城市建筑┃节能·环保┃URBANISM AND ARCHITECTURE┃ENERGY SAVING ENVIRONMENTAL PROTECTION 污水处理厂电气设计中负荷计算与节能优化分析 Load Calculation and Energy Saving Optimization Analysis of the Electrical Design in Sewage Treatment Plant ■ 林太和 ■ Lin Taihe [摘 要] 污水处理厂具有特定的工艺要求，所用到的设备也具有其自身的特点。本文主要以采用CASS工艺的污水处理厂实际项目为例，根据其特定的工艺要求与特点，进行电气设计中的电力负荷计算优化，并介绍了有关节能的有效措施。 [关键词] 污水处理厂 电气设计 负荷计算 节能 [Abstract] The sewage treatment plant has a specific process requirements, equipment use also has its own characteristics. This paper mainly taking the wastewater treatment plant CAS- S project as an example, according to the specific process req- uirements and characteristics, does optimization of power load in electrical design, and introduces some effective measures for energy conservation. [Keywords] sewage treatment plant, electrical design, load calculation, energy saving 随着我国科技的不断进步，诸多工业建设行业也同样迈着前进的步伐。由于人们环保意识的不断提高，污水处理行业建设也紧跟其后，越来越受到人们的关注。我国是一个能源短缺的国家，但能源浪费却很严重，能源问题是一个值得我们重视的问题，因此如何合理利用现有的能源与供电的设备资源是对我们每个人的挑战。如今，就目前已经建成的城市污水厂来看，存在着诸多浪费的问题，譬如对电气设计中的负荷计算偏大、实际的用电量达不到所计算的数值，造成供配电设备资源的浪费。事实证明，在现实工程的设计与建设中发现，对于错误的电力负荷计算及相关系数选择不当都会给供配电的设计带来严重的能源浪费。所以，我们在污水处理厂的设计过程中，不仅要采用先进的污水处理工艺方法，而且对污水处理厂的供配电、仪表、PLC自控系统的设计也要不断地进行优化、创新与完善，使得污水处理行业向着更加节能环保、低耗高效的方向快速发展。 本文以某污水处理厂为例，介绍供配电设计中的电力负荷计算优化，并介绍有关的节能有效措施。该污水厂的主要污水处理构筑物生化池采用了先进技术—— CASS工艺，污水厂的大功率用电负荷主要为生化池的鼓风机及进水泵房的提升泵。一般情况下，污水处理厂的用电设备特点为长时间连续运行或短时周期运行。像进水提升泵房的提升水泵主要根据污水处理厂的处理能力长时间连续运行；生化池的鼓风机则根据工艺要求周期运行。供配电的设计，主要是以负荷计算作为依据来进行的，因此在进行电力负荷的相关计算时，应结合污水处理 工艺特点进行合理优化。 污水厂设置CASS池1座4格，设计规模为2.0万m3/d。每格CASS池每天循环运行6个周期，一个周期4.0 h，工艺运行过程包括：进水、曝气2.0 h；沉淀1.0 h；滗水1.0 h，依次循环。 一、 鼓风机台数设置与负荷计算优化 根据工艺要求每格CASS池需设置1台鼓风机进行曝气，选用鼓风机的额定功率为75 kW。