东江环保股份有限公司广东深圳518100
摘要：目前我国存在着污水处理率偏低，能源消耗过大的现象，给环境保护带来了巨大的压力。在今后相当长的一段时期，新建污水处理厂的节能降耗问题都将受到社会极大的关注。因此，从污水处理厂的初步设计和施工图设计阶段，就应尽可能多地采用节能措施。只有这样，才能促进污水处理厂开展节能工作，进而有效降低电能损耗，实现污水处理厂的经济运行。
关键词：污水处理厂；电气设计；PLC；节能措施
以某污水处理厂建设为蓝本，将污水处理厂的一般处理步骤归纳为三级处理：一级预处理，分别由格栅、调节池、沉砂池、初沉池等构筑物组成，用以除去粗大颗粒固体悬浮物等；二级生物处理，是以去除不可沉悬浮物和溶解性可生物降解有机物为主要目的；三级为深度处理，它将经过一级预处理和二级生物处理的水进行脱氮脱磷处理等，然后将处理后的水送入外排水池排放；还有污泥压滤处理。本文主要从污水处理厂的电气设计和节能措施两方面来阐述。
1电气设计
1.1负荷等级确定及负荷计算
根据CJJ120—2008《城镇排水系统电气与自动化工程技术规程》第5.2.1条，一般污水处理厂的供电负荷等级为二级，特别重要的污水处理厂供电负荷为一级。二级负荷应由双电源供电，二路互为备用或一路常用一路备用。但是在很多的小区域很难达到这方面的相关标准，基本的高压线路都是专门的输电线路，需要专门的审批单位进行审批的。当污水厂供电负荷确定为二级负荷时，结合现场实际情况，常采用1回路10kV市电专用架空线路供电，厂区配置柴油发电机组，当市电发生故障时，双电源自动切换开关动作，由柴油发电机组来保证二级负荷的用电；污水处理厂很多设备为一用一备或两用一备，采用需要系数法对全厂的用电负荷进行计算。
1.2变压器容量选择及无功功率补偿计算
根据负荷计算的结果选择变压器容量，应同时考虑以下几点：
1）变压器的负荷率应控制在60%~70%，这有利于降低变压器的运行损耗。
2）综合考虑变压器的价格、损耗、负荷特点、电价等技术经济指标的影响。
3）选择变压器容量及台数时还应考虑到备用容量和企业发展等因素。
4）根据选择的变压器容量，配置合适的电容补偿装置，确保功率因数在规定范围。
1.3配电间平面布置及低压配电柜
厂区设综合用房，内设高压供电室，低压配电间、中控室，柴油发电机房、值班间等；其中配电间主要为工艺设备提供供电，配电间常采用GGD配电柜和抽屉柜。
1.4控制方案设计
1）控制系统架构：根据工艺系统设置预处理子站、生化处理子站、深度处理子站、外排水消毒子站和污泥压滤系统子站，最后与中央控制室通讯。
2）电力配电：由低压配电间供电至各子站控制柜。
3）设备控制方式：中央控制室能控制、监视、设置全厂设备及仪表：设备现场设置控制箱，可就地/远程选择控制。
4）PLC分布及I/O点配置：各子站配置PLC与中央控制室通过以太网通讯；各设备需设置手动/自动、运行指示、故障指示、控制指令；仪表数值、阀门、鼓风机变频器及各类传感器均通过4---20mA模拟信号与PLC系统联系。
5）控制要求：提升泵、中转泵等泵类设备设置液位控制，实现高起低停自动运行；仪表参数可远程设置和读取；根据工艺要求可远程调节阀门开度及鼓风机风量。
6）排放口在线监测系统是由第三方提供，但中控室需读取其各项指标数值，随时掌握排放水质达标情况,经485通讯协议与中控PLC通讯。
2节能措施
污水处理厂系统的节能措施，应在设计阶段就考虑，主要可以从优化工艺及管路设计、变配电室位置的选择、功率因数补偿和谐波治理、建筑设计、电气设备及控制系统的节能、照明节能几方面入手:
2.1优化工艺及管路设计的节能措施
污水处理工艺的选择是污水处理厂设计的核心，也是决定污水处理厂能耗高低的关键因素。对于城市污水处理厂，因为污水可生化性通常比较好，基于运行费用的考虑，基本上采用生物处理工艺。针对不同的进水水质和处理程度要求，以及处理厂可用地的限制，除了传统的曝气池工艺外，可供选择的工艺很多。如氧化沟工艺：设备简单、易管理，无需二沉池，20世纪90年代中后期比较流行，但曝气设备能耗较传统曝气池工艺高；SBR工艺：节省占地，自控程度高，易于模块式扩建，但设备闲置率高；随着污水回用要求的提出，MBR工艺逐渐得到推广，出水水质优于一级A标准，在老污水处理厂的升级改造中，悬浮填料工艺也常有应用。不同的处理工艺对污水处理厂的运行与节能尤为关键。
2.2变配电室位置选择的节能措施
合理布置变配电室，相应减少供配电级。变配电室应尽量布置在负荷中心，负荷中心就是污水处理厂中耗电、供气、供热量较大较多的地方，这样可降低供电电缆的初始投资及线路损耗，从而可降低供电总成本，与此同时，也有利于保障供电的稳定性和安全性。在供配电级方面，就目前而言，国内大部分污水处理厂总用电负荷为1000~10000kW，应尽量减少配电级数，降低由于配电级数过多造成的电能损失。
