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[摘 要]本文结合某污水处理厂A2O污水处理工艺下所对应的电气自控系统实际情况，分别从变压器节能设计、曝气控制节能设计、以及电气系统节能设计这三个方面入手展开分析与探讨，总结了电气自控节能设计思路的构建框架，望能够引起同行关注与重视。
[关键词]污水处理厂；A2O工艺；电气自控系统；节能设计
中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）47-0266-02
随着现代经济社会的快速发展，各个行业领域发展所面临的能源形势日益严峻，能源危机问题的进一步凸显使得各方工作人员开始思考降低能耗的方式与方法。对于污水处理厂而言，在城市化的建设发展进程当中，污水处理的规模与处理任务更加的艰巨，由此导致其整个处理系统的能耗相当大。而结合相关调查资料来看，电能消耗在污水处理厂运行能耗中所占比例相当大。因此，有必要从电气自控系统的角度入手，研究相应的节能设计措施与方法，以达到降低电气自控系统能耗水平的目的。本文尝试针对该问题展开分析与探讨。
1 工程概况
某污水处理厂整体建设规模为16万m？/d，2期建设，近期工程建设规模为12万m3/d，远期工程建设规模为4万m？/d。污水处理工艺流程为：进水经过预处理后进入二级生物处理环节，然后通过消毒处理，达到符合标准的出水水质。在二级生物处理环节中，应用处理工艺为A2O工艺。该工艺的优势在于：能够同步实现对污水中氮元素以及磷元素的脱除，环境效益与经济效益均表现突出。在该处理工艺下，电气自控系统所涉及到的子部分包括电气系统、曝气控制系统、变压器等多个方面，以上部分都具有相当突出的节能潜力，值得重视。
2 变压器节能设计思路分析
从变压器节能的角度上来说，主要的节能途径为：从源头入手，优选损耗较低的变压器设备，实现对用电设备自身损耗的合理控制。对于变压器而言，其损耗的构成有两个方面：其一为空载损耗，即俗称的铁损，主要是由变压器自身的硅钢片性能以及铁芯制造工艺决定；其二是负载损耗，即变压器损耗的最主要构成部分，会受到变压器运行期间流经电流以及电阻水平的影响。特别是通过对变压器自控系统的节能设计，使自控系统能够无极方式进行调速作业，在满足污水处理工艺各项指标对电机速度控制要求的同时，使工艺流程的运行更加的稳定，设备使用寿命也能够得到有效的提升，工程实际运行规模能够更好的与设计规模相契合，工艺流程相互之间的关系更加的匹配，从而达到提高电气自控系统整体运行稳定性的目的。本污水处理厂在选择比那雅琪的过程当中，采用空载损耗和负载损耗相对比较低的变压器，即节能型铜芯干式变压器。
在本工程中，配电系统共设置两台变压器保持独立分列运行状态，共同负担整个污水处理厂的用电负荷，在其中一台发生故障的情况下由另一台负责主要负荷供电作业。其优势在于：第一，可以降低变压器安装容量；第二，可以确保变压器在负载率附近运行。在平均负载率取值0.6～0.85区间的状态下，变配电占所对应的近期、远期负荷计算结果如下表所示（见表1～2）。
遵循变配电站优化运行的具体要求，在考虑近期、远期工程结合的条件下，变压器的节能设计方案最终确定为：在第一变配电站内设置两台变压器（额定标准为800kVA），第二变电站内同样设置两台变压器（额定标准为800kVA），在满足近期工程运行要求的同时，确保远期电气设备的配电以及安装需求得到满足。
3 曝气控制节能设计思路分析
