基于A2/O 工藝的污水處理廠電氣自控節(jié)能設(shè)計(jì)

楊 坤 李文華

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院給排水分院，天津 300051)

污水處理是高耗能產(chǎn)業(yè)，其中電耗在污水處理廠運(yùn)行能耗中所占比例很大。電氣自控專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員如何將降低電能耗的理念貫穿于設(shè)計(jì)之中，對(duì)于污水處理廠的節(jié)能尤為重要。本文以山東某污水處理廠的設(shè)計(jì)為例，探討電氣和自控實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的設(shè)計(jì)思路。

1 工程概況

本工程總體建設(shè)規(guī)模為16萬(wàn)m3/d，擬分2期建設(shè)，近期實(shí)施12萬(wàn)m3/d，遠(yuǎn)期再實(shí)施4萬(wàn)m3/d。工藝由預(yù)處理、二級(jí)生物處理、消毒處理組成，污水處理工藝方案組成具體如下:進(jìn)水→預(yù)處理→二級(jí)生物處理→消毒處理→出水。二級(jí)生物處理采用A2/O工藝。A2/O污水處理工藝具有同步脫氮和除磷功能，是生物脫氮除磷工藝中應(yīng)用較多的一種方案，具有良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。本工程的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容包括變配電站設(shè)計(jì)、廠內(nèi)電氣設(shè)備的供配電設(shè)計(jì)、電纜線路敷設(shè)設(shè)計(jì)、照明設(shè)計(jì)、防雷、接地及等電位設(shè)計(jì)。自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括污水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)的搭建、工藝控制策略的優(yōu)化、檢測(cè)儀表的選擇、網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)及自控儀表防雷接地等的設(shè)計(jì)。

2 電氣系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)

電氣節(jié)能的理念應(yīng)貫徹到設(shè)計(jì)的始終，從變電站的布置、負(fù)荷計(jì)算、變壓器選型、容量選配、合理確定運(yùn)行方式及無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì)、減少電纜的損耗、電機(jī)運(yùn)行方式、減少照明損耗等方面考慮。

2.1 變電站的布置

合理選擇變電站位置，力求使其處于負(fù)荷中心，從而最大限度減少配電距離，節(jié)約電纜，減小線路損耗，提升供電的安全性。本工程中，負(fù)荷較集中的構(gòu)筑物有鼓風(fēng)機(jī)房、進(jìn)水泵房、反沖洗設(shè)備間。根據(jù)水廠總圖布置及負(fù)荷計(jì)算情況，本工程設(shè)置兩個(gè)變電站，要求第一變配電站靠近鼓風(fēng)機(jī)房和進(jìn)水泵房;第二變配電站設(shè)置在反沖洗設(shè)備間附近。

2.2 變壓器節(jié)能措施

選用低損耗變壓器，降低用電設(shè)備自身?yè)p耗，是變壓器節(jié)能的主要措施之一。變壓器的損耗主要由空載損耗和負(fù)載損耗組成?？蛰d損耗又稱(chēng)鐵損，它由變壓器本身的硅鋼片性能和鐵芯制造工藝決定，不隨變壓器的負(fù)荷變化而變化;負(fù)載損耗主要與流經(jīng)變壓器電流和變壓器電阻有關(guān)，其大小和變壓器負(fù)載率的平方成比。為此，本工程在變壓器選擇時(shí)采用空載損耗和負(fù)載損耗相對(duì)比較低的變壓器，即節(jié)能型的銅芯干式變壓器SC10系列。

本工程配電系統(tǒng)采用兩臺(tái)變壓器分列運(yùn)行，當(dāng)一臺(tái)發(fā)生故障時(shí)，另一臺(tái)負(fù)責(zé)全廠主要負(fù)荷的供電。這樣，兩臺(tái)變壓器共同分擔(dān)全廠負(fù)荷，可以降低變壓器安裝容量，使其運(yùn)行在最佳經(jīng)濟(jì)負(fù)載率附近?？紤]變壓器的合理運(yùn)行，一般變壓器平均負(fù)載率控制在0.6～0.85之間為宜。本工程負(fù)荷計(jì)算如表1～表4所示。

表1 第一變配電站0.4 kV負(fù)荷計(jì)算結(jié)果(近期負(fù)荷)

表2 第一變配電站0.4 kV負(fù)荷計(jì)算結(jié)果(遠(yuǎn)期負(fù)荷)

表3 第二變配電站0.4 kV負(fù)荷計(jì)算結(jié)果(近期負(fù)荷)

表4 第二變配電站0.4 kV負(fù)荷計(jì)算結(jié)果(遠(yuǎn)期負(fù)荷)

