淺析污水處理廠電氣節(jié)能設(shè)計(jì)

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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)關(guān)鍵點(diǎn)的控制，進(jìn)而對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)降低污水處理廠能耗具有重要意義。對(duì)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(duì)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?，F(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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的能耗對(duì)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)?、冷熱量消耗量，同環(huán)比對(duì)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(duì)各車間/職能部門的能效水平進(jìn)行分析，同比、環(huán)比、對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)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(duì)于節(jié)能降耗效果的評(píng)價(jià)，一定要著眼于全局，不能顧此失彼。

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安科瑞唐曉娟13774431042