電氣自動化技術(shù)在污水處理廠節(jié)能中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

摘要：電氣自動化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，擁有廣闊的發(fā)展前景?；诖?，分析電氣自動化技術(shù)在污水處理廠節(jié)能中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢。研究表明，智能控制技術(shù)能夠提升設(shè)備運行效率并減少能耗；數(shù)據(jù)驅(qū)動決策有助于優(yōu)化運營策略；通過應(yīng)用節(jié)能環(huán)保技術(shù)，能有效降低碳足跡；國際合作與標(biāo)準(zhǔn)化能夠促進(jìn)技術(shù)交流和資源共享，共同推動污水處理行業(yè)向更高效、智能和環(huán)保的方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：電氣自動化技術(shù)；污水處理廠；發(fā)展趨勢

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）12-0-0374

Application and Development Trend of Electrical Automation Technology in Energy Conservation of Sewage Treatment Plants

YAO Qingyuan

（Beijing Waldes Water Technology Co.， Ltd.， Beijing 102308， China）

Abstract： Electrical automation technology has been widely applied in industrial production and has broad development prospects. Based on this， analyze the application and development trend of electrical automation technology in energy conservation of sewage treatment plants. Research has shown that intelligent control technology can improve equipment operating efficiency and reduce energy consumption; data driven decision-making helps optimize operational strategies; by applying energy-saving and environmental protection technologies， carbon footprint can be effectively reduced; international cooperation and standardization can promote technological exchange and resource sharing， jointly promoting the development of the sewage treatment industry towards higher efficiency， intelligence， and environmental protection.

Keywords： electrical automation technology; sewage treatment plant; development trend

隨著全球水資源日益緊缺和水污染問題的加劇，污水處理廠的運行效率和能耗水平備受關(guān)注。傳統(tǒng)工藝面臨高能耗和運行成本等挑戰(zhàn)，如何提升能源利用效率成為當(dāng)前的研究重點。電氣自動化技術(shù)具有精準(zhǔn)控制、高效管理和遠(yuǎn)程監(jiān)控等優(yōu)勢，在污水處理領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景?；诖?，探討電氣自動化技術(shù)在節(jié)能中的應(yīng)用價值和未來趨勢，并提出改進(jìn)建議，為推動污水處理行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 電氣自動化技術(shù)概述

電氣自動化技術(shù)融合了電子、計算機和信息技術(shù)，通過自動化控制實現(xiàn)設(shè)備的智能化管理，具有廣泛適用性和高可靠性。在污水處理領(lǐng)域，應(yīng)用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、無線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，實現(xiàn)設(shè)備的實時監(jiān)控與精確控制，提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與效率。電氣自動化系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、傳感器、中央監(jiān)控系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)及工業(yè)以太網(wǎng)組成，支持智能運行、遠(yuǎn)程控制和一體化管理。

2 電氣自動化技術(shù)在污水處理廠節(jié)能中的具體應(yīng)用

2.1 控制技術(shù)的應(yīng)用

電氣自動化控制技術(shù)在污水處理廠的應(yīng)用聚焦于工藝過程的精準(zhǔn)調(diào)控[1]。PLC作為核心技術(shù)，實現(xiàn)了污水處理各環(huán)節(jié)的自動化控制，提升了系統(tǒng)運行效率與穩(wěn)定性。該技術(shù)能夠?qū)崟r采集數(shù)據(jù)并精確調(diào)控設(shè)備，確保生產(chǎn)過程穩(wěn)定。在曝氣池中，PLC根據(jù)溶解氧濃度調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機風(fēng)量，達(dá)到節(jié)能效果。通過優(yōu)化算法，PLC能夠智能管理整體工藝流程，減少能源浪費，推動污水處理廠向高效、綠色方向發(fā)展。

2.2 無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

無線網(wǎng)絡(luò)在污水處理廠中的應(yīng)用顯著增強了數(shù)據(jù)采集與傳輸效能。依托無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN），能夠?qū)崟r監(jiān)測pH值、溶解氧、溫度等水質(zhì)參數(shù)，并將數(shù)據(jù)高效傳輸至中央控制系統(tǒng)。無線網(wǎng)絡(luò)支持遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷，能夠及時識別問題，避免生產(chǎn)中斷，確保系統(tǒng)穩(wěn)定。

2.3 數(shù)字儀表與現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用

數(shù)字儀表與現(xiàn)場總線技術(shù)的融合，大幅推進(jìn)了污水處理廠的自動化進(jìn)程。數(shù)字儀表能夠?qū)崟r顯示和記錄關(guān)鍵參數(shù)，并通過現(xiàn)場總線高速傳輸數(shù)據(jù)，確保信息精準(zhǔn)。該技術(shù)提升了系統(tǒng)的傳輸效率、互操作性和資源共享能力。通過實時監(jiān)測進(jìn)水流量，系統(tǒng)智能調(diào)節(jié)加藥量，減少藥劑浪費，提升資源利用率和經(jīng)濟效益，推動污水處理廠向高效、智能化運營轉(zhuǎn)型。