首先，从污水处理的角度上来说，在整个污水处理厂所对应的电气自控系统当中，涉及到多个类型的DO控制策略，其中应用最为广泛的是建立在溶氧仪反馈信号基础之上的PID控制器。考虑到该反馈信号存在滞后的问题，故而污水处理厂直接应用此类信号难以确保控制性能的理想。因此，在本工程电气自控系统的建设中，引入了基于曝气流量的控制系统，结合A2O处理工艺的运行特点，由空气流量分配、鼓风机调节、以及溶解氧控制这三个方面构成。控制的策略在于：结合污水处理厂A2O工艺处理特点，根据需气模型计算曝气需求量，从而实现对时滞因素影响下的信号波动进行合理控制。在这一思路下，对应的电气自控方案为：在本污水处理厂A2O工艺反应池好氧区间内共设置三个独立廊道，各个廊道所对应的DO取值有所不同，同时，每个廊道均设置有一台独立运行的DO仪，为每根曝气主管配置相应的电动调节阀门以及空气流量计。在曝气控制柜对基础信号进行采集以后，计算得出各个好氧廊道区间的需氧量，配合对鼓风机以及电动调节阀的应用，实现对整个工艺流程的联合控制，并兼顾低能耗的优势，具有理想的节能效果。
其次，从鼓风机控制的角度上来说，本污水处理厂A2O污水处理工艺中对鼓风机的选型为单机高速离心式鼓风机，对应电机功率为315kW，工作电压为10kV。在鼓风机正常运行中，可采取基于导叶或者是基于变频的方式进行调节。虽应用变频调节技术具有良好的节能效果，但从本污水处理工程的实际工况角度上来说，为了确保污水处理的质量稳定，需要确保A2O反应池水位基本处于恒定状态下，因而变频调节下对风压的影响不适用于本工程。同时，从经济性的角度上来说，变频调节需要一次性投入变频装置，初始资金消耗较大，成本回收速度较慢。因此，鼓风机控制方案选择为进口导叶调节模式。结合具体工程特点，在鼓风机出口压力处于恒定状态的条件下，所支持的供气量调节范围可以达到45.0～100.0%，同时本方案还兼顾了结构简单、初始投资少、管理维护方便等方面的优势。结合A2O工艺需求，鼓风机设置总控制柜MCP柜，结合曝气系统中控制柜所输出的压力数据以及需气量水平，对鼓风机的开启台数以及进出口导叶片的开启角度进行灵活调整，达到节能的目的。
4 电气系统节能设计思路分析
首先，从变电站布置的角度上来说，可以遵循“变电站位置尽量靠近负荷中心”的这一基本原则进行优化布置，其目的在于：在提高供电安全性的同时，减少线路损耗，达到节能效果。考虑到本污水处理厂负荷分布的实际情况，将第一变配电站设置于进水泵房与鼓风机房所对应的负荷中心位置，将第二变配电站设置于反冲洗设备间所对应的负荷中心位置。
其次，从无功补偿的角度上来说，本污水处理厂用电设备以异步电动机为主，自然功率需要通过无功补偿的方式满足。由于A2O所对应的电气自控系统负荷相对集中，因而可以优选配电系统的集中补偿方案。这一思路下的节能设计方案为：在第一变配电站0.4kV母线以及10kV母线段设置电容集中自动补偿装置，在第二变配电站0.4kV母线段设置电容集中自动补偿装置。
5 结束语
污水处理厂的电气自控系统节能设计可以从多个方面入手，是一项系统且复杂的工程。立足于污水处理厂A2O污水处理工艺的要求，本文从变压器节能角度、曝气控制系统节能角度、电气系统节能角度以及变频器节能角度这三个方面入手，对电气自控系统的节能设计思路构建展开了分析与探讨，希望能够为后续相关实践工作的开展提供一定的参考与帮助。
参考文献
[1] 杨敏，乔武伟，孙永利等.污水处理厂提标改造前后能耗对比与节能潜力分析[J].给水排水，2012，38（4）：48-50.
[2] 金昌权，汪诚文，曾思育等.污水处理厂能耗特征分析方法與节能途径研究[J].给水排水，2009，35（z1）：270-274.
