我國“十一五”規(guī)劃綱要提出，“十一五”期間單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗降低20％左右，這是一項重要的約束性指標。然而，目前看來，要實現(xiàn)這一節(jié)能減排目標面臨的形勢相當嚴峻。與其他行業(yè)一樣，城市給排水行業(yè)也在采取各種技術(shù)措施節(jié)能降耗。其中，自動化技術(shù)扮演著重要的角色。利用自動化技術(shù)為什么可以實現(xiàn)節(jié)能？哪些自動化系統(tǒng)的節(jié)能效果顯著？這些問題已日益受到業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。本文將對此作一些初步的探討。

 

　　

 

　　1 自動化技術(shù)應(yīng)用對給排水行業(yè)節(jié)能意義重大

 

　　

 

　　1.1給排水系統(tǒng)運行的隨機特性適合于采用自動化技術(shù)節(jié)能

 

　　

 

　　城市的用水量、排水量和排水水質(zhì)受多種因素的影響，是隨機變化的。針對這種特點，為了保證在“高峰”時的服務(wù)水平，城市給排水系統(tǒng)(包括處理廠及管網(wǎng))的工藝往往是依據(jù)靜態(tài)負載(按最大能力)進行設(shè)計。而在運行時，系統(tǒng)則是按動態(tài)負載(即城市的實時需求)運行的?？梢?，系統(tǒng)通常并不是運行在最大能力的工況下。這就會導(dǎo)致“低峰”生產(chǎn)能力過剩，在“高峰”時生產(chǎn)能力又不足。為了減少避免產(chǎn)能不足的情況發(fā)生，在設(shè)計和運行操作時往往會采取足夠甚至是過量的“調(diào)節(jié)和保障”措施，如：設(shè)計時加大調(diào)節(jié)水池和藥劑倉儲，運行時機械式地定時洗池、過量投加藥劑和過量配備操作人員等。顯然，這除了導(dǎo)致初次投資的浪費以外，還造成運行能耗的增加。

 

　　

 

　　對城市給排水系統(tǒng)的運行實施自動控制，從不監(jiān)測或人工監(jiān)測變?yōu)樵诰€監(jiān)測；從人工操作到半自動或全自動操作；從藥劑和能源的定量或不受控制的使用到實時優(yōu)化使用；從藥劑和能源購買的被動狀態(tài)到主動狀態(tài)，就可以準確預(yù)測需求的變化量，減少調(diào)節(jié)的滯后時間，提高調(diào)節(jié)的精確度。從而將整個工藝系統(tǒng)的工作狀態(tài)保持在較好的水平上，減少過量的“調(diào)節(jié)和保障”措施，降低生產(chǎn)能耗。

 

　　

 

　　顯然，針對城市給排水系統(tǒng)的這一隨機特性，可以發(fā)揮自動化技術(shù)的優(yōu)勢，達到降低能耗的目的。上述的“動”“靜”態(tài)負載的“差距”越大，自動化的節(jié)能的效果越明顯。

 

　　

 

　　1.2 城市給排水系統(tǒng)節(jié)能空間巨大

 

　　

 

　　目前，我國城市給排水行業(yè)面臨著重大的挑戰(zhàn)。第一，由于水的污染日益嚴重，迫使處理廠(給水廠及污水廠)采用更多更復(fù)雜的工藝和設(shè)備，以求達到出水標準；第二，隨著城市化進程的發(fā)展，處理水量不斷增加，服務(wù)區(qū)域不斷擴大，導(dǎo)致整個給排水系統(tǒng)的規(guī)模更加龐大和復(fù)雜；第三，政府監(jiān)管的法規(guī)不斷完善，社會對水處理質(zhì)量的期望值不斷上升； 第四，在解決好上述問題的同時，要將成本(主要是能耗)控制在合理的水平上。要應(yīng)付這些挑戰(zhàn)，就必須提高給排水系統(tǒng)及工藝過程的可預(yù)測性和可控制性。顯然，在技術(shù)上，自動化技術(shù)是解決這一問題的有效手段。

 

　　

 

　　據(jù)2006年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國城市年供水總量在450億立方米以上，城鎮(zhèn)生活污水排放量296.6億噸，城市生活污水處理率43.8%，按給水0.3kWh/m3和污水處理0.25kWh/m3計算，年耗電量達168億kWh。可見城市給排水行業(yè)的電能消耗量是巨大的。另一方面，發(fā)達國家自來水自動化系統(tǒng)有良好的效益，投資回報率(ROI)為1-3年，而城市污水處理廠的噸水耗電量是我們的一半。與發(fā)達國家相比，我國在水處理的基本理論、工藝流程和工程設(shè)計等方面并不明顯落后，主要差距體現(xiàn)在運行管理與自動化方面。

 

　　

 

　　可見，我們在城市給排水領(lǐng)域的節(jié)能及其他經(jīng)濟效益方面還有很大的空間。

 

　　

 

　　2  幾類節(jié)能效果明顯的自動化系統(tǒng)

 

　　

 

