基于A2/O 工艺的污水处理厂电气自控节能设计

杨 坤 李文华

(天津市市政工程设计研究院给排水分院，天津 300051)

污水处理是高耗能产业，其中电耗在污水处理厂运行能耗中所占比例很大。电气自控专业设计人员如何将降低电能耗的理念贯穿于设计之中，对于污水处理厂的节能尤为重要。本文以山东某污水处理厂的设计为例，探讨电气和自控实现节能降耗的设计思路。

1 工程概况

本工程总体建设规模为16万m3/d，拟分2期建设，近期实施12万m3/d，远期再实施4万m3/d。工艺由预处理、二级生物处理、消毒处理组成，污水处理工艺方案组成具体如下:进水→预处理→二级生物处理→消毒处理→出水。二级生物处理采用A2/O工艺。A2/O污水处理工艺具有同步脱氮和除磷功能，是生物脱氮除磷工艺中应用较多的一种方案，具有良好的环境效益和经济效益。本工程的电气系统设计内容包括变配电站设计、厂内电气设备的供配电设计、电缆线路敷设设计、照明设计、防雷、接地及等电位设计。自控系统设计包括污水处理厂自动控制系统的搭建、工艺控制策略的优化、检测仪表的选择、网络通讯系统及自控仪表防雷接地等的设计。

2 电气系统节能设计

电气节能的理念应贯彻到设计的始终，从变电站的布置、负荷计算、变压器选型、容量选配、合理确定运行方式及无功补偿设计、减少电缆的损耗、电机运行方式、减少照明损耗等方面考虑。

2.1 变电站的布置

合理选择变电站位置，力求使其处于负荷中心，从而最大限度减少配电距离，节约电缆，减小线路损耗，提升供电的安全性。本工程中，负荷较集中的构筑物有鼓风机房、进水泵房、反冲洗设备间。根据水厂总图布置及负荷计算情况，本工程设置两个变电站，要求第一变配电站靠近鼓风机房和进水泵房;第二变配电站设置在反冲洗设备间附近。

2.2 变压器节能措施

选用低损耗变压器，降低用电设备自身损耗，是变压器节能的主要措施之一。变压器的损耗主要由空载损耗和负载损耗组成。空载损耗又称铁损，它由变压器本身的硅钢片性能和铁芯制造工艺决定，不随变压器的负荷变化而变化;负载损耗主要与流经变压器电流和变压器电阻有关，其大小和变压器负载率的平方成比。为此，本工程在变压器选择时采用空载损耗和负载损耗相对比较低的变压器，即节能型的铜芯干式变压器SC10系列。

本工程配电系统采用两台变压器分列运行，当一台发生故障时，另一台负责全厂主要负荷的供电。这样，两台变压器共同分担全厂负荷，可以降低变压器安装容量，使其运行在最佳经济负载率附近。考虑变压器的合理运行，一般变压器平均负载率控制在0.6～0.85之间为宜。本工程负荷计算如表1～表4所示。

表1 第一变配电站0.4 kV负荷计算结果(近期负荷)

表2 第一变配电站0.4 kV负荷计算结果(远期负荷)

表3 第二变配电站0.4 kV负荷计算结果(近期负荷)

表4 第二变配电站0.4 kV负荷计算结果(远期负荷)

根据近、远期工程相结合的原则，本工程设计第一变配电站内设置两台800 kVA变压器，第二变电站内设置两台800 kVA变压器。不仅可以满足近期运行要求，而且便于远期电气设备的配电和安装。

2.3 无功补偿的设计

污水处理厂主要的用电设备是异步电动机，其自然功率因数往往达不到电网要求，需进行无功补偿。对电气系统进行无功补偿不仅可以减少变压器和配电线路的无功功率损耗，实现节约能源、高效利用电能的目的，还可以减少配电线路的截面及变压器的容量，节约设备投资。污水处理厂的负荷一般比较集中，变配电站选在负荷中心位置时，优先采用配电系统的集中补偿。本工程在第一变配电站10 kV和0.4 kV母线以及第二变配电站0.4 kV母线上分别设电容集中自动补偿装置，对全厂总的用电负荷进行功率因素自动补偿，补偿后功率因素达到0.90以上。

2.4 电缆的节能措施

电缆节能设计除了将变电站设置于负荷中心，减少金属损耗外，合理设计电缆线路的走向，减少电缆长度，同样可以节省投资，降低线路损耗，还可以减少线路压降，提高供电的安全性和可靠性。

2.5 电动机的节电措施

减少电动机的电能损耗是水厂节能的重要环节。风机水泵是污水处理厂重要的耗能机械，水厂中的许多风机和水泵的流量不是要求恒定的，根据风机、水泵的压力—流量特性曲线，按照工艺要求的流量，实现变速变流量控制是节电的有效方法［1］。本工程对于大功率的设备采用变频调速技术，根据控制量的变化要求对电动机进行调速，从而达到有效节能的目的。

