肖凱

（貴州省建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550081）

0 引言

污水處理廠旨在改善城市用水環(huán)境，有效控制城市污水量。當(dāng)前，處理廠在污水分類、水質(zhì)凈化等方面，尚未達(dá)到理想層次，部分街道污水四溢，直接威脅著水體生態(tài)性。如果城市排水整體規(guī)劃不完整，無(wú)法有效集中處理城市污水，極易出現(xiàn)水體污染現(xiàn)象。為此，融合節(jié)能工藝，整體布局污水處理體系，保證排放水質(zhì)達(dá)標(biāo)，具有重要的研究意義。

1 融合節(jié)能減排的市區(qū)污水整治電氣設(shè)計(jì)理念

1.1 整體布局的合理性

整治城區(qū)污水時(shí)，有多樣性電氣系統(tǒng)單體。在各組單體中，引入的電氣設(shè)備數(shù)量有一定差異。電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)，需連接配電線路，較多的單體結(jié)構(gòu)、數(shù)量較大的電氣設(shè)備，會(huì)形成上萬(wàn)米數(shù)的配電線路。在線路輸電時(shí)，較長(zhǎng)線路會(huì)形成一定功率損耗。例如，某處理廠每年電纜能耗量占比電氣系統(tǒng)用電總數(shù)的1%，線損占比4%。污水處理廠使用的電氣設(shè)備較多，會(huì)產(chǎn)生較高線損。輸電期間產(chǎn)生的功率損耗，主要關(guān)聯(lián)于線路電流、電路電阻兩個(gè)參數(shù)，有效控制兩個(gè)參數(shù)，可達(dá)到功率損耗的控制目標(biāo)。具體控制措施如下。

（1）合理選材，以較低的電阻率線纜為首選，有效控制輸電產(chǎn)生的電阻率[1]。當(dāng)前，市場(chǎng)以鋁、銅兩種電纜為主要類型，兩種線纜性能對(duì)比結(jié)果如表1 所示。

表1 鋁、銅兩種電纜性能對(duì)比

由表1 對(duì)比發(fā)現(xiàn)，銅、鋁兩種電纜性能對(duì)比時(shí)，在氧化性、腐蝕性、電阻率各方面，銅電纜均表現(xiàn)出一定優(yōu)勢(shì)。為此，污水處理廠應(yīng)選擇銅電纜，進(jìn)行線路設(shè)計(jì)。

（2）當(dāng)電流參數(shù)固定時(shí)，如果線路截面較大，會(huì)降低電阻值。如果直接調(diào)整截面積參數(shù)，可能會(huì)增加線路成本。當(dāng)設(shè)備運(yùn)行功率不高時(shí)，按經(jīng)濟(jì)載流量設(shè)計(jì)方式，以此控制有色金屬使用。

（3）整體布局時(shí)，優(yōu)化配置供配電中心，盡量設(shè)置在負(fù)荷集中處。布線路徑以直線為主，減少?gòu)澛凡季€次數(shù)，避免回頭路的布線問(wèn)題，以此控制配電線路的整體長(zhǎng)度。

1.2 控制諧波電流

電力供應(yīng)與輸送過(guò)程中，發(fā)動(dòng)、變壓兩種設(shè)備的使用量較大，功率因數(shù)約為0.8 時(shí)，進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償處理，需增加功率因數(shù)，使其達(dá)到0.92（實(shí)際應(yīng)達(dá)到0.9）。功率因數(shù)調(diào)整后，會(huì)相應(yīng)減少無(wú)功功率。處理廠使用的變頻調(diào)速裝置多以非線性線路負(fù)載出現(xiàn)，線路會(huì)形成一定數(shù)量的諧波，需要采取無(wú)功補(bǔ)償形式加以處理，確保諧波處理效果，包括：①就地處理。②集中處理。③兩種補(bǔ)償形式共用，以此增加功率因數(shù)，減少電網(wǎng)污染。較多的諧波，會(huì)削弱電能使用能力，降低電能傳輸速度，引起電氣設(shè)備出現(xiàn)異常聲響、不規(guī)律振動(dòng)、溫度較高等不利現(xiàn)象。為此，適當(dāng)引入無(wú)源濾波設(shè)備，以此保證諧波抑制效果。