2.3功率因数补偿和谐波治理的节能措施
在供配电系统中，发电机的设备以及变压器的比重较大，在整个厂区内部，其功率因数在0.8左右，电气系统如果要进行无功补偿，就需要将功率因数进行提高，提高到0.9。如此一来，一方面能够减少配电线路的截面积，另一方面也能够使供配电的无功率损耗有所降低。在污水处理厂内部，变频调速设备中的非线性线路负载比较多，故此，谐波电流的含量也会有所增加。采用无功补偿的方式有以下两种：就地补偿、集中补偿，这两种方式互为补充。在变电低压侧，如果设置了无功自动补偿装置，就可以提高功率因素。谐波能够使电能的利用效率有所降低，还可以使电能的传输效率以及生产效率有所降低，但是却会使得电气设备出现以下3种现象：噪声、震动、过热。在对变频调速设备的非线性负载进行调试时，如果非线性负载不断地增加，那么谐波的危害也会不断增大，这样就会导致设备的使用寿命有所缩减，进而导致事故的发生。谐波有可能会引起电力系统的串联谐振，会烧毁电容器，继而导致自动装置的误动作，会扰乱电能计量。故此，为了应对谐波对电子设备所产生的严重干扰，就需要采用抑制的方法，例如，采用接线方法来对变压器的相关点进行连接，或者是使用无源滤波器等。
2.4建筑设计的节能措施
污水处理厂进水管高程和最终尾水排放的水位通常是由规划给定的，在污水处理厂设计过程中不能更改，在污水处理过程中难免需要用提升泵将水位提高，提升泵是污水厂耗电较大的设备，为避免多次提升，在进行水力高程设计时，应尽量考虑污水处理构筑物高程布置，充分利用重力自流，最终排放构筑物内的水面高程只要能满足排放需要即可。
2.5电气设备及控制系统的节能措施
1）电气设备选型：污水厂的设备多以电动机拖动为主，在电动机的选择上，以高效节能型为主，污水处理厂的电动机损耗分布会随着功率的大小，极数不同等变化，因此，对于保护环境、节约能源的污水处理厂而言，高效节能型的电动机显得尤为重要。
2）控制系统的节能：污水处理厂控制系统的节能，要把握好两个关键点，一是选择变频调速节能设备：二是合理选择控制系统。在选择变频调速节能设备方面，由泵学相似定律可知，当转速变化时，流量与转速成正比，扬程与转速的平方成正比，功率与转速的立方成正比，要利用流量与转速的比例关系，采用具有节电率高，改善用电质量，设备回收期短等特点的新型智能化节电设备，实行优化运行数据，适时调节风机的风量或水泵的流量，使其随负荷的变化而同步变化，可以最大限度地节约电耗。能够对污水处理厂控制系统的节能起到很好的节能效果。
2.6照明的节能措施
2.6.1厂区内照明系统的节能应反映到以下几个方面
1）厂区内各工段、场所的照度、照明功率密度应满足《建筑照明设计标准》GB50034-2013第五章和第六章的相关要求。
2）同时对于照明系统也需要采取不同情况不同对待，在一些必须的地方使用强一些的光源，没有必要的地方也可适当采用光敏电阻进行设置，把光的利用率提高一下。
3）在厂区当中，只有没有要求必须使用炫光的时候要更换模式，避免出现浪费电的现象。在一般的区域，其照明系统的效率一般都在七成以上，同时反射罩也需要有很高的反光率。
2.6.2照明灯具的选择，对于整个照明系统的节能性有着重要的作用。因此在选择光源时除了应符合国家现行相关标准的规定外还应考虑到以下几方面:
1）根据使用场合的不同，选用合适的光源，光源应具有尽可能高的光效，以达到照明节能的效果。能够节省的地方绝对不能铺张浪费，做到能省则省。
2）除了以下几种情况外，尽量减少白炽灯的使用量：①要求瞬时启动和连续调光的场所，②使用其他光源技术经济不合理时，③对防止电磁干扰要求严格的场所，④开关灯频繁的场所。
3）用荧光灯做光源时，应优先考虑使用T5荧光灯和紧凑型荧光灯。
4）在合适场所劲量使用光效高、寿命长的高压钠灯和金属卤化物灯。
结束语
污水厂的节能减排是一项综合性工作，涉及到材料、工艺、设备、管理、电气、自动化控制等诸多环节。本文利用电气设计这个作为突破口，首先对污水处理厂的电气设计思路进行了阐述，然后就节能措施的几方面作分析。通过对整个污水处理厂在电气设计与节能措施的浅析，对日后新建污水处理厂的电气设计、节能措施提供参考。优化电气设计，采取合适的电气节能措施可以节约能源费用，降低处理成本，使污水处理技术由高能耗向低能、高效的方向靠近，促进污水处理厂持续平稳发展。
参考文献：
[1]卞亚洲.污水处理电气控制系统的设计与实现[J].机电工程技术,2018,47(10):25-28.
[2]谭伟,付浩程.地埋式污水厂电气自动化控制系统设计研究[J].建筑设计管理,2018,35(02):94-96.
[3]韩学敬.污水处理厂电气节能措施探讨[J].资源节约与环保,2018,(07):12+15.
[4]王成.?城市污水处理厂节能技术应用[D].天津大学,2017