2.6 照明节能设计

照明设计要求尽量采用高效电光源，并合理采用混合照明:配电站、车库、综合楼办公室等构筑物的照明以三基色细管径节能型荧光灯为主，辅以局部壁灯照明;其余各生产车间的照明灯具主要采用金卤灯，并采用壁装形式为主，必要时设置局部照明。厂区道路照明采用庭院灯照明，选用高压钠光源，照明控制采用手动控制、时间控制与光控制相结合方式，避免人为原因造成电能浪费。

3 控制系统的节能设计

3.1 自控系统介绍及节能设计思路

本工程污水处理厂自动控制系统采用基于可编程逻辑控制器(PLC)的集散型控制系统，以及监控和数据采集(SCADA)系统。集散型控制系统的特点是将控制层和管理层分开。控制层主要是通过现场PLC完成各自辖域内工艺设备的自动控制，并对工艺单元优化运行;管理层主要是对全厂的生产过程进行监视、数据存储和分析，完成全厂工艺单元的协调工作。自控系统可以合理调整工况，使整个污水处理系统在最经济状态下运行，降低运行能耗。自控仪表和网络通讯系统的设计已经非常成熟，近一步的提升自控系统的软硬件并不能对污水厂的节能起到更大的作用。但是，优化工艺环节的控制技术对于自控节能设计却有很大的提升空间。A2/O生物处理工艺流程中，曝气是最重要的能耗环节:曝气能耗约占污水处理厂所有运行费用的50%或更多［2］。因此，通过对控制技术的优化，降低污水厂曝气环节的能耗，是自控节能设计的重要途径。

3.2 曝气控制节能设计

3.2.1 风量的控制

污水处理工艺有多种DO控制策略，最常见的是基于溶氧仪反馈信号的PID控制器。由于溶氧仪获取的反馈信号有较大的滞后性，所以PID控制器很难在污水厂取较好的控制品质。为了提高DO的控制品质，本工程引进了精确曝气流量控制系统，系统包括溶解氧控制、鼓风机调节和空气流量分配等一系列针对A2/O工艺曝气系统核心工艺环节或设备的模块。本系统的控制策略是对需氧量进行预测，即根据需气模型计算满足需要的曝气量，抑制时滞带来的波动。在国内一些污水厂内，这种控制策略获得较好的控制效果［3］。

具体控制方案如下:A2/O反应池中的好氧段分为3个廊道，每个廊道要求的DO值不同。精确曝气系统要求每个好氧廊道配备一台DO仪，每根曝气主管配备一台空气流量计、一台电动调节阀门，每条处理工艺配备一台液位计、一台MLSS浓度计。

精确曝气控制柜采集进水COD、进水水量、生物反应池的溶解氧、MLSS等仪表信号后，通过需氧量计算模块预测出总需氧量以及每个好氧廊道的需氧量，做到预测需氧量的实时变化;鼓风机和电动调节阀根据总需氧量和每个廊道的需氧量实现联合控制调节，提高DO值的稳定控制能力，降低点能耗。

3.2.2 鼓风机的控制

本工程采用单机高速离心式鼓风机，工作电压10 kV，配用电机功率为315 kW。鼓风机对气量的调节方式有变频调节和导叶调节。变频技术对于工程节能的贡献已经得到广泛的认可，但是在本工程中，要求A2/O反应池的水位基本不变，总管风压恒定，如果采用变频调节，难以避免风压调节过大，达不到工艺要求，并且变频装置价格较高，工程一次性投资较大。采用进口导叶调节气量，在保持出口压力恒定条件下，每台鼓风机的供气量调节范围可达到45%～100%。在相对流量变化不大时，变频与导叶两种调节方式消耗功率差别并不大［4］。而选择导叶调节方式的鼓风机，结构简单，投资较少，管理方便，为本工程节能设计的最佳设备选择。本工程四台鼓风机按照整体控制的思路，设置总控制柜MCP柜。MCP主控制柜根据精确曝气系统控制柜输出的总气量预测值和总压力信号，自动控制鼓风机开启台数、进出口导叶片开启角度，实时调节空气量的输出。

4 结语

污水处理厂电气自控节能措施还有很多，比如提高电气系统抑制谐波的能力、污泥处理等其他工艺环节的控制优化等。电气自控设计人员应根据不同水厂的工艺要求和设备特点，在设计中寻找更好的节能方法，有效的降低能耗。

［1］《钢铁企业电力设计手册》编委会.钢铁企业电力设计手册［M］.北京:冶金工业出版社，1996.

［2］马 勇，彭永臻.城市污水处理系统运行及过程控制［M］.北京:科学出版社，2007.

［3］张荣兵，鲍海鹏.VAS系统在A2/O工艺稳定运行及节能优化中的应用［J］.中国给水排水，2012，28(12):71-74.

［4］侯润珍.污水处理工艺中鼓风机调控方式的选择［J］.工业用水与废水，2000，31(6):44-46.

［5］GB 50052-2009，供配电系统设计规范［S］.