污水处理与电气控制探讨

唐军

（北京碧水源科技股份有限公司，北京 102206）

0 引言

水资源在人类社会发展过程中有着不可替代的作用是一种重要的资源。随着社会经济的发展人们逐渐意识到水资源是制约经济发展的主要因素之一，同样也意识到控制水污染和保护水资源生态环境对社会发展的重要性。在当今这个水资源紧迫的现状下，做好城市污水与工业污水的处理和再生利用的技术，已经吸引了大批相关人士的关注。建设污水处理厂已经是一个城市最重要的基础之一。近些年来我国修建了大量各种规模的污水处理厂，有自主研发的，也有从国外引进的，技术越来越多、工艺也越来越成熟。污水处理厂需要自动化程度较高的电气设备，在电力控制方面，其可以合理减少电力用户在电网高峰负荷期的电力需求，避免超负荷用电，保障电力系统安全运行。

1 污水处理厂的处理方式选择与处理步骤

1.1 处理方式选择

对于规模不大的污水处理而言，一般通过污水好氧消化的方式进行污水处理。该方式不但操作较为简单，而且处理效果非常稳定，通过污水好氧消化的方式能够在短时间内实现污水的处理工作目标，该方式的缺点时所需的能耗较大。而对于规模较大污水处理单位来说，常常利用污水厌氧消化的方式进行污水处理，该方式的优势在于能够在污水处理完成后产生沼气，有一定的经济价值。污水处理单位应当根据自身规模的大小来选择适当的处理方式[1-2]。

1.2 处理步骤

污水厌氧消化是一种较为经济的污水处理方式，其步骤主要是在无氧的环境中产生沼气等有一定经济价值的资源，使污水处理工作达到稳定化的目标。沼气是一种利用方法非常广泛的资源，不但能够为污水厌氧消化系统运行提供足够的热能，多余的部分还能通过发电、搅拌等过程产生CH4、CO2以及H2S，其中CH4是生产四氯化碳的主要原料；CO2能够用来生产纯碱；H2S可通过生物技术进行脱硫，从而产生硫磺。上述利用方式在国内外都有非常成熟的技术。另外，通过污水厌氧消化的方式处理污水制备沼气，必须在污水处理系统的相关位置设置相应的设备、仪表等，利用这些设备和仪表可以实时掌握生产工况，保障沼气的产生效率并及时对相关资源的使用情况进行准确控制。在设备和仪表出现故障时，要及时予以解决，不断对设备、仪表的工况进行改善，提高系统自动化控制水平，保障沼气的经济价值得到充分发挥[3]。

2 污水处理单位电气控制系统在设计中应注意的问题

2.1 利用先进的技术

污水处理单位的电气控制系统在设计时要有一定的前瞻性，借鉴西方发达国家成熟的设计理念，在确保投资与收益合理的基础上，尽量采用先进的技术方法和可靠的设备，提高污水处理单位电气控制系统的科技含量，以保障其在未来一定时期内能够满足污水处理任务的需求。

2.2 为实战服务

污水处理单位电气控制系统的设计必须符合相关标准的规定和要求。电气控制系统必须能够和相关部门的应急指挥调度系统相适应，充分满足实战的要求，发挥有关部门应急指挥的作用，全力辅助应急指挥，为实战服务[4]。

2.3 可持续发展

由于当今科技发展迅速，而且污水处理的需求不断增加，污水处理单位电气控制系统的设计应当将眼光放长远，满足未来一定时期内的污水处理需求，设计的电气系统应当满足时代发展的要求，兼容其它的系统，具备可持续发展能力[5]。

2.4 可靠稳定

污水处理厂电气控制系统所从事的工作关系着工厂的财产和保密安全，那么在建设过程中应该将实时运转的大量数据信息资源、软件系统、硬件设备最大限度地考虑进来，稳定运行系统，应该存在着周密备份方案，可以让系统出现异常的时候及时地进行补救[6-7]。

3 污水处理厂电气控制系统设计的节能措施

3.1 总体考虑，合理布局

在污水处理的整个工艺流程中，可以分为不同类型的环节，在所有环节中，有的需要几台用电设备，有的设置需要几十台的用电设备。所有的用电设备都要配备相应的线路，因此在污水处理的整个过程中，对于线路的长度可能达到万米以上。而且，只要是输电过程都会产生电阻，当电流通过的时候，难免产生功率的损耗。根据相关的调查发现，单单泵站所造成的功率损耗，几乎可以达到其年用电量的1%，对于整个污水处理过程来说，由于线路过长造成的电量损耗就更多。根据配电线路功率损耗公式：ΔP=3I2·R10-3，我们就能发现，降低配电线路损耗，主要可以通过以下几种方式：

3.1.1 通过一定的措施降低配电线路的电阻

由电阻计算公式而R=ρL/S，可知，电阻的大小取决于线路的长度、截面积以及电阻率。因此，可以通过以下措施降低电阻：

首先，在选择线路的材质时，应当在考虑价格的同时尽量选择电阻率较低的材质。在目前的电缆市场上，主要有铜质电缆和铝质电缆，从电阻率的角度来说，铜质电缆相对较低，因此在污水处理配电线路材质选择时，一般选择铜质电缆，以降低输电线路的电阻率[8]。

