浅析污水处理厂电气节能设计
程瑜
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201800
摘要：近些年，随着我国污水处理厂的大量建设，各地的环境保护及污水处理事业快速发展并取得显著成效。与此同时，污水处理厂能耗大，运营成本居高不下的情况也越来越引起重视，本文从进水泵、曝气系统、污泥处理等三面介绍了目前污水处理厂节能降耗的方式和方法，希望能为其他污水处理厂节能工作提供参考。
关键词：污水处理厂节能降耗；节能设计；优化措施；污水处理厂
引言
近年来，我国污水处理行业突飞猛进，整体发展处于快速成长期，主要表现在污水处理能力迅速扩张、污水处理率稳步提高、污水处理量快速增长等方面。截至2014年底，全国设市城市、县(不含其它建制镇)累计建成污水处理厂3717座，污水处理能力1.57亿m/日，相比2013年，新增了约800万m²/日。但与世界各国相比，目前我国城市污水处理能力、水平、效率、综合能效与环境要求差距仍然较大。如何优化污水处理工艺与布置，从而有效节约能源，提高效率，已成为当今国内污水处理厂面临的一个重要问题。
城市污水处理属于高耗能行业。城市污水处理的高耗能，一方面使城市污水处理成本不断升高，污水处理厂经营压力不断增大；另一方面污水处理厂设备的高耗能也加剧了我国现阶段的能源危机。因此，对污水处理行业节能降耗的研究已迫在眉睫。
城市污水处理节能的途径和手段就是以能耗调查为依据。通过对污水厂主要设备实际用电能耗需求的调查，可以直观地得出污水厂各处理单元和处理工艺对所耗能量的不同需求，进一步分析得出污水处理厂能耗控制的关键点，通过对关键点的控制，进而对全流程各环节的节能潜力进行深度挖掘。一、我国城市污水处理厂能耗分析
现阶段，我国许多污水处理厂处理过程可以划分为：污水初级处理、污水二级处理、污泥处理等三个主要部分。其中，初级处理单元主要设备为：进水泵、格栅、沉砂池除污机等；二级污水处理单元主要设备为：鼓风机、回流污泥泵、潜水搅拌器等；污泥处理单元主要设备为污泥浓缩脱水机、螺旋输送机等。
上海市政工程设计研究院羊寿生教授对我国典型二级污水处理厂各单元能耗(电能)做过估算，估算结果以处理单位体积的污水的耗电量表示(kwh/m²),对二级处理厂该值为0.266,污水处理厂规模为25000m²/d,具体见表1:
由表1可以看出，污水、污泥提升能耗约占总能耗的30%,曝气池鼓风机、潜水搅拌器等供氧设备能耗约占总能耗的55%,污泥处理能耗约占总能耗的10%,三者的直接能耗约占总能耗的95%以上。下面我们就从以上三方面入手，提出实现途径及具体方法以达到节能降耗的终目的。
二、水泵与节能
1.水泵的扬程与节能
目前，污水处理厂采用的进水泵品牌及种类很多，但其电耗均可用如下公式进行计算式中：W为电机实际电耗，kW·h;p为污水的密度，取1000kg/m²;g为重力加速度，取数值9.81m/s²;Q为污水泵的实际流量，m²/s:H为污水泵的实际工作扬程；n1为水泵的效率；n2为电机的效率；t为水泵运行时间。
由以上公式可以得出，进水泵在通常正常工作时，其能耗取由进水泵的实际扬程H所决定。为了有效降低进水泵得实际扬程，以达到节能降耗的成效，我们可以采取以下两种办法：(1)在初步设计时，充分考虑污水厂各构筑物的高程因素，尽量避免多次提升，使污水提升一次到位。同时，根据现场自然条件合理利用重力流、自流经过不同的处理构筑物，避免在各构筑物间进行多次重复提升所带来的能量损耗。(2)在进行各构筑物的进、出水口形式和污水厂管线之间的对接设计时，尽量综合考虑，合理布置，以减少处理过程中的水头损失。各构筑物和管线布置尽可能避免过长输送和减少拐弯，同时还要应简洁、紧凑。这样不但可以降低泵的扬程，还可以减少水头损失，一举两得的同时也达到了节能增效的目的。
2.水泵运行技术与节能
进水泵是污水提升的主要设备，是污水厂主要能耗之一。因此泵站的节能降耗对降低污水处理厂能耗具有重要意义。对于还未建成的污水处理厂，泵站的节能应从初步设计阶段就进行综合考量。对于已经建成的污水处理厂，泵站的节能只能在现有条件下进行调整，优化现有水泵运行方式。现阶段，污水处理厂运行中节能效果较好的技术主要由两种，一种是变频调速技术；另外一种是水泵优化组合技术。现行污水处理厂水泵的主要运行方式为：水泵优化组合技术搭配变频调速技术。
三、污泥处理系统与节能
1.高效低耗能设备的选用与节能
由表1可知，污泥处理能耗约占总能耗的10%,也是污水厂节能的一个重点。带式压滤机比板框压滤机能耗小，但易堵塞。随着污泥处理技术的不断发展，目前大部分污水处理厂污泥处理主要设备为带式浓缩脱水一体机或卧式螺旋沉降离心脱水机。带式浓缩脱水一体机将浓缩和脱水一体化，占地不大，运行能耗较低；卧式螺旋沉降离心脱水机采用封闭系统，占地同样不大，设备磨损率不高，运行费用较低。
2.污泥沼气的利用与节能
污泥厌氧消化过程一般会产生一定量的沼气，收集并提纯这部分沼气即可发电，从而补偿一部分污水厂电能消耗，可以有效降低污水厂电能消耗及运行费用。
AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台
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。
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。
2.平台拓扑图
3.平台子系统
（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、异常数据。
（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。
（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。高效、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）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/国际指标对标，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。
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、舒适的目的。
（6）电气安全
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。
（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、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。
（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。
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、污泥浓缩压滤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。
结语
本文通过对污水厂处理工艺中主要耗能设备及相应工艺单元的分析得出了一些目前污水处理厂已应用或将应用的节能降耗的措施和方法，当然其中不免有疏忽和遗漏。
城市污水厂的节能降耗是一项庞大而复杂的系统工程。牵涉面广，不但涉及多种专业技术人员的相互配合，还涉及到节能技改与正常生产之间可能存在的矛盾；虽然执行起来会有一定的难度，且各个污水厂的工艺、设备、自控系统也会有较大差异，很难有可直接全盘模仿的经验，但只要针对整个工艺进行全面梳理，从“合理布局，优化”的大局角度出发，对历史数据进行分析评估，就能在一定程度上识别出一些具体的节能降耗关键点；然后根据各个污水处理厂的实际情况，分步分批实施。对于节能降耗效果的评价，一定要着眼于全局，不能顾此失彼。
参考文献
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