浅谈污水处理厂电气节能设计与自动控制系统

1 城市污水处理厂

目前, 常用于我国城市污水处理的工艺有很多, 但其工艺流程差别不大, 一般的水处理流程如下:污水收集设施 (包括污水管道、雨水管道、工厂排放水管道等→粗格栅拦截→污水提升泵站→细格栅拦截→旋流沉砂池→微曝氧化沟 (包括厌氧池、缺氧池、好氧池等核心处理工艺流程) →二次沉淀池→消毒出水池→排水管道或渠排入水体。

城市污水处理厂的电气系统主要包括, 设在变配电房的10kV配电系统、10kV/0.4kV变压器、低压配电控制系统, 以及分散布置全厂的电缆、电机及其他工艺设备、照明等。相应的, 其电气损耗源也主要是以上设备。节能设计主要从变配电房的选址、变压器配置、低压配电系统无功补偿优化、减少电缆的损耗、电机配置及控制的优化、减少照明系统损耗这几方面入手。

2 电气节能的分析

2.1 变压器节能措施

变压器节能的实质就是降低其损耗、提高其运行效率。变压器的有功损耗有铁损和铜损, 铁损又称空载损耗, 其值与铁芯材质等有关, 而与负荷大小无关, 是基本不变的, 而铜损与负荷电流平方成正比, 负载电流为额定值时的铜损又称短路损失, 亦即负载损耗, 可用下式计算:

式中:△P为有功功率损耗;P0为变压器空载损耗;PK为变压器短路损耗;β为变压器负载率。

2.1.1 变压器的选型

城市污水处理厂设计中要选用节能变压器。所谓的节能变压器是指空载损耗, 负载损耗相对比较低的变压器。如S9、SL9、SC8等型变压器, S9系列与S7系列相比空载损耗平均下降了10%, 负载损耗平均下降了21%。从1999年1月开始, 国家明确规定, 禁止生产和销售S7系列变压器产品, 推荐使用S9系列节能变压器。随着市场的需求及技术的进步, 目前又出现了S11系列变压器, 与目前常用的S9型变压器相比S11型变压器的空载损耗下降30%, 空载励磁电流下降70%, 噪声下降10dB。S11变压器打破了传统的叠片式铁芯结构, 采用高导磁取向的冷轧硅钢片卷绕成封闭形, 使空载损耗和励磁电流大幅下降。变压器采用全密封结构, 运行的可靠性和使用寿命大大提高。

2.1.2 负荷率的确定

通过计算, 只有在变压器的铜损等于铁损时, 变压器的能耗最低。此时P0=β2PK, 一般变压器的P0/PK=1/4～1/3, 故变压器的最低能耗发生在负荷率β2=50%～60%左右, 但按照β2=50%选择变压器, 会使变压器选择过, 给运输、占地、投资等均带来麻烦, 综合考虑初装费, 变压器、高低压开关柜、土建投资及运行费用, 又要使变压器在使用期内预留适当的余量, 变压器最经济节能的负荷率一般在75%～85%。

2.1.3 减少线路损耗

三相线路的有功损耗为:△P=3IJS2R×10-3kW式中:IJS为计算相电流;R为每相线路电阻。在一个工程中电线、电缆的需要量非常大, 少则几千米, 多则上万米, 有效的减少配电线路的电能损耗, 节省的电能是相当可观的。导体的电阻与其电阻率, 线路的长度成正比, 与线路的截面积成反比, 因此减少线路的损耗应从这几方面入手。

选用电阻率较小的材质做导体, 铜材的电阻率小于铝材, 再加上联碱装置多为腐蚀性环境, 因此电线、电缆选用铜材;电线、电缆敷设时应尽量少走弯路, 减少线缆长度。变压器尽可能地靠近负荷中心, 减少低压电缆的长度;合理选择线缆的截面积。电线, 电缆的截面通常按照线缆的载流量大于线路的工作电流来选择, 再按照电压损失和机械强度来校验。

2.1.4 减少电动机的电能损耗

减少电动机的电能损耗的主要途径是提高电动机的工作效率和功率因数。设计中应采用高效率电动机, 但在具体工程中电动机通常都是工艺、机运及水暖专业的设备配套的, 由设备制造商统一供应, 所以节能措施只能贯彻在运行过程中。其一可以对电动机采取无功就地补偿。

3 低压配电系统无功补偿的优化

无功补偿可分为集中补偿和分散补偿。分散于就地的无功补偿有以下好处:

简单可靠。因为只要在用电设备上并联一台合适的专用电容器就可以, 不需要外加其他保护装置;能提高低压电网的功率因数, 降低了线损;具有较好的经济效益;提高了低压线路的功率因数, 减少线路末端电压波动。污水处理厂的负荷一般比较集中, 低压配电房选在负荷中心位置时, 优先采用低压配电集中补偿。

4 照明系统节能

照明节能设计是在保证不降低作业面视觉要求、不降低照明质量的前提下, 力求减少照明系统中光能的损失, 最大限度地利用电能、太阳能。GB50034-2004《建筑照明设计标准》规定了各种场所的照度标准值, 视觉要求, 照明功率密度等等, 设计中不可随意提高或降低要求。而污水处理厂的照明包括综合楼、车间的室内照明和厂区的室外照明, 照明设备的用量也比较大。城市污水处理厂的室外照明应采用智能控制, 由照明自动控制装置或自动控制根据不同区域、不同时段自动控制灯具的开关。

5 自动控制系统结构设计

5.1 系统设计的设计要点

可靠性和稳定性:选用具有工业高抗干扰性能的软/硬件设备, 运行可靠性高、稳定性强、安全, 是系统设计的先决条件;性能价格比:以最低投资, 获取最高性能;扩展性:考虑系统的升级和技术改造的实现;通用性:从选用的软/硬件、元件到自动控制系统功能和外形结构、安装要求等均要通用性强;兼容性:系统是一软/硬件结合的整体, 兼容性是其能否广泛应用的一个较重要的因素;开放性:系统网络具有良好的开放性;满足并优化厂生产工艺和管理。

针对生产工艺流程、流程的建筑总图分布情况和生产管理的合理性, 系统的结构设计成一分散控制集中管理的集散控制系统。系统分设3级, 即现场设备信号、控制站、中央操作站。各站之间的通信由控制网络完成, 系统可通过以太网与厂管理网之间通信, 实现资源共享。其控制功能分系统设现场手动控制、中央控制遥控和自动控制3种。

6 结语

污水处理厂的节能措施很多, 比如厂区布置因地制宜, 合理降低水泵的扬程。在选用节能的新设备上, 我们应具体了解其原理、性能、效果, 或从技术、经济上进行比较后, 再选定节能设备, 以达到真正节能的目的;而在选择合适的系统结构及配置时, 我们也应了解当地城市污水处理厂自动控制系统的现状和特点, 再结合具体的生产工艺要求和处理规模, 才能实现相应的系统功能, 这也是一个污水处理厂自动控制系统成功的关键所在。

摘要：本文结合城市污水处理厂的设计经验, 阐述了城市污水处理厂电气设计的节能原则、节能途径, 着重从变压器选择、提高功率因数、减少线路损耗、电机节能、照明节能等环节进行了探讨, 以保障污水处理厂的正常运行。同时, 在遵守行业规范和满足行业特点要求基础上, 也论证了城市污水处理厂自动控制系统的结构设计要点及实现方法。

关键词：电气节能,污水处理,变压器,线路损耗,照明节能,自动控制系统