探讨降低城市污水厂电气能耗的对策研究
简婷
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：基于降低城市污水厂电气能耗的目的，针对污水厂电气节能问题，做了简单的论述，提出了减少能源消耗的策略，共享给相关人员参考。从电气设计到电气运行管理等全过程，通过优选设备和采取相应的措施，实现对能源消耗的有效控制，能够达到节能的效果。现结合具体研究，作如下论述。
关键词：城市；污水厂；电气能耗
0 引言
随着污水产生量的不断增加以及环保要求不断提高，使得污水处理厂不断增加。从污水处理厂实际运行来说，实现对污水处理的同时，也需要消耗很多能源。按照介质划分，能耗主要包括燃料和电能以及药剂等。其中，电能的消耗占据总能源消耗的60%~90%，因此做好此部分的节能，有着重要的意义。
１课题研究的意义
目前来说，城市污水和废水产生量不断增加，为了能够满足污水处理工作的基本需求，各地区积极开展污水厂的建设，力求通过污水处理保护水环境，控制水污染问题。从污水处理厂的运行情况来说，存在着能源消耗大的问题，电气节能技术水平不高，厂子的经济效益不高，进而影响着污水处理工作的开展效果。基于此，深度分析此课题，提出有效的电气节能技术措施，有着重要的意义。
2 降低城市污水厂电气节能设计要点分析
2.1照明系统
污水厂综合用房以及进出水在线监测用房，使用的照明设备选择节能型荧光灯。例如，选择三基色细管径直管荧光灯，作为照明光源，同时配备节能电子镇流器，能够获得不错的节能效果。对于室外照明，池顶部分的照明使用金属柱灯以及高压钠灯，可以达到节能降耗的目标。室外的道路照明，使用庭院灯＋高压钠灯方案，可以获得不错的节能效果。
2.2电气系统
通过计算负荷，来选择变压器装置。按照标准和实际需求，选择的变压器负荷率要处于60%~70%范围内，实现对变压器运行损耗的有效控制。同时要综合经济性和损耗等因素选择。选择杆上油浸变压器，负责为建筑物单体用电设备以及污水处理工艺设备供电。结合实际情况，可以选择柴油发电机组供电，保证厂区二级负荷。在杆上变压器装置上设置计量柜，并且在杆上变压器配电箱内布置补偿装置，经过补偿后低压侧的功率因数能够达到标准。
2.3电气线路节能
从电气能源消耗问题的控制角度来说，线路损耗为问题，要采取有效的解决措施，实现对能源消耗的有效控制。通过进行分析明确，负荷三相不平衡会造成线路运行产生大损耗，因此要做好优化。具体布置时，要遵循三相负荷平衡原理，开展电气线路的布置，达到平衡的状态，减少因为负荷造成的能源消耗。除此之外，根据工艺运行的电力负荷和电量使用，做好输电导线型号选择和横截面面积计算的把控，确保运行的合理性和安全性。
3 降低城市污水厂电气能耗的策略总结
3.1做好供配电系统的节能
此部分的能源消耗控制，多采取以下方法：（1）无功补偿。结合工艺运行情况，选择集中补偿或者分散补偿。以分散补偿为例，通过在用电设备中配置相应的电容器，通过增加低压线路电网运行的功率因数，实现对线路损失的控制，不过很难实现对变压器铜损的控制。而集中补偿可降低铜损，通过在负荷中心设置低压配电房的方式，实现集中补偿。（2）降低线路损耗。推广使用铜芯电缆的方法，控制线路整体的长度和截面大小，实现对线路损耗的有效控制，达到成本节约的目的。（3）电机节能。通过优选电机设备的方式，比如水泵装置，推广运用PLC变频控制技术，实现对此部分的能源消耗控制。
3.2优化污水处理工艺
目前来说，污水处理工作的要求不断提高，很多厂子为了达到处理标准，需要购进新的设备，引入新的污水处理工艺，实现污水处理能力水平的提高，与此同时降低整体能源消耗。基于污水处理工艺的运用流程，积极推广变频调速技术手段，开展电气技术改造工作，借助此技术手段，增加处理污水量，减少电气能源消耗，实现能源节约，同时可以减少电费支出，促使处理厂的经济效益得以增加。
