基于节能减排的城市生活污水处理厂电气设计研究

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。