在线路材质一定的前提下，由电阻的计算公式可知，假设电流恒定，那么线路的电阻就和其截面积成反比。那么适当的增大线路的截面积，就可以降低线路的电阻率，当然，相应的成本投入也会增多。所以，针对污水处理中一些小功率的设备由于其电力较弱我们就可以通过增加截面积的措施减低输电线路的电阻。

降低输电过程中的电阻，还可以通过减少配电线路的长度。从污水处理单位的角度来说，设备负荷情况一般较为集中。因此，我们可以改善相应设备的布局，将变电所的位置进行科学规划，减少输电线路的长度；在敷设电缆的过程中，线路要尽量保持直线，降低配电线路的长度。

3.1.2 降低电流

因为一般情况下提供给相关设备的功率恒定，因此要降低电流，那么就可以采取增大电压的方式。污水处理单位目前所用的电压等级通常为380/220V、6KV或者10KV。所以，必须控制大功率设备和主副变电所之间的联系。

3.2 加强对谐波电流的抑制

在污水处理电气控制系统中，有着大量的发动机、变压器等设备，对于整个污水处理单位来说，其功率因数约为0.8%，电气控制系统要实现无功补偿，需要将功率因数提高至0.9%。这样的话，不但可以减少配电线路的截面积，还可以有效降低配电的无功率损耗。在污水处理厂区，有许多的变频调速设备，这些设备需要的非线性线路负载相对较多，所以，会产生大量的谐波电流。如果采用无功补偿主要有就地补偿和集中补偿两种方式，将这两种方式相结合能够有效改善。如，在变电所地压侧安装无功自动补偿装置，就能够大大降低功率因素对输电效率的影响。谐波不但会影响电能的利用效率，影响电能的传输效率和生产效率，还会造成电气设备发生噪声、震动、过热等问题。因此在调整变频设备的非线性负载时，假使非线性负载持续加大，谐波对输电线路的危害也就越来越大，就会影响变频设备的使用寿命，甚至造成生产事故。谐波还会导致电力系统发生串联谐振等问题，烧毁相应的电容器，使得相关的自动装置产生误动作，进而影响电能计量。所以，为了防止谐波对变频设备造成的危害，就要通过使用无源滤波器或者连接变压器的相关点等方法对其进行抑制[9]。

3.3 准确核算负载，减少变压器损耗

造成变压器损耗的原因主要有两种，即变压器的空载损耗和额定负载传输产生的损耗。空载损耗又叫做铁损，一般是铁芯锅流损耗和漏磁损耗，耗损值主要取决于铁芯的材料或者铁芯的制造工艺，但是空载损耗与设备的负荷没有关系。额定负载传输产生的损耗也叫做变压器线损。耗损值主要取决于变压器绕组的电阻，和流过绕组的电流数值有一定的关系，与符合率的平方成正比。变压器的负载率为50%时，变压器的损耗最小，不过这一负载率只是降低了变压器的线损，对于铁损则没有影响。如果变压器的负载率过低的话，变压器的铁损就会增加，造成的电能损耗相应就变得更大，从而不得不投入更多的初装费用。所以，核算变压器的负载时不但要充分考虑初装费、土建投资以及变压器本身的费用，还要保证变压器在使用的过程中保留一定的余量，所以变压器的负载率应当控制在60%-75%左右。相关的操作规范上指出，核算污水处理厂的负荷时，应当采用需要系数法，在核算具体负荷时，需用系数的取值不但要充分考虑相关设备的备用情况，还要综合考虑设备的使用情况。

3.4 合理搭配设备，降低运行损耗

对相关的设备进行合理的搭配，充分发挥自动控制系统进的作用，降低污水处理设备运行过程中的损耗。对污水处理单位而言，水泵、风机是不可或缺的两种设备。选择设备的型号时，应当按照工艺的最大负载额来进行。但实际的设备运行过程中，基本上不会达到工艺设定的上限。例如，在实际的污水处理过程中，时间段不一样，来水量也会有所区别。污水处理单位使用的进水泵一般是由几台水泵通过组合的方式共同组成，实际进水量经常发生变化，但是进水泵的额定功率是一定的。所以我们可以在进水泵上加装变频调速装置，对水泵的流量按照实际进水量进行不断的调整。水泵的流量和转速存在一定的比例关系，而功率的数值也和水泵转速的3次方存在比例关系，如果水泵风机等设备加装了变频调速装置，当水泵的流量降低，所需的功率也会相应减少，这样就能在满足污水处理需求的基础上降低设备运行的损耗[10]。

4 结论

进入21世纪以来，我国经济水平的快速提高，相应的城镇化水平也越来越高，很多地区都尝到了工业排放污水和居民生活污水的苦果。怎样降低污水对我国生态环境的影响实现可持续发展，日益受到人们的关注。建设污水处理单位能够降低污染物排放量，改善生态环境，促进我们的生活环境质量的提高。而在污水处理单位中积极利用电气控制技术，不但可以提高污水处理的效率，还可以节省相应的投资费用，为经济和环境的协调发展奠定基础。