根據(jù)近、遠(yuǎn)期工程相結(jié)合的原則，本工程設(shè)計(jì)第一變配電站內(nèi)設(shè)置兩臺(tái)800 kVA變壓器，第二變電站內(nèi)設(shè)置兩臺(tái)800 kVA變壓器。不僅可以滿足近期運(yùn)行要求，而且便于遠(yuǎn)期電氣設(shè)備的配電和安裝。

2.3 無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)

污水處理廠主要的用電設(shè)備是異步電動(dòng)機(jī)，其自然功率因數(shù)往往達(dá)不到電網(wǎng)要求，需進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。對(duì)電氣系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償不僅可以減少變壓器和配電線路的無(wú)功功率損耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源、高效利用電能的目的，還可以減少配電線路的截面及變壓器的容量，節(jié)約設(shè)備投資。污水處理廠的負(fù)荷一般比較集中，變配電站選在負(fù)荷中心位置時(shí)，優(yōu)先采用配電系統(tǒng)的集中補(bǔ)償。本工程在第一變配電站10 kV和0.4 kV母線以及第二變配電站0.4 kV母線上分別設(shè)電容集中自動(dòng)補(bǔ)償裝置，對(duì)全廠總的用電負(fù)荷進(jìn)行功率因素自動(dòng)補(bǔ)償，補(bǔ)償后功率因素達(dá)到0.90以上。

2.4 電纜的節(jié)能措施

電纜節(jié)能設(shè)計(jì)除了將變電站設(shè)置于負(fù)荷中心，減少金屬損耗外，合理設(shè)計(jì)電纜線路的走向，減少電纜長(zhǎng)度，同樣可以節(jié)省投資，降低線路損耗，還可以減少線路壓降，提高供電的安全性和可靠性。

2.5 電動(dòng)機(jī)的節(jié)電措施

減少電動(dòng)機(jī)的電能損耗是水廠節(jié)能的重要環(huán)節(jié)。風(fēng)機(jī)水泵是污水處理廠重要的耗能機(jī)械，水廠中的許多風(fēng)機(jī)和水泵的流量不是要求恒定的，根據(jù)風(fēng)機(jī)、水泵的壓力—流量特性曲線，按照工藝要求的流量，實(shí)現(xiàn)變速變流量控制是節(jié)電的有效方法［1］。本工程對(duì)于大功率的設(shè)備采用變頻調(diào)速技術(shù)，根據(jù)控制量的變化要求對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，從而達(dá)到有效節(jié)能的目的。

2.6 照明節(jié)能設(shè)計(jì)

照明設(shè)計(jì)要求盡量采用高效電光源，并合理采用混合照明:配電站、車(chē)庫(kù)、綜合樓辦公室等構(gòu)筑物的照明以三基色細(xì)管徑節(jié)能型熒光燈為主，輔以局部壁燈照明;其余各生產(chǎn)車(chē)間的照明燈具主要采用金鹵燈，并采用壁裝形式為主，必要時(shí)設(shè)置局部照明。廠區(qū)道路照明采用庭院燈照明，選用高壓鈉光源，照明控制采用手動(dòng)控制、時(shí)間控制與光控制相結(jié)合方式，避免人為原因造成電能浪費(fèi)。

3 控制系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)

3.1 自控系統(tǒng)介紹及節(jié)能設(shè)計(jì)思路

本工程污水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)采用基于可編程邏輯控制器(PLC)的集散型控制系統(tǒng)，以及監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)。集散型控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是將控制層和管理層分開(kāi)?？刂茖又饕峭ㄟ^(guò)現(xiàn)場(chǎng)PLC完成各自轄域內(nèi)工藝設(shè)備的自動(dòng)控制，并對(duì)工藝單元優(yōu)化運(yùn)行;管理層主要是對(duì)全廠的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析，完成全廠工藝單元的協(xié)調(diào)工作。自控系統(tǒng)可以合理調(diào)整工況，使整個(gè)污水處理系統(tǒng)在最經(jīng)濟(jì)狀態(tài)下運(yùn)行，降低運(yùn)行能耗。自控儀表和網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)非常成熟，近一步的提升自控系統(tǒng)的軟硬件并不能對(duì)污水廠的節(jié)能起到更大的作用。但是，優(yōu)化工藝環(huán)節(jié)的控制技術(shù)對(duì)于自控節(jié)能設(shè)計(jì)卻有很大的提升空間。A2/O生物處理工藝流程中，曝氣是最重要的能耗環(huán)節(jié):曝氣能耗約占污水處理廠所有運(yùn)行費(fèi)用的50%或更多［2］。因此，通過(guò)對(duì)控制技術(shù)的優(yōu)化，降低污水廠曝氣環(huán)節(jié)的能耗，是自控節(jié)能設(shè)計(jì)的重要途徑。

3.2 曝氣控制節(jié)能設(shè)計(jì)