3.3优选节能设备
从电能消耗产生的原因来说，各类设备运行为主要因素，比如使用的风机和水泵等，能够有效控制电能的使用。例如，风机和水泵等实际运行时，常常处于满载状态运行，设备实际负载显著低于设计值，使得污水处理工艺运行能源消耗比较高，能源的利用率很低，使得电能被浪费。基于此，要优选节能设备，推广应用变频节能设备，通过提高设备运行效率的手段，同时运用计算机模糊控制理论，实现对设备运行负荷情况的有效监控，依据负荷变化情况，进行智能化水泵与风机等运行的调节，降低能源消耗，增强工艺运行的节能效果。
3.4照明节能
污水厂运行中，照明能源消耗量较大，为降低能源消耗的环节。具体实践中，采取有效的照明节能措施，能够达到不错的节能效果，实现对成本的有效控制，增加运营效益。首先，优选光源。从建设的角度入手，通过合理构建厂区环境的方式，保证光源充足，确保能够达到照明节能的目的。推广使用节能效果较好的光源，比如细管径荧光灯和高压钠灯等。其次，推广使用节能型光源附件，比如电子镇流器以及低能耗镇流器等，实现对线损的控制，增强供电的效果。后，优化照明控制系统。以保证照明需求为前提，推广运用声光控的方式，减少灯具使用的电能消耗，增强节电效果。
4 AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台
4.1平台概述
安科瑞电气具备从终端感知、边缘计算到能效管理平台的产品生态体系，AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台通过在污水厂源、网、荷、储、充的各个关键节点安装保护、监测、分析、治理装置，用于监测污水厂能耗总量和能耗强度，监测主要用能设备能效，保护污水厂运行安全可靠，提高污水厂能效，为污水处理的能效管理提供科学、精细的解决方案。
4.2平台组成
AcrelEMS智慧水务综合能效管理系统由变电站综合自动化系统、电力监控及能效管理系统组成，涵盖了水务中压变配电系统、电气安全、应急电源、能源管理、照明控制、设备运维等，贯穿水务能源流的始终，帮助运维管理人员通过一套平台、一个APP实时了解水务配电系统运行状况，并且根据权限可以适用于水务后勤部门管理需要。
4.3平台拓扑图
4.4平台子系统
4.4.1变电站综合自动化系统及电力监控
对水务配电系统中35kV、10kV电压等级配置继电保护和弧光保护，实现遥测、遥信、遥控、遥调等功能，对异常情况及时预警。
监测变压器、水泵、鼓风机的电流、电压、有功/无功功率、功率因数、负荷率、温度、三相平衡、异常报警等数据。
4.4.2电能质量监测与治理
水务中大量的大功率电机、水泵变频启动导致配电系统中存在大量谐波，通过监测其配电系统的谐波畸变、电压波动、闪变和容忍度指标分析其电能质量，并配置对应的电能质量治理措施提高供电电能质量。
4.4.3电动机管理
马达监控实现水务中电机的保护、遥测、遥信、遥控功能，电动机保护器能对过载、短路、缺相、漏电等异常情况进行保护、监测和报警。准确地反映出故障状态、故障时间、故障地点、及相关信息，对电机进行健康诊断和预防性维护。同时支持与PLC、软启、变频器等配合，实现电动机自动或远程控制，监视、控制各个工艺设备,保障正常生产。
4.4.4能耗管理
为水务搭建计量体系，显示水务的能源流向和能源损耗，通过能源流向图帮助水务分析能源消耗去向，找出能源消耗异常区域。
将所有有关能源的参数集中在一个看板中，从多个维度对比分析，实现各个工艺环节的能耗对比，帮助领导掌控整个工厂的能源消耗，能源成本，标煤排放等的情况。
能耗数据统计采集水务中污水厂、自来水厂、水泵站等的用电、用水、燃气、冷热量消耗量，同环比对比分析，能耗总量和能耗强度计算，标煤计算和CO2排放统计趋势。