2 融合節(jié)能減排的市區(qū)污水凈化電氣設(shè)計(jì)方法

2.1 節(jié)能式電氣系統(tǒng)

某處理廠耗電情況如圖1 所示。

圖1 某處理廠耗電情況

依據(jù)耗電特點(diǎn)，進(jìn)行電氣系統(tǒng)節(jié)能規(guī)劃時(shí)，分別給出了供電、配電、站點(diǎn)選址、布線、照明等多個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)。在設(shè)計(jì)中融合節(jié)能、低碳等思想，創(chuàng)建污水處理平臺(tái)，確保排水質(zhì)量。在污水分類、水質(zhì)凈化的各環(huán)節(jié)中，按污水處理需求，精確計(jì)算各項(xiàng)設(shè)備的計(jì)算功率，合理規(guī)劃變壓器規(guī)格及數(shù)量，選用節(jié)能型設(shè)備，以此控制能耗量[2]。節(jié)能型電控系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 節(jié)能型電控系統(tǒng)

2.2 節(jié)能式變電設(shè)備

污水處理時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)變壓設(shè)備能耗管理，以處理廠運(yùn)行負(fù)荷、設(shè)備能耗為參考，合理選擇設(shè)備型號(hào)，保持設(shè)備數(shù)量與實(shí)際污水處理需求相匹配，防止出現(xiàn)超負(fù)荷運(yùn)行或者閑置較多容量等情況。設(shè)備運(yùn)行期間，其電能消耗量占比整體用電量11%左右。選擇恰當(dāng)方法，有效控制設(shè)備用電量，以達(dá)到降低設(shè)備用電能耗的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

（1）合理選型。處理廠引進(jìn)變壓設(shè)備時(shí)，需選擇節(jié)能性強(qiáng)、運(yùn)行能效高、噪音不大的類型，順應(yīng)處理廠的設(shè)備使用需求。

（2）確定運(yùn)行參數(shù)。變壓設(shè)備運(yùn)行中，如果單組設(shè)備容量值較高，會(huì)相應(yīng)增大配電長(zhǎng)度，形成較多的電損。而在設(shè)備運(yùn)行負(fù)載比例較高時(shí)，會(huì)增加能耗量。結(jié)合處理廠的設(shè)備運(yùn)行需求，變壓設(shè)備負(fù)載比例應(yīng)盡量處于70%~85%，保障污水處理效果。確定變壓設(shè)備容量時(shí)，按照基礎(chǔ)電價(jià)方式，獲取設(shè)備容量，有效調(diào)整各處負(fù)荷比例參數(shù)，讓處理廠整體電氣系統(tǒng)保持高負(fù)載狀態(tài)。

（3）考慮負(fù)載特點(diǎn)、設(shè)備數(shù)量等多個(gè)方面，提出變壓設(shè)備的設(shè)計(jì)方法，以順應(yīng)生活污水凈化需求，從中選出節(jié)能性較高、成本較低的設(shè)備布局方案，能夠展現(xiàn)變壓設(shè)備的凈水價(jià)值。某處理廠選用的S13-800 型變壓設(shè)備節(jié)能情況如表2 所示。相比其他類型的變壓設(shè)備，在空載損耗、負(fù)載損耗、設(shè)備噪音、抗干擾等方面，均表現(xiàn)出較強(qiáng)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，能夠保證變壓設(shè)備的能耗控制效果。

表2 某處理廠選用的S13-800 型變壓設(shè)備的節(jié)能表現(xiàn)