每格生化池的其它设备还包括：选择区潜水搅拌器1台（1.5 kW）；预反应区潜水搅拌器2台（单台功率3.0 kW）；主反应区旋转式滗水器2台（单台功率1.5 kW）；污泥回流泵1台（单台功率3.0 kW）；剩余污泥泵1台（单台功率3.0 kW）。对于单体生化池设备而言，其最大负荷运行的方式为进水+曝气的过程。在进水+曝气的过程中，单有鼓风机运行，此时生化池配电设计中的电力负荷计算可进行优化考虑。 按照CASS工艺运行周期，可将4格CASS池的工艺运行过程错开，利用可编程控制器PLC编写程序控制，使其运行在不同的工艺过程，由此可能出现设备运行功率最大的工况为两格同时运行在进水+曝气的工艺状态，此时就可将鼓风机数量优化为设置为2台，每台鼓风机负荷计算如下（功率因数COSθ=0.87,效率η=94%）： P30 （有功功率）=75×2/0.94=160 kW Q30（无功功率）= P30tanθ=90 kW； S30 （视在功率）= P30/0.87=183 kVA I30（计算电流）= S30/1.732×0.38=279 A。 表1 采用CASS工艺鼓风机负荷计算优化表 电机参数 优化后 优化前 对比值 优化率 有功功率P160 kW 319 kW 159 kW 50% 30 无功功率Q90 kVar 181 kVar 91 kVar 50% 30 视在功率S183 kVA 367 kVA 184 kVA 50% 30 计算电流I279 A 557 A 278 A 50% 30 鼓风机投入数量 2台 4台 -2台 50% CASS池的污水处理工艺，在进行优化考虑后，主要设备鼓风机同时运行台数为2台。由表1可知，优化率在50%左右，本项目少安装2台鼓风机，既节省了工程造价，又减小了全厂负荷计算的设备总容量，避免了对供电设备资源的浪费。 二、 污水厂鼓风机控制的优化 由于鼓风机功率大，在运行过程中耗电量相对也较大。CASS池运行过程中需要根据池中溶解氧浓度来调节供气量。若采用改变阀门的开度来控制气量，难免将造成电能的浪费；想要高效的利用电能来使鼓风机完成对生化池的曝气的控制工作，本工程采用变频控制，可以有效地完成上述工作。CASS183 的曝气量的大小依据的是水池内设置溶解氧检测仪的溶解氧的检测值的大小，根据溶解氧的浓度实时调节鼓风机电机运行频率，控制CASS池的曝气强度，既满足工艺对曝气量的需求，也最终达到了节能的目标。其控制原理： 溶解氧检测仪→ PLC→变频器→罗茨鼓风机。 根据风机的压力—流量特性曲线，按照工艺要求的流量，采用变频调速控制是节电的有效方法。风机风量和电机转速、功率有着极大的关系，从理论上讲，风机的流量与转速成正比，而风机的功率与流量的3次方成正比。不同的频率，风机的节能效果有所不同，具体参考数值可见下表2。 表2 采用变频控制鼓风机的节能表 频率L流量电机节电F 转速N Q 扬程H 功率 率 /Hz / % / % / % / % / % 50 100 100 100 100 0.00 45 90 90 81 72.9 27.1 40 80 80 64 51.2 48.8 35 70 70 49 34.3 65.7 由表2可以看出，CASS池根据其对溶解氧的工艺需求，实时调整曝气量，采用通过变频调节鼓风机的运行频率，对于污水厂的节电是有一定的效果。 三、 进水泵房提升泵控制的优化 进水泵房设置提升泵3台，2用1备，单台功率37 kW，由于是连续运行，其耗电量在整个污水厂中占了较大的比重，使提升泵的节能设计具有了相当的意义。提升泵可采用工频运行，也可采用变频运行。前者根据进水泵房水池高低液位实现高液位开泵，低液位停泵，采用软起动器控制，或者通过减小阀门开度以控制流量，或者造成CASS池过负荷运行；后者则根据进水流量变频控制，变频运行既能够较为稳定的来实现水量的供给状况，满足工艺设计要求，也可有效的减少水泵的开启次数，保证进水泵房输送到后续生产构筑物内的流量保持在设定流量范围内，进而改善了CASS生化池进水量的周期不固定的状况，也可以较为明显的改善污泥的培养等一些情况。