3.2.1 風(fēng)量的控制

污水處理工藝有多種DO控制策略，最常見(jiàn)的是基于溶氧儀反饋信號(hào)的PID控制器。由于溶氧儀獲取的反饋信號(hào)有較大的滯后性，所以PID控制器很難在污水廠取較好的控制品質(zhì)。為了提高DO的控制品質(zhì)，本工程引進(jìn)了精確曝氣流量控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包括溶解氧控制、鼓風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)和空氣流量分配等一系列針對(duì)A2/O工藝曝氣系統(tǒng)核心工藝環(huán)節(jié)或設(shè)備的模塊。本系統(tǒng)的控制策略是對(duì)需氧量進(jìn)行預(yù)測(cè)，即根據(jù)需氣模型計(jì)算滿足需要的曝氣量，抑制時(shí)滯帶來(lái)的波動(dòng)。在國(guó)內(nèi)一些污水廠內(nèi)，這種控制策略獲得較好的控制效果［3］。

具體控制方案如下:A2/O反應(yīng)池中的好氧段分為3個(gè)廊道，每個(gè)廊道要求的DO值不同。精確曝氣系統(tǒng)要求每個(gè)好氧廊道配備一臺(tái)DO儀，每根曝氣主管配備一臺(tái)空氣流量計(jì)、一臺(tái)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)，每條處理工藝配備一臺(tái)液位計(jì)、一臺(tái)MLSS濃度計(jì)。

精確曝氣控制柜采集進(jìn)水COD、進(jìn)水水量、生物反應(yīng)池的溶解氧、MLSS等儀表信號(hào)后，通過(guò)需氧量計(jì)算模塊預(yù)測(cè)出總需氧量以及每個(gè)好氧廊道的需氧量，做到預(yù)測(cè)需氧量的實(shí)時(shí)變化;鼓風(fēng)機(jī)和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥根據(jù)總需氧量和每個(gè)廊道的需氧量實(shí)現(xiàn)聯(lián)合控制調(diào)節(jié)，提高DO值的穩(wěn)定控制能力，降低點(diǎn)能耗。

3.2.2 鼓風(fēng)機(jī)的控制

本工程采用單機(jī)高速離心式鼓風(fēng)機(jī)，工作電壓10 kV，配用電機(jī)功率為315 kW。鼓風(fēng)機(jī)對(duì)氣量的調(diào)節(jié)方式有變頻調(diào)節(jié)和導(dǎo)葉調(diào)節(jié)。變頻技術(shù)對(duì)于工程節(jié)能的貢獻(xiàn)已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可，但是在本工程中，要求A2/O反應(yīng)池的水位基本不變，總管風(fēng)壓恒定，如果采用變頻調(diào)節(jié)，難以避免風(fēng)壓調(diào)節(jié)過(guò)大，達(dá)不到工藝要求，并且變頻裝置價(jià)格較高，工程一次性投資較大。采用進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)氣量，在保持出口壓力恒定條件下，每臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)的供氣量調(diào)節(jié)范圍可達(dá)到45%～100%。在相對(duì)流量變化不大時(shí)，變頻與導(dǎo)葉兩種調(diào)節(jié)方式消耗功率差別并不大［4］。而選擇導(dǎo)葉調(diào)節(jié)方式的鼓風(fēng)機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資較少，管理方便，為本工程節(jié)能設(shè)計(jì)的最佳設(shè)備選擇。本工程四臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)按照整體控制的思路，設(shè)置總控制柜MCP柜。MCP主控制柜根據(jù)精確曝氣系統(tǒng)控制柜輸出的總氣量預(yù)測(cè)值和總壓力信號(hào)，自動(dòng)控制鼓風(fēng)機(jī)開(kāi)啟臺(tái)數(shù)、進(jìn)出口導(dǎo)葉片開(kāi)啟角度，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)空氣量的輸出。

4 結(jié)語(yǔ)

污水處理廠電氣自控節(jié)能措施還有很多，比如提高電氣系統(tǒng)抑制諧波的能力、污泥處理等其他工藝環(huán)節(jié)的控制優(yōu)化等。電氣自控設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)不同水廠的工藝要求和設(shè)備特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中尋找更好的節(jié)能方法，有效的降低能耗。

［1］《鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)》編委會(huì).鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1996.

［2］馬 勇，彭永臻.城市污水處理系統(tǒng)運(yùn)行及過(guò)程控制［M］.北京:科學(xué)出版社，2007.

［3］張榮兵，鮑海鵬.VAS系統(tǒng)在A2/O工藝穩(wěn)定運(yùn)行及節(jié)能優(yōu)化中的應(yīng)用［J］.中國(guó)給水排水，2012，28(12):71-74.

［4］侯潤(rùn)珍.污水處理工藝中鼓風(fēng)機(jī)調(diào)控方式的選擇［J］.工業(yè)用水與廢水，2000，31(6):44-46.

［5］GB 50052-2009，供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.