2.3 節(jié)能式照明體系

室外道路范圍內(nèi)，進(jìn)行照明設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)順應(yīng)車輛通行的照明需求。相比城市主干道路，污水處理廠的運(yùn)輸?shù)缆?，整體寬度不大，且夜間通車量不多。為此，照明設(shè)計(jì)融合節(jié)能思想，選擇庭院路燈進(jìn)行設(shè)計(jì)，路燈高度取3.5~5m，防止出現(xiàn)車輛與路燈刮碰問(wèn)題。路燈選型完成后，使用“人工+智能”的組合型控制方式，有效控制室外通行區(qū)的照明能耗。處理廠的室外照明，多數(shù)采取夜間巡視形式，將照明設(shè)備布設(shè)于建筑外墻，聯(lián)合于通行區(qū)照明設(shè)備，合理控制照明間距，均勻布設(shè)照明點(diǎn)位。建立戶外照明體系時(shí)，可選擇單獨(dú)開(kāi)關(guān)，進(jìn)行巡檢操作，以此增強(qiáng)戶外照明的節(jié)能性。處理廠項(xiàng)目?jī)?nèi)部的照明區(qū)，包括值班室、配電室、處理中心等多個(gè)位置。依照各區(qū)域的照明需求，引入可行的照明控制方法，保證照明質(zhì)量，有效控制照明能耗。例如，在項(xiàng)目?jī)?nèi)的樓道、走廊等位置，選擇聲控型、紅外線感應(yīng)型的照明開(kāi)關(guān)，以此減少照明設(shè)備持續(xù)運(yùn)行產(chǎn)生的能耗量[3]。在污水處理中心、辦公室等位置，選擇高效節(jié)能燈具，替換白熾燈，增強(qiáng)室內(nèi)照明節(jié)能效果。某處理廠選擇80W LED 燈具，其設(shè)備參數(shù)如表3 所示。

表3 80W LED 燈具的技術(shù)參數(shù)

由表3 技術(shù)參數(shù)可知，LED 燈具的可用時(shí)間較長(zhǎng)，光通量較高，可保障照明質(zhì)量，功率因數(shù)不小于0.95，符合節(jié)能電氣系統(tǒng)的性能要求。

2.4 節(jié)能電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)是進(jìn)行“電能→動(dòng)能”的關(guān)鍵設(shè)備，多用于污水傳輸、攪拌處理等環(huán)節(jié)。當(dāng)前多數(shù)污水處理廠運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)是“鼠籠型”，表現(xiàn)出能耗高、功能因數(shù)較小等特點(diǎn)。融合節(jié)能設(shè)計(jì)后，需加強(qiáng)電動(dòng)機(jī)能耗管理，選擇節(jié)能型設(shè)備。實(shí)踐中，高效電機(jī)能耗是一般電機(jī)的75%，運(yùn)行能效是一般電機(jī)的1.05 倍，功率因數(shù)相比一般電機(jī)增加8%。為此，高效電機(jī)是減少電機(jī)能耗的重要措施。電機(jī)選型完成后，融合降壓控制技術(shù)，防止電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間輕載運(yùn)轉(zhuǎn)，以此控制能耗[4]。

2.5 控制系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)

（1）中央控制。處理廠內(nèi)部含有較多的水廠，可使用中央控制技術(shù)，融合云處理方式，進(jìn)行網(wǎng)關(guān)配置，有效連接各平臺(tái)，保證數(shù)據(jù)采集的全面性，高效傳輸各系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。數(shù)據(jù)傳輸使用5G 通信技術(shù)，進(jìn)行遠(yuǎn)程共享、APP 推送，便于處理廠人員及時(shí)掌握污水處理情況。運(yùn)營(yíng)控制中心，集中處理采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行分類、存儲(chǔ)各項(xiàng)處理后，依據(jù)管理者需求生成報(bào)告。在處理廠值班室內(nèi)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)顯示屏，值班人員可隨時(shí)查看各系統(tǒng)處理，及時(shí)排查設(shè)備潛在問(wèn)題，全面管控處理系統(tǒng)。