2.4 工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用

工業(yè)以太網(wǎng)在污水處理廠的應(yīng)用大幅提升了通信效率和數(shù)據(jù)傳輸能力。它實現(xiàn)了設(shè)備間高速數(shù)據(jù)交換，融合了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)，支持集中管理和遠(yuǎn)程監(jiān)控[2]。通過將實時數(shù)據(jù)傳輸至中央控制系統(tǒng)，操作人員可快速掌握設(shè)備狀態(tài)并處理異常。工業(yè)以太網(wǎng)還支持高級數(shù)據(jù)分析與故障診斷，縮短故障定位與修復(fù)時間，保障生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性，推動污水處理廠向智能化、高效化發(fā)展。

2.5 加氯、加氨與加藥控制

在污水處理中，加氯、加氨及加藥控制至關(guān)重要，精準(zhǔn)調(diào)控能提升處理效率并減少藥劑浪費。加氯用于水體消毒，確保氯含量達(dá)標(biāo)，保障水質(zhì)安全；加氨則通過在線監(jiān)測自動調(diào)節(jié)pH值，維持酸堿平衡。混凝劑、絮凝劑等藥劑的投加依托高精度流量計和變頻器，實現(xiàn)精細(xì)操控。復(fù)合控制系統(tǒng)通過動態(tài)調(diào)整藥劑投加量，優(yōu)化處理效果并降低藥劑消耗。此策略不僅提升污水處理效率，還降低運行成本，實現(xiàn)節(jié)能。

3 電氣自動化技術(shù)在污水處理廠節(jié)能中應(yīng)用的關(guān)鍵問題

3.1 電能損耗問題

目前，污水處理廠運營面臨嚴(yán)峻的電能損耗挑戰(zhàn)。為應(yīng)對此問題，需采取綜合策略：第一，優(yōu)化設(shè)備設(shè)計，引入高效電機與變壓器，減少內(nèi)部能量耗散；第二，材料革新，選用低電阻材質(zhì)降低線路損耗；第三，技術(shù)升級，實施高壓傳輸，提升傳輸效率；第四，智能調(diào)控，融合變頻與監(jiān)控技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備動態(tài)優(yōu)化運行，從而有效減少電能損失，降低運營成本，促進(jìn)資源高效利用[3-5]。

3.2 無功功率問題

無功功率雖不直接做功，但對穩(wěn)定電網(wǎng)電壓和傳輸電能至關(guān)重要。在污水處理廠，電機和變壓器產(chǎn)生的無功電流會增加電能損耗，導(dǎo)致電壓波動、設(shè)備壽命縮短和維護成本上升。采用靜止無功補償器（Static Var Compensator，SVC）和靜止無功發(fā)生器（Static Var Generator，SVG）等無功功率補償技術(shù)可實時調(diào)控?zé)o功功率，提升功率因數(shù)，減少能量損失。智能電氣自動化系統(tǒng)通過實時監(jiān)測與調(diào)節(jié)無功功率，確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

3.3 變壓器問題

在變壓器運行過程中，能量損耗主要由鐵損與銅損構(gòu)成。鐵損源自磁滯與渦流效應(yīng)，受材料與設(shè)計制約，加劇電能消耗與變壓器發(fā)熱，縮短使用壽命；銅損則隨負(fù)載電流增大而增加，同樣導(dǎo)致電能浪費與變壓器過熱。為降低此損耗，一般采取以下策略：第一，優(yōu)化設(shè)計，選用高品質(zhì)硅鋼片與高導(dǎo)電材料降低磁滯與電阻損耗；第二，應(yīng)用高效變壓器，顯著提升能效；第三，實施智能化管理，通過實時監(jiān)控與動態(tài)調(diào)整操作參數(shù)，如智能控制系統(tǒng)在輕載時自動降檔運行，以匹配電網(wǎng)負(fù)載需求，實現(xiàn)能效最大化。

3.4 諧波問題

非線性負(fù)載，如變頻器、計算機設(shè)備和發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED）照明會產(chǎn)生高頻諧波，導(dǎo)致線路損耗、設(shè)備過熱，并干擾通信，影響電網(wǎng)穩(wěn)定。為應(yīng)對諧波問題，可使用諧波濾波器。諧波濾波器通過并聯(lián)或串聯(lián)方式濾除高次諧波，提升電能質(zhì)量。智能化系統(tǒng)通過實時監(jiān)測和動態(tài)調(diào)整，進(jìn)一步提高諧波治理效率。