　　給水系統(tǒng)的能耗高低取決于機泵的效率、輸配水管網(wǎng)的技術(shù)條件以及運行調(diào)度的合理性等三個方面。前兩方面的問題通過設(shè)備的更新可以得到改善，而優(yōu)化調(diào)度則需要自動化技術(shù)的支持。對常規(guī)給水系統(tǒng)而言，送(配)水泵站的電耗約占70%，取水泵站約30%，其他只有2-3%左右(配有長距離引水、深度處理等設(shè)施的系統(tǒng)略有差別)。一方面，送水泵站的能耗最高；另一方面，配水管網(wǎng)運行是相當復(fù)雜的(規(guī)模龐大、多個泵站聯(lián)合供水、用水量隨機變化、年代久遠導(dǎo)致管線阻力管徑變化、暗漏等)，導(dǎo)致管網(wǎng)和泵站的運行調(diào)度比較困難，能量浪費嚴重。目前國內(nèi)通常采用經(jīng)驗調(diào)度方式，為保證水壓而不得已消耗了大量的電能。對此，采用自動化技術(shù)節(jié)能的關(guān)鍵任務(wù)是，建立管網(wǎng)GIS系統(tǒng)、管網(wǎng)動態(tài)水力模型系統(tǒng)和SCADA系統(tǒng)，并進一步研究開發(fā)科學(xué)調(diào)度和經(jīng)濟調(diào)度模式，最終實現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度。這無疑是最重要的節(jié)能措施。以哈爾濱工業(yè)大學(xué)、同濟大學(xué)為代表的國內(nèi)高校對城市供水優(yōu)化調(diào)度模式進行了大量的研究，取得了積極的成果。一些應(yīng)用研究表明，在現(xiàn)有條件下，采用優(yōu)化調(diào)度模式，有2-10%左右的節(jié)能空間。

 

　　

 

　　污水處理的情況略有不同，其收集系統(tǒng)多采用重力流的方式，能量消耗主要發(fā)生在處理工藝環(huán)節(jié)。在我國，采用生物處理工藝的污水處理廠約占80%，在其進水、曝氣、污泥回流和污泥處理四個工藝環(huán)節(jié)中，曝氣是最主要的耗能環(huán)節(jié)，約占50%。然而，由于污水組分和生化反應(yīng)過程的復(fù)雜性(多參數(shù)、非線性、大時滯等)，很難找出精確的模型，故目前大多數(shù)的處理廠只能采用定時、恒DO或風機恒頻等粗放型的曝氣控制方法，導(dǎo)致耗費大量的電能，同時也影響了出水效果(曝氣不足使水質(zhì)不達標，曝氣過量使污泥膨脹)。近年來興起的智能控制技術(shù)則是解決此問題的有效方法。例如，彭永臻等采用SBR法處理石油化工廢水，根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)有機物的去除與DO濃度的相關(guān)性，提出以DO作為SBR法的模糊控制參數(shù)，實現(xiàn)對曝氣量的模糊控制；許繼平等運用模糊PID控制，對SBR污水處理的曝氣量進行控制，實現(xiàn)降低能耗15%。另據(jù)報道，國內(nèi)某10萬噸/日污水廠，通過采用模糊控制、專家系統(tǒng)等智能控制技術(shù)(主要是曝氣控制)，降低電耗43%。

 

　　

 

　　這些例子有力地說明，智能控制是污水處理廠節(jié)能降耗的有效方法。

 

　　

 

　　如上所述，水泵機組和風機是主要的耗能設(shè)備。由于“動”、“靜”態(tài)工況的差距，機組的工作點通常偏離高效區(qū)。據(jù)“城市供水行業(yè)2010年技術(shù)進步發(fā)展規(guī)劃及2020年遠景目標”中“節(jié)能技術(shù)應(yīng)用”專題報告對國內(nèi)12個水廠的調(diào)查結(jié)果，大部分水廠的機組運行情況不佳，有很大的節(jié)能空間。在這種情況下，采用變頻調(diào)速，可以實現(xiàn)既滿足工藝要求、又節(jié)約能耗的目標。例如：東北某65萬m3/d水廠送水泵站配備7臺20LN型水泵，電機功率650kW，其中4臺為定速水泵，3臺為調(diào)速水泵。經(jīng)使用“泵站目標電耗測算軟件”分析，發(fā)現(xiàn)原有工況下年均還有7%的節(jié)電潛力。通過“泵站目標電耗節(jié)能控制系統(tǒng)”實時調(diào)節(jié)運行工況，實際節(jié)能與理論計算相吻合，取得了良好的節(jié)能效果。

 

　　

 

　　在水行業(yè)，一般依據(jù)“調(diào)速裝置費用T”與“因調(diào)速而節(jié)省的電費A”的比值來確定機是否進行調(diào)速改造。當T/A<=2，應(yīng)立即改造；2<T/A<5,應(yīng)限期改造；若T/A>5，應(yīng)通過其他更經(jīng)濟的手段提高運行效率。

 

　　

 

　　當然，對于城市給排水系統(tǒng)的其他工藝環(huán)節(jié)，盡管能耗比例相對較小，但由于處理水量巨大，也有相當?shù)墓?jié)能空間。

 

　　

 

　　3 結(jié)論

 

　　

 

　　綜上所述，可以得到以下結(jié)論：

 

　　

 

　　(1) 城市給排水行業(yè)由于其運行的隨機性特點，存在巨大的節(jié)能空間；

 

　　

 

　　(2) 自動化技術(shù)應(yīng)用，特別是智能控制技術(shù)的應(yīng)用，可以收到良好的節(jié)能效果；

 

　　

 

　　(3) 給水管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)、污水處理廠智能曝氣控制系統(tǒng)的開發(fā)，對節(jié)能降耗意義重大。同時，在其他工藝環(huán)節(jié)方面的節(jié)能，自動化技術(shù)也大有可為。

 

　　

 

　　(4) 在機組工作點經(jīng)常偏離其高效區(qū)的情況下，采用調(diào)速技術(shù)節(jié)能可取得明顯的效果。