污水处理厂能效平台在电气节能中的应用
- 来源:
- 安科瑞电气股份有限公司
- 日期:
- 2023年8月30日
1 污水处理厂电气设计节能减排技术内涵
污水处理厂的电气设计中，节能减排工作是从两个技术领域加以阐释的。一个是节能技术，一个是减排技术。二者有联系，也有区别。节能减排相互之间是相辅相成的。要进行减排，就要以节能技术作为铺垫，要达到节能的目的，减排是必然要做的工作。如果只注重节能而忽略减排，则会导致能耗激增，带来巨大的经济损失。只有对节能和减排技术都加以均衡发展，才能得到社会效益和环境效益的均衡发展。随着国内城镇化的提高，城市生活污水处理厂的发展高速前行，因此污水处理厂的节能减排工作意义重大。
进行污水处理节能和减排技术的设计，首要的是对电气系统的节能减排技术进行规划和布局。主要集中在变压器的损耗、无功及谐波电流损耗、照明损耗、设置不当带来的空载损耗等问题上。
2 城市污水处理厂电气节能的实现
2.1 电机节能
电机能耗是污水处理厂电能消耗的主要部分，常用的电机包括风机、搅拌机、水泵、污泥泵等，为了提高污水厂电气节能效果，需要做好电机的节能设计，采取有效的节能措施。电机能耗高低的影响因素主要包括电机自身性能、数量、容量、配置、控制方式、运行管理等因素，可从这几个方面入手采取节能措施：在购置电机时，应优选效率高、能耗低、运行可靠的电机。污水处理厂要结合实际运营情况，合理设计电机容量，确保电机输出功率与机械负载功率相匹配，提高电机的负载率，进一步实现电机自然功率因素的改善；在选择水泵时，污水处理厂要根据用水量、季节变化、*大流量等条件进行选择，预留出一定额度；一般情况下，电机完全达到满负荷运转的时间不超过 10%，其余时间均处于低效运行。由于电机处于高效运行状态下才能降低电能消耗，所以污水处理厂应采用调控方式，对电机输出负荷进行合理设置，调控电机的运行状态，使电机长时间处于高效运转，降低电能耗用量。
2.2 对污水处理工艺进行优化
城市产生的污水量逐年递增，这对污水处理厂的污水处理能力提出了更高的要求。污水处理厂需要采用的设备和污水处理工艺，在提高污水处理能力的同时降低能耗，实现传统污水处理工艺的转型升级。在污水处理厂建成初期，要及时清理污水处理系统中的漂浮物，减少厂区雨污排水系统中的栅渣量，便于在污水量突然增大的状况下实现顺利分流分压，避免对潜水泵造成破坏，延长潜水泵的使用寿命；及时获取电网运行信息，利用电网峰谷平的具体情况以及计价规则，对污水处理厂中功率较大的设备运行时间进行调整，以降低用电成本；升级改造现有设备，保证全部污水能够准确入槽；将监控设备安装到车间，实时监控污水处理的全过程，提高污水处理质量；污水处理厂要采用变频调速技术对现有电气技术进行改造升级，通过采用该技术能够大幅度提高年处理污水量，降低电气耗电量，节约能源消耗量约为25%，并且降低电费支出，有利于提高污水处理厂的经济效益。
2.3 供配电系统节能
2.3.1 降低线损
电缆选用电导率小的材质，尽量选用铜芯电缆，虽然成本投入较铝芯电缆成本高，但是可在后期运行中节省电费支出；优化电缆设计，缩短电缆长度，在水泵房和风机房附近设置配电房，减小电缆用量；若电缆线路较长，则要加大一级电缆截面，并且保证电缆截面的热稳定性、载流量、电压损失均符合设计要求，虽然这种做法会增加前期的建设投入，但是在后期运行中可有效降低线路损耗，节约成本。
2.3.2 无功补偿
分散补偿与集中补偿是无功补偿的两种形式：分散补偿只需在用电设备上并联专用电容器即可，安装简单，可提高低压线路电网的功率因数，降低线路损失，但这种补偿方式难以有效减少变压器铜损；集中补偿根据负荷情况将装置集中安装到低压配电房，可降低变压器铜损。由于污水处理厂在污水处理过程中的负荷较为集中，所以应在负荷中心建设低压配电房，采取集中补偿的方式。
2.4 选用变频节能设备