[3] 郭思元，王浩昌，赵冬泉等.基于稳流节能的污水处理厂进水泵站智能控制方法[J].中国给水排水，2010，26（20）：135-138.
[关键词]污水处理厂；A2O工艺；电气自控系统；节能设计
中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）47-0266-02
随着现代经济社会的快速发展，各个行业领域发展所面临的能源形势日益严峻，能源危机问题的进一步凸显使得各方工作人员开始思考降低能耗的方式与方法。对于污水处理厂而言，在城市化的建设发展进程当中，污水处理的规模与处理任务更加的艰巨，由此导致其整个处理系统的能耗相当大。而结合相关调查资料来看，电能消耗在污水处理厂运行能耗中所占比例相当大。因此，有必要从电气自控系统的角度入手，研究相应的节能设计措施与方法，以达到降低电气自控系统能耗水平的目的。本文尝试针对该问题展开分析与探讨。
1 工程概况
某污水处理厂整体建设规模为16万m？/d，2期建设，近期工程建设规模为12万m3/d，远期工程建设规模为4万m？/d。污水处理工艺流程为：进水经过预处理后进入二级生物处理环节，然后通过消毒处理，达到符合标准的出水水质。在二级生物处理环节中，应用处理工艺为A2O工艺。该工艺的优势在于：能够同步实现对污水中氮元素以及磷元素的脱除，环境效益与经济效益均表现突出。在该处理工艺下，电气自控系统所涉及到的子部分包括电气系统、曝气控制系统、变压器等多个方面，以上部分都具有相当突出的节能潜力，值得重视。
2 变压器节能设计思路分析
从变压器节能的角度上来说，主要的节能途径为：从源头入手，优选损耗较低的变压器设备，实现对用电设备自身损耗的合理控制。对于变压器而言，其损耗的构成有两个方面：其一为空载损耗，即俗称的铁损，主要是由变压器自身的硅钢片性能以及铁芯制造工艺决定；其二是负载损耗，即变压器损耗的最主要构成部分，会受到变压器运行期间流经电流以及电阻水平的影响。特别是通过对变压器自控系统的节能设计，使自控系统能够无极方式进行调速作业，在满足污水处理工艺各项指标对电机速度控制要求的同时，使工艺流程的运行更加的稳定，设备使用寿命也能够得到有效的提升，工程实际运行规模能够更好的与设计规模相契合，工艺流程相互之间的关系更加的匹配，从而达到提高电气自控系统整体运行稳定性的目的。本污水处理厂在选择比那雅琪的过程当中，采用空载损耗和负载损耗相对比较低的变压器，即节能型铜芯干式变压器。
在本工程中，配电系统共设置两台变压器保持独立分列运行状态，共同负担整个污水处理厂的用电负荷，在其中一台发生故障的情况下由另一台负责主要负荷供电作业。其优势在于：第一，可以降低变压器安装容量；第二，可以确保变压器在负载率附近运行。在平均负载率取值0.6～0.85区间的状态下，变配电占所对应的近期、远期负荷计算结果如下表所示（见表1～2）。
遵循变配电站优化运行的具体要求，在考虑近期、远期工程结合的条件下，变压器的节能设计方案最终确定为：在第一变配电站内设置两台变压器（额定标准为800kVA），第二变电站内同样设置两台变压器（额定标准为800kVA），在满足近期工程运行要求的同时，确保远期电气设备的配电以及安装需求得到满足。
3 曝气控制节能设计思路分析