4 電氣自動化技術(shù)在污水處理廠節(jié)能中的發(fā)展趨勢

隨著電氣自動化技術(shù)的不斷進(jìn)步，其在污水處理廠節(jié)能中的應(yīng)用也在不斷拓展和完善。未來的發(fā)展趨勢將更加注重智能化、數(shù)據(jù)驅(qū)動、節(jié)能環(huán)保、國際合作及標(biāo)準(zhǔn)化。

4.1 智能化

智能化與自適應(yīng)系統(tǒng)在污水處理廠的應(yīng)用標(biāo)志著行業(yè)發(fā)展的前沿趨勢。通過信息技術(shù)與處理工藝的融合，這些系統(tǒng)利用實時數(shù)據(jù)分析和自主決策，實現(xiàn)最大化處理效率和最小化資源消耗[6-9]。智能控制技術(shù)集成了高精度傳感器和先進(jìn)算法，能夠提升設(shè)備運行效率并減少能耗。自適應(yīng)調(diào)節(jié)機制則根據(jù)污水流量和水質(zhì)參數(shù)，動態(tài)調(diào)整曝氣和藥劑投加量，確保處理工藝始終高效運行。機器學(xué)習(xí)和人工智能的引入使系統(tǒng)能夠預(yù)測故障并進(jìn)行預(yù)防性維護，減少停機時間和維護成本，逐步構(gòu)建高效、可持續(xù)的污水處理生態(tài)系統(tǒng)。

4.2 數(shù)據(jù)驅(qū)動決策

數(shù)據(jù)驅(qū)動決策是污水處理廠實現(xiàn)精細(xì)化管理的關(guān)鍵，能夠優(yōu)化運營策略。利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，系統(tǒng)可基于實時數(shù)據(jù)做出優(yōu)化決策，提升設(shè)備性能和效率。通過分析進(jìn)水流量、水質(zhì)、設(shè)備能耗等數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可自動調(diào)整運行參數(shù)，優(yōu)化處理效果并提前預(yù)警潛在問題，減少故障發(fā)生[10-11]。預(yù)測性維護技術(shù)通過持續(xù)監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，預(yù)測故障并安排計劃性維護，減少突發(fā)停機，降低維修成本并提高可靠性。數(shù)據(jù)分析還能優(yōu)化加藥量、曝氣量等工藝參數(shù)，確保水質(zhì)達(dá)標(biāo)并降低能耗，提升整體運營效率。

4.3 節(jié)能環(huán)保

應(yīng)用節(jié)能環(huán)保技術(shù)，能有效降低碳足跡。例如，為減少資源依賴和碳足跡，污水處理廠可通過厭氧消化技術(shù)將污泥轉(zhuǎn)化為沼氣，用于發(fā)電或供暖，實現(xiàn)能源回收；利用太陽能、風(fēng)能等可再生能源，可為污水處理廠提供清潔電力；污泥經(jīng)處理后可作為肥料，實現(xiàn)資源循環(huán)利用。這些措施不僅可以節(jié)約資源，還降低了運營成本。

4.4 國際合作和標(biāo)準(zhǔn)化

隨著全球化的推進(jìn)，國際合作和標(biāo)準(zhǔn)化在污水處理領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。國際合作能夠促進(jìn)技術(shù)交流和資源共享，推動技術(shù)進(jìn)步。污水處理廠通過引進(jìn)國外的先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，借鑒成功的管理經(jīng)驗，可優(yōu)化運營模式，提升技術(shù)水平。加強國際合作還能推動人才交流，提升技術(shù)人員的素質(zhì)。標(biāo)準(zhǔn)化通過統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，確保設(shè)備互聯(lián)互通，提升系統(tǒng)性能和可靠性，降低維護成本。例如，統(tǒng)一通信協(xié)議可實現(xiàn)不同設(shè)備間的數(shù)據(jù)互通。建立共享平臺能夠促進(jìn)信息和資源共享，提升管理水平，并為決策提供數(shù)據(jù)支持。通過共享平臺，污水處理廠能更好地應(yīng)對技術(shù)挑戰(zhàn)，提升運行效率。

5 結(jié)論

電氣自動化技術(shù)在污水處理廠節(jié)能中的應(yīng)用展現(xiàn)了顯著的優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿?。智能化控制、?shù)據(jù)驅(qū)動決策以及國際合作與標(biāo)準(zhǔn)化不僅能提升污水處理效率，還能大幅降低能耗和運營成本，推動污水處理行業(yè)向更加高效、智能和環(huán)保的方向發(fā)展。

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作者簡介：姚清圓（1987—），男，江蘇蘇州人，一級建造師。研究方向：電氣自動化。