在污水处理厂运行中需要使用数量较多的风机、水泵，由于这类设备通常根据*大需量确定设备能力，所以导致设备在正常工作状态下不会处于满载运行，实际负载明显小于设计值，导致污水处理中的能耗较高，能源利用效率偏低，造成电能的严重浪费。此外，若电机长时间处于高速运转状态，未能得到有效调控，不仅会加快电机磨损，而且还会额外付出较高的维修费用，缩短电机使用寿命。根据相关定律可知，流量与转速成比例，功率与转速的 3 次方成比例，所以应在水泵中引入调速控制技术，根据流量的大小对功率进行调节，提高电机的节能效率。同时，也可采用智能化节电设备，借助于计算机模糊控制理论跟踪控制设备的负荷状态，根据负荷变化情况智能调节水泵的流量和风机的风量，促使水泵和风机随着负荷变化作出变动，有效降低电能消耗量，提高节能效果。
2.5 照明节能
城市污水处理厂中的照明系统，在电气能耗中所占的比例较大，为此，应采取有效的措施降低照明系统能耗。
2.5.1 选用节能型光源附件
镇流器是照明系统中的重要组成部分，其种类众多、性能各异，在选择气体放电灯的镇流器时，要尽量避免使用普通电感型镇流器，而是要使用电子镇流器、低能耗镇流器，以达到降低线损、提高供电质量的效果。在气体放电灯中设置就地补偿电容，提高灯具的功率因素，在同等照明亮度和时长的情况下降低线损。
2.5.2 优化照明控制系统
污水处理厂的值班室、办公室的灯具控制应采用一对一的控制方式，而在大型车间中可根据生产情况采取区域型控制方式，在满足照明需求的情况下实现节能；在楼梯间、公共走道等场所采用声光控方式，降低灯具的电能消耗，做到人来灯开、人走灯闭，提高节电效果；厂区内的道路采用光控方式，白天吸收太阳能，将太阳能转换为电能，天黑时自动开启照明，天亮关闭照明，实现道路照明的自动化控制，避免电能浪费。
2.5.3 对光源进行合理选择
随着城市污水处理厂规模的不断扩大，大型车间数量也随之增多。在大型车间中，需要采用充足的光源以满足生产条件。为了实现照明节能，污水处理厂应合理选择节能型的光源。大型厂房应采用大功率细管径荧光灯、高压钠灯或金属卤化物灯，这些光源的节能效果较高。在污水处理厂配电室、办公室、值班室等人员工作的地方，要尽量避免使用白炽灯，而是要选择紧凑型荧光灯、三基色细管径荧光灯或金属卤化物小功率灯等。
3 AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台
3.1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。
污水处理厂的电气设计中，节能减排工作是从两个技术领域加以阐释的。一个是节能技术，一个是减排技术。二者有联系，也有区别。节能减排相互之间是相辅相成的。要进行减排，就要以节能技术作为铺垫，要达到节能的目的，减排是必然要做的工作。如果只注重节能而忽略减排，则会导致能耗激增，带来巨大的经济损失。只有对节能和减排技术都加以均衡发展，才能得到社会效益和环境效益的均衡发展。随着国内城镇化的提高，城市生活污水处理厂的发展高速前行，因此污水处理厂的节能减排工作意义重大。
进行污水处理节能和减排技术的设计，首要的是对电气系统的节能减排技术进行规划和布局。主要集中在变压器的损耗、无功及谐波电流损耗、照明损耗、设置不当带来的空载损耗等问题上。
2 城市污水处理厂电气节能的实现
2.1 电机节能
电机能耗是污水处理厂电能消耗的主要部分，常用的电机包括风机、搅拌机、水泵、污泥泵等，为了提高污水厂电气节能效果，需要做好电机的节能设计，采取有效的节能措施。电机能耗高低的影响因素主要包括电机自身性能、数量、容量、配置、控制方式、运行管理等因素，可从这几个方面入手采取节能措施：在购置电机时，应优选效率高、能耗低、运行可靠的电机。污水处理厂要结合实际运营情况，合理设计电机容量，确保电机输出功率与机械负载功率相匹配，提高电机的负载率，进一步实现电机自然功率因素的改善；在选择水泵时，污水处理厂要根据用水量、季节变化、*大流量等条件进行选择，预留出一定额度；一般情况下，电机完全达到满负荷运转的时间不超过 10%，其余时间均处于低效运行。由于电机处于高效运行状态下才能降低电能消耗，所以污水处理厂应采用调控方式，对电机输出负荷进行合理设置，调控电机的运行状态，使电机长时间处于高效运转，降低电能耗用量。
2.2 对污水处理工艺进行优化