（2）廠區(qū)控制。在處理廠內(nèi)增設(shè)控制站，增強(qiáng)廠內(nèi)各系統(tǒng)的自主控制效果，確保設(shè)備管理質(zhì)量。選擇PLC控制形式，將其連接于控制站的顯示屏，全面獲取系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，添加必要的參數(shù)方案，使系統(tǒng)處于高效運(yùn)行狀態(tài)。PLC 表現(xiàn)出較強(qiáng)的控制能力，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，給出相應(yīng)的故障處理方案，防止出現(xiàn)水質(zhì)凈化不達(dá)標(biāo)、設(shè)備故障停產(chǎn)等問(wèn)題。從高效運(yùn)行、減少重復(fù)處理方面，達(dá)成污水處理的節(jié)能目標(biāo)。例如，水泵運(yùn)行各時(shí)段內(nèi)，水量參數(shù)有一定差異?？刹扇≡O(shè)備組合形式，選擇變頻調(diào)速設(shè)備，有效控制輸水量，以此獲取優(yōu)異的節(jié)水效果。為此，在污水處理期間，規(guī)范運(yùn)行控制系統(tǒng)，合理設(shè)計(jì)各項(xiàng)參數(shù)，是保證系統(tǒng)節(jié)能性的關(guān)鍵措施。

（3）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，依賴于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體性能。某處理廠內(nèi)部的控制站，在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時(shí)，選用10/100Mbit/s 網(wǎng)絡(luò)，利用雙絞線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，可保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，防止數(shù)據(jù)傳輸不及時(shí)、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)不到位的等問(wèn)題，便于管理者及時(shí)做出節(jié)能調(diào)整?？刂普九c各類設(shè)備的連接，采取Modbus總線處理方式，能夠有效控制通信質(zhì)量，及時(shí)回傳生產(chǎn)調(diào)度信息。

2.6 儀表節(jié)能設(shè)計(jì)

儀表是監(jiān)測(cè)污水處理平臺(tái)運(yùn)行情況的關(guān)鍵設(shè)備。某處理廠的儀表設(shè)計(jì)方案如表4 所示。

表4 某處理廠的儀表設(shè)計(jì)方案

較多的儀表設(shè)備，需加以節(jié)能管理，保持儀表電流參數(shù)介于4~20mA。儀表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需進(jìn)行有效轉(zhuǎn)化，反饋至監(jiān)測(cè)平臺(tái)，便于處理廠監(jiān)測(cè)管理。儀表適用的環(huán)境條件為：溫度最小為零度、且不超過(guò)50℃，濕度不大于95%。儀表節(jié)能管理的系統(tǒng)控制如圖3 所示。

圖3 儀表節(jié)能管理的系統(tǒng)控制

2.7 監(jiān)控節(jié)能設(shè)計(jì)

某處理廠使用視頻監(jiān)控技術(shù)，建筑外設(shè)有1 個(gè)監(jiān)控點(diǎn)。節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，選用穿熱鍍鋅鋼管，建立高效平穩(wěn)的信號(hào)傳輸路徑。此材料具有較強(qiáng)的管線防護(hù)性，可減少管線受損的可能性，確保視頻信號(hào)傳輸質(zhì)量。系統(tǒng)進(jìn)行防雷處理，以此減少雷電威脅，保證監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行安全。從防雷、防護(hù)管線、保證監(jiān)控系統(tǒng)安全各方面，降低系統(tǒng)損耗、故障的可能性，順應(yīng)節(jié)能設(shè)計(jì)需求[5]。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，污水處理廠旨在改善城區(qū)水體環(huán)境、循環(huán)再用生活污水，表現(xiàn)出較強(qiáng)的城市污水管理功能。在污水處理期間，廠內(nèi)運(yùn)行的電氣設(shè)施較多，需加以節(jié)能設(shè)計(jì)，以高效處理污水，減少能源消耗，順應(yīng)環(huán)保要求。在實(shí)踐中，某處理廠使用銅電纜、高效電機(jī)、LED 節(jié)能燈具，增設(shè)控制站，引入PLC 技術(shù)，全面落實(shí)節(jié)能設(shè)計(jì)，以期減少污水處理產(chǎn)生的能耗，為城市營(yíng)建極具生態(tài)性、水體管理能力優(yōu)異的用水環(huán)境。