例如白天的进水量多而夜晚少的现象，根据进水泵房的进水瞬时流量信号控制提升泵的运行频率，既达到了工艺处理的最佳状态，又可实现节能的效果。以下为控制原理： 电磁流量计→PLC→变频器→提升泵。 对于变频控制在提水泵中的合理应用可以有效的保证水泵的运行稳定，有效的减少了设备的运行电耗，实现了节能减排的效果。本工程提升泵2台采用软起控制工频运行，1台采用变频器控制变频运行；正常情况下，工频运行1台提升泵，根据进水流量变频运行1台提升泵，表3为提升泵采用软起与变频器控制的两种运行工况的电机参数比较。 （下转第188页） 是房间压力的调试。因为要保证一定的送风温差，一次回风和二次回风的比例就要固定。而往往在调整一、二次回风的比例时，各房间已调好的压力就会产生波动。如此就需要反复的调试，调试的工作量会非常大。当然，如果采用定风量送风+变风量回风系统，则不存在这个问题。 4. 过渡季加大新风比 民用的集中空调系统，在过渡季经常采用加大新风比的方式来满足室内的温湿度，非常经济。但是对于医药工业洁净厂房，这种方案并不可取，主要原因有如下几点。 （1）房间压力不能保证医药工业洁净厂房对室房间的压力有非常高的要求，而系统新风比直接影 响房间压力。如果新风比变化就意味着房间压力变化，交叉污染风险会非常大。 （2）如果保证房间压力，则初投资可增加采用定风量送风+变风量回风系统，室内压力可以得到控制，但是阀门的初投资会有很大程度的增加。 （3）如果保证房间压力，运行费用在不会明显减少且能保证房间压力的前提下，过渡季加大新风比制冷，可以在一定程度上减少冷水机组的运行费用。但是现阶段制冷压缩机均可根据室外负荷情况自动加载或卸载，故冷冻水系统运行费用的节省不会很明显。 三、 结语 对于医药工业洁净厂房，尤其是固体制剂车间这样新风比较大的厂房。空调系统的设计不仅需要满足工艺生产的需要、避免交叉污染，还要尽可能考虑节能，为厂家提升经济效益。当然，对于不同的产品特性，空调节能手段的经济效益各有不同。本文通过对几种常用节能手段的可行性分析，希望能为医药工业暖通设计师们提供一个参考。 参考文献 [1]张国鹏.工业厂房暖通空调的节能设计探讨[J].工程建设与设计,2010(08). [2]刘晓东.简述洁净厂房节能方面的实践经验[J],才智,2012(06). （作者单位：上海生特瑞建设有限公司 200335）（上接第183页） 表3 采用变频控制和软起控制水泵电气参数比较 运行工况 电机参数 电压/V 电流/A 频率 -1转速/r·min 功率因数 功率/kW 电机 额定值 380 70 50 1480 0.85 37 2台软起 软起 投入 380 60 50 1480 0.85 32 软起 投入 380 60 50 1480 0.85 32 1台软起+1台变频 软起 变频 投入 投入 380 364 60 40 50 45 1480 1330 0.85 0.93 32 23 对比值 -16 -20 -10 -150 +0.08 -9 优化率 14.1% 由表3可得，在1台变频+1台软起控制的提升泵运行工况下，提升泵房的运行功率大约减少了9 kW，如果以年运行8 000 h来进行计算，提升水泵每年节约的电能数目达到了72 000 kW·h，如果电价按0.55元/ kW·h来计算的话，节约的电费达到了3.96万元，可见节能经济效果的显著。 四、 结语 节能减排是我国努力创新发展的目标，污水处理厂能耗主要的就是电能。污水厂建设面对的难题也在于怎样在保证出水水质达标的情况下，能有效 降低电能的消耗。