城市产生的污水量逐年递增，这对污水处理厂的污水处理能力提出了更高的要求。污水处理厂需要采用的设备和污水处理工艺，在提高污水处理能力的同时降低能耗，实现传统污水处理工艺的转型升级。在污水处理厂建成初期，要及时清理污水处理系统中的漂浮物，减少厂区雨污排水系统中的栅渣量，便于在污水量突然增大的状况下实现顺利分流分压，避免对潜水泵造成破坏，延长潜水泵的使用寿命；及时获取电网运行信息，利用电网峰谷平的具体情况以及计价规则，对污水处理厂中功率较大的设备运行时间进行调整，以降低用电成本；升级改造现有设备，保证全部污水能够准确入槽；将监控设备安装到车间，实时监控污水处理的全过程，提高污水处理质量；污水处理厂要采用变频调速技术对现有电气技术进行改造升级，通过采用该技术能够大幅度提高年处理污水量，降低电气耗电量，节约能源消耗量约为25%，并且降低电费支出，有利于提高污水处理厂的经济效益。
2.3 供配电系统节能
2.3.1 降低线损
电缆选用电导率小的材质，尽量选用铜芯电缆，虽然成本投入较铝芯电缆成本高，但是可在后期运行中节省电费支出；优化电缆设计，缩短电缆长度，在水泵房和风机房附近设置配电房，减小电缆用量；若电缆线路较长，则要加大一级电缆截面，并且保证电缆截面的热稳定性、载流量、电压损失均符合设计要求，虽然这种做法会增加前期的建设投入，但是在后期运行中可有效降低线路损耗，节约成本。
2.3.2 无功补偿
分散补偿与集中补偿是无功补偿的两种形式：分散补偿只需在用电设备上并联专用电容器即可，安装简单，可提高低压线路电网的功率因数，降低线路损失，但这种补偿方式难以有效减少变压器铜损；集中补偿根据负荷情况将装置集中安装到低压配电房，可降低变压器铜损。由于污水处理厂在污水处理过程中的负荷较为集中，所以应在负荷中心建设低压配电房，采取集中补偿的方式。
2.4 选用变频节能设备
在污水处理厂运行中需要使用数量较多的风机、水泵，由于这类设备通常根据*大需量确定设备能力，所以导致设备在正常工作状态下不会处于满载运行，实际负载明显小于设计值，导致污水处理中的能耗较高，能源利用效率偏低，造成电能的严重浪费。此外，若电机长时间处于高速运转状态，未能得到有效调控，不仅会加快电机磨损，而且还会额外付出较高的维修费用，缩短电机使用寿命。根据相关定律可知，流量与转速成比例，功率与转速的 3 次方成比例，所以应在水泵中引入调速控制技术，根据流量的大小对功率进行调节，提高电机的节能效率。同时，也可采用智能化节电设备，借助于计算机模糊控制理论跟踪控制设备的负荷状态，根据负荷变化情况智能调节水泵的流量和风机的风量，促使水泵和风机随着负荷变化作出变动，有效降低电能消耗量，提高节能效果。
2.5 照明节能
城市污水处理厂中的照明系统，在电气能耗中所占的比例较大，为此，应采取有效的措施降低照明系统能耗。
2.5.1 选用节能型光源附件
镇流器是照明系统中的重要组成部分，其种类众多、性能各异，在选择气体放电灯的镇流器时，要尽量避免使用普通电感型镇流器，而是要使用电子镇流器、低能耗镇流器，以达到降低线损、提高供电质量的效果。在气体放电灯中设置就地补偿电容，提高灯具的功率因素，在同等照明亮度和时长的情况下降低线损。
2.5.2 优化照明控制系统
污水处理厂的值班室、办公室的灯具控制应采用一对一的控制方式，而在大型车间中可根据生产情况采取区域型控制方式，在满足照明需求的情况下实现节能；在楼梯间、公共走道等场所采用声光控方式，降低灯具的电能消耗，做到人来灯开、人走灯闭，提高节电效果；厂区内的道路采用光控方式，白天吸收太阳能，将太阳能转换为电能，天黑时自动开启照明，天亮关闭照明，实现道路照明的自动化控制，避免电能浪费。
2.5.3 对光源进行合理选择
随着城市污水处理厂规模的不断扩大，大型车间数量也随之增多。在大型车间中，需要采用充足的光源以满足生产条件。为了实现照明节能，污水处理厂应合理选择节能型的光源。大型厂房应采用大功率细管径荧光灯、高压钠灯或金属卤化物灯，这些光源的节能效果较高。在污水处理厂配电室、办公室、值班室等人员工作的地方，要尽量避免使用白炽灯，而是要选择紧凑型荧光灯、三基色细管径荧光灯或金属卤化物小功率灯等。
3 AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台
3.1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。