能效分析按三级计量架构，分别进行能效分析，契合能源管理体系要求，可对各车间/职能部门的能效水平进行分析，同比、环比、对标等。通过污水处理产量以及系统采集的能耗数据，在污水单耗中生成污水单耗趋势图，并进行同比和环比分析，同时将污水的单耗与行业/国家指标对标，以便企业能够根据产品单耗情况来调整生产工艺，从而降低能耗。
4.4.5智能照明控制
系统为污水厂、自来水厂、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持单控、区域控制、自动控制、感应控制、定时控制、场景控制、调光控制等多种控制方式，模块可根据经纬度自动识别日出日落时间实现自动控制功能，尽量利用自然光照，实现室内、厂区照明的智能控制达到安全、节能的目的。
4.4.6电气安全
（1）电气火灾监测
监测配电系统回路的漏电电流和线缆温度，实现对污水厂、自来水厂、水泵站的电气安全预警。
（2）消防应急照明和疏散指示
根据预先设置的应急预案快速启动疏散方案引导人员疏散。系统接入消防应急照明指示系统数据，通过平面图显示疏散指示灯具工作状态和异常情况。
（3）消防设备电源监测
监测消防设备的工作电源是否正常，保障在发生火灾时消防设备可以正常投入使用。
（4）防火门监控系统
防火门监控系统集中控制其各终端设备即防火门监控模块、电动闭门器、电磁释放器的工作状态，实时监测疏散通道防火门的开启、关闭及故障状态，显示终端设备开路、短路等故障信号。系统采用消防二总线将具有通信功能的监控模块相互连接起来，当终端设备发生短路、断路等故障时，防火门监控器能发出报警信号，能指示报警部位并保存报警信息，保障了电气安全的可靠性。
4.4.7 环境监测
污水厂、自来水厂、水泵站等场所温湿度、烟雾、积水浸水、视频、UPS电池间可燃气体浓度展示和预警，保障污水厂、自来水厂、水泵站等安全运行。当可燃气体或有害气体浓度超标可自动启动排风风机或新风系统，排除隐患，保持良好的水处理环境。
4.4.8分布式光伏监测
实时监测低压并网柜每路的电流、电压、功率等电气参数及断路器开关状态，逆变器运行监视，对逆变器直流侧每一光伏组串的输入直流电压、直流电流、直流功率，逆变器交流电压、交流电流、频率、功率因数、当前发电功率、累计发电量进行监测，以曲线方式绘制上述监测的各个参量的历史数据。
平台结合厂区实际分布情况，通过3D或2.5D平面图显示分布式光伏组件在屋顶、车棚的分布情况，显示汇流箱、并网点位置，各个屋顶的装机容量。
4.4.9工艺仿真监控
平台通过2D、3D方式实时监视粗格栅、污水提升、细格栅、曝气沉砂、改良生化处理、二沉、加氯接触消毒、污泥浓缩压滤、生物除臭等工艺设备运行状态。在格栅清渣机、污水提升泵、回流泵、曝气风机、加药泵、浓缩压滤机、吸沙泵、吸泥泵等低压电动机控制柜或低压馈电柜安装电动机保护，进行短路、过流、过载、起动超时、断相、不平衡、低功率、接地/漏电、te保护、堵转、逆序、温度等保护以及外部故障连锁停机，与PLC、软启、变频器等配合，实现电动机自动或远程控制，监视、控制各个工艺设备,保障正常生产。
5 结论
综上所述，降低城市污水厂电气能耗，对增强电厂的运行效益，有着重要的意义。文中结合实例，分析了如何降低城市污水厂电气能耗，总结了电气节能措施，具体如下：优化污水处理工艺、优选节能设备等。通过采取系列节能措施，减少能源消耗，提高能源利用率，增加污水厂的效益，发挥污水厂的价值和作用。
参考文献
[1]石勇.降低城市污水厂电气能耗的对策研究
[2] 武云鹏．污水处理厂的电气设计与节能研究[J]．产业创新研究，2019(06)：127-128．
[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版
作者简介
简婷，女，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要从智慧水务研究发展。