此文主要以先进的污水处理工艺(CASS工艺)为例，简单扼要阐明了实际工程中主要用电设备容量计算的优化，还有曝气系统以及提升泵的合理的控制，通过这些措施就可以在确保水质达标的情况下，减少对供电设备资源的占用，同时降低电耗，实现了污水处理厂节能的最终目标，并为其实现节能减排、运营优化奠定了坚实的基础。这些措施在诸多工程的建设中值得推广和应用。 参考文献 [1]英莹,李博通.污水处理厂供配电系统设计[J].有利于加快施工进度。 3）外保温可以使建筑更为美观。只要做好建筑立面设计，建筑外貌会十分出色。特别在旧房改造时，外保温能使房屋外貌大为改观。 4）外墙外保温适用范围十分广泛，适用于各种建筑。 5）外保温的综合经济效益很高。外保温比内保温增加了近2%的使用面积，使单位使用面积造价得到降低。加上有节约能源、改善热环境等一系列好处，综合效应十分明显。 三、 结语 节能意义重大，有利于国民经济的发展，有利于环境保护。可以节约社会资源，提高生活水平。节能工程又是一个综合性工程，需要从各方面考虑，包括提高功率因数、选用节能变压器、选用高光通易见。 另外是否有使用淘汰的建筑材料、施工工艺及技术，有条件尽量使用高强及高性能砼，轻骨料砼，高强钢筋，新型砌体材料等；积极提倡使用新技术、新工艺、新材料达到节能减耗的目的，节材技术、节地与地下空间开发技术，结构体系是否经济合理，建筑节能与结构一体化等都是结构设计人员需要考虑的问题，总之，结构节能是建筑节能的主要组成部分。 建筑电气,2010(05). [2]张明达.论污水处理厂的配电、控制及节能增效方案[J].科技致富向导,2010(06). [3]熊伟,陈小宜.关于污水处理厂电气节能措施[J].科技传播,2013(02). [4]曹焕来.污水处理过程自动控制系统的设计与实现[D].华东理工大学,2012(12). （作者单位：福州城建设计研究院有限公司，福州 350001） （上接第185页） 差对外墙的变形影响，这种块板材裂缝是终归要发生的，而且外保温墙体要比内保温墙体控制裂缝发生容易的多。彻底的外墙外保温的做法好比为建筑物的全部结构穿上了一件棉袄，使其完全处于室内的温度环境下。年温差一般波动不大,可以忽略其形变产生的影响。受室外环境温度影响较大的只是外保温的外表面。 （4）外保温优于内保温的其它功能 1）在旧房改造中，外保温尤其可以较少或避免因搬动家具、施工扰民、甚至临时搬迁等造成的诸多麻烦的发生。当外墙必须进行装修或抗震加固时，加做外保温是最经济、最有利的方法。 2）我国目前许多住户在住进新房时，大多先进行装修。采用外保温则可以与室内工程平行作业， 量光源、选用高效灯具等方面。需经过综合比较，设计出最佳方案，从而实现有实际意义的节能，完善外保温技术有效适应市场。如何规范市场、如何尽快实现对外保温工程的验收把关，使外保温事业尽快规范有序发展需要行业的共同努力，也需要政府相关部门的强化管理力度。 参考文献 [1]白胜芳.节约能源保护环境[N].中国建设报(中国建材),2003(108). [2]刘素萍.建筑节能与围护结构[J].工业建筑, 2001(07). （作者单位：浙江金纬房地产开发有限公司，310008） （上接第186页） 化使防水层产生温度拉伸变形，这些都会延缓防水层的老化。同时有了保温层的覆盖，也避免了防水层受穿刺及外力直接损害。因此，倒置式屋面比正铺式屋面防水层的寿命要长好几倍，正铺式屋面防水层一般耐久年限10年的防水层，而倒置式屋面的耐用年限可延长到30～50年。 倒置式屋面与传统保温屋面构造比较。与传统保温屋面构造比较。虽然造价较贵，但优越性显而参考文献 [1]刘培琴,刘淑敏.我国建筑节能现状及发展[J].煤气与热力,2002(03). [2]GB50189 2005,公共建筑节能设计标准[S]. [3]JGJ 26 95,民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)[S]. （作者单位：宁波市鄞州建筑设计院，宁波 315100） 188