首先，从污水处理的角度上来说，在整个污水处理厂所对应的电气自控系统当中，涉及到多个类型的DO控制策略，其中应用最为广泛的是建立在溶氧仪反馈信号基础之上的PID控制器。考虑到该反馈信号存在滞后的问题，故而污水处理厂直接应用此类信号难以确保控制性能的理想。因此，在本工程电气自控系统的建设中，引入了基于曝气流量的控制系统，结合A2O处理工艺的运行特点，由空气流量分配、鼓风机调节、以及溶解氧控制这三个方面构成。控制的策略在于：结合污水处理厂A2O工艺处理特点，根据需气模型计算曝气需求量，从而实现对时滞因素影响下的信号波动进行合理控制。在这一思路下，对应的电气自控方案为：在本污水处理厂A2O工艺反应池好氧区间内共设置三个独立廊道，各个廊道所对应的DO取值有所不同，同时，每个廊道均设置有一台独立运行的DO仪，为每根曝气主管配置相应的电动调节阀门以及空气流量计。在曝气控制柜对基础信号进行采集以后，计算得出各个好氧廊道区间的需氧量，配合对鼓风机以及电动调节阀的应用，实现对整个工艺流程的联合控制，并兼顾低能耗的优势，具有理想的节能效果。
其次，从鼓风机控制的角度上来说，本污水处理厂A2O污水处理工艺中对鼓风机的选型为单机高速离心式鼓风机，对应电机功率为315kW，工作电压为10kV。在鼓风机正常运行中，可采取基于导叶或者是基于变频的方式进行调节。虽应用变频调节技术具有良好的节能效果，但从本污水处理工程的实际工况角度上来说，为了确保污水处理的质量稳定，需要确保A2O反应池水位基本处于恒定状态下，因而变频调节下对风压的影响不适用于本工程。同时，从经济性的角度上来说，变频调节需要一次性投入变频装置，初始资金消耗较大，成本回收速度较慢。因此，鼓风机控制方案选择为进口导叶调节模式。结合具体工程特点，在鼓风机出口压力处于恒定状态的条件下，所支持的供气量调节范围可以达到45.0～100.0%，同时本方案还兼顾了结构简单、初始投资少、管理维护方便等方面的优势。结合A2O工艺需求，鼓风机设置总控制柜MCP柜，结合曝气系统中控制柜所输出的压力数据以及需气量水平，对鼓风机的开启台数以及进出口导叶片的开启角度进行灵活调整，达到节能的目的。
4 电气系统节能设计思路分析
首先，从变电站布置的角度上来说，可以遵循“变电站位置尽量靠近负荷中心”的这一基本原则进行优化布置，其目的在于：在提高供电安全性的同时，减少线路损耗，达到节能效果。考虑到本污水处理厂负荷分布的实际情况，将第一变配电站设置于进水泵房与鼓风机房所对应的负荷中心位置，将第二变配电站设置于反冲洗设备间所对应的负荷中心位置。
其次，从无功补偿的角度上来说，本污水处理厂用电设备以异步电动机为主，自然功率需要通过无功补偿的方式满足。由于A2O所对应的电气自控系统负荷相对集中，因而可以优选配电系统的集中补偿方案。这一思路下的节能设计方案为：在第一变配电站0.4kV母线以及10kV母线段设置电容集中自动补偿装置，在第二变配电站0.4kV母线段设置电容集中自动补偿装置。
5 结束语
污水处理厂的电气自控系统节能设计可以从多个方面入手，是一项系统且复杂的工程。立足于污水处理厂A2O污水处理工艺的要求，本文从变压器节能角度、曝气控制系统节能角度、电气系统节能角度以及变频器节能角度这三个方面入手，对电气自控系统的节能设计思路构建展开了分析与探讨，希望能够为后续相关实践工作的开展提供一定的参考与帮助。
参考文献
[1] 杨敏，乔武伟，孙永利等.污水处理厂提标改造前后能耗对比与节能潜力分析[J].给水排水，2012，38（4）：48-50.
[2] 金昌权，汪诚文，曾思育等.污水处理厂能耗特征分析方法與节能途径研究[J].给水排水，2009，35（z1）：270-274.
[3] 郭思元，王浩昌，赵冬泉等.基于稳流节能的污水处理厂进水泵站智能控制方法[J].中国给水排水，2010，26（20）：135-138.