电机能耗的重要措施。电机选型完成后,融合降压控制技术,防止电机长时间轻载运转,以此控制能耗[4]。
2.5 控制系统节能设计
(1)中央控制。处理厂内部含有较多的水厂,可使用中央控制技术,融合云处理方式,进行网关配置,有效连接各平台,保证数据采集的全面性,高效传输各系统的运行参数。数据传输使用5G 通信技术,进行远程共享、APP 推送,便于处理厂人员及时掌握污水处理情况。运营控制中心,集中处理采集数据,进行分类、存储各项处理后,依据管理者需求生成报告。在处理厂值班室内设计数据显示屏,值班人员可随时查看各系统处理,及时排查设备潜在问题,全面管控处理系统。
(2)厂区控制。在处理厂内增设控制站,增强厂内各系统的自主控制效果,确保设备管理质量。选择PLC控制形式,将其连接于控制站的显示屏,全面获取系统运行数据,添加必要的参数方案,使系统处于高效运行状态。PLC 表现出较强的控制能力,可及时发现设备故障,给出相应的故障处理方案,防止出现水质净化不达标、设备故障停产等问题。从高效运行、减少重复处理方面,达成污水处理的节能目标。例如,水泵运行各时段内,水量参数有一定差异。可采取设备组合形式,选择变频调速设备,有效控制输水量,以此获取优异的节水效果。为此,在污水处理期间,规范运行控制系统,合理设计各项参数,是保证系统节能性的关键措施。
(3)网络系统。控制系统的平稳运行,依赖于网络系统的整体性能。某处理厂内部的控制站,在设计网络结构时,选用10/100Mbit/s 网络,利用双绞线进行数据传送,可保证系统数据传输质量,防止数据传输不及时、系统监测不到位的等问题,便于管理者及时做出节能调整。控制站与各类设备的连接,采取Modbus总线处理方式,能够有效控制通信质量,及时回传生产调度信息。
2.6 仪表节能设计
仪表是监测污水处理平台运行情况的关键设备。某处理厂的仪表设计方案如表4 所示。
表4 某处理厂的仪表设计方案
较多的仪表设备,需加以节能管理,保持仪表电流参数介于4~20mA。仪表监测数据需进行有效转化,反馈至监测平台,便于处理厂监测管理。仪表适用的环境条件为:温度最小为零度、且不超过50℃,湿度不大于95%。仪表节能管理的系统控制如图3 所示。
图3 仪表节能管理的系统控制
2.7 监控节能设计
某处理厂使用视频监控技术,建筑外设有1 个监控点。节能设计时,选用穿热镀锌钢管,建立高效平稳的信号传输路径。此材料具有较强的管线防护性,可减少管线受损的可能性,确保视频信号传输质量。系统进行防雷处理,以此减少雷电威胁,保证监控系统的运行安全。从防雷、防护管线、保证监控系统安全各方面,降低系统损耗、故障的可能性,顺应节能设计需求[5]。
3 结语
综上所述,污水处理厂旨在改善城区水体环境、循环再用生活污水,表现出较强的城市污水管理功能。在污水处理期间,厂内运行的电气设施较多,需加以节能设计,以高效处理污水,减少能源消耗,顺应环保要求。在实践中,某处理厂使用铜电缆、高效电机、LED 节能灯具,增设控制站,引入PLC 技术,全面落实节能设计,以期减少污水处理产生的能耗,为城市营建极具生态性、水体管理能力优异的用水环境。