城市给排水行业节能降耗与自动化技术应用

0  前言
    我国“十一五”规划纲要提出，“十一五”期间单位国内生产总值能耗降低20％左右，这是一项重要的约束性指标。然而，目前看来，要实现这一节能减排目标面临的形势相当严峻。与其他行业一样，城市给排水行业也在采取各种技术措施节能降耗。其中，自动化技术扮演着重要的角色。利用自动化技术为什么可以实现节能？哪些自动化系统的节能*？这些问题已日益受到业内人士的关注。本文将对此作一些初步的探讨。

1 自动化技术应用对给排水行业节能意义重大
1.1给排水系统运行的随机特性适合于采用自动化技术节能
    城市的用水量、排水量和排水水质受多种因素的影响，是随机变化的。针对这种特点，为了保证在“高峰”时的服务水平，城市给排水系统（包括处理厂及管网）的工艺往往是依据静态负载（按zui大能力）进行设计。而在运行时，系统则是按动态负载（即城市的实时需求）运行的。可见，系统通常并不是运行在zui大能力的工况下。这就会导致“低峰”生产能力过剩，在“高峰”时生产能力又不足。为了减少避免产能不足的情况发生，在设计和运行操作时往往会采取足够甚至是过量的“调节和保障”措施，如：设计时加大调节水池和药剂仓储，运行时机械式地定时洗池、过量投加药剂和过量配备操作人员等。显然，这除了导致初次投资的浪费以外，还造成运行能耗的增加。

    对城市给排水系统的运行实施自动控制，从不监测或人工监测变为在线监测；从人工操作到半自动或全自动操作；从药剂和能源的定量或不受控制的使用到实时优化使用；从药剂和能源购买的被动状态到主动状态，就可以准确预测需求的变化量，减少调节的滞后时间，提高调节的度。从而将整个工艺系统的工作状态保持在较好的水平上，减少过量的“调节和保障”措施，降低生产能耗。

    显然，针对城市给排水系统的这一随机特性，可以发挥自动化技术的优势，达到降低能耗的目的。上述的“动”“静”态负载的“差距”越大，自动化的节能的效果越明显。

1.2 城市给排水系统节能空间巨大
    目前，我国城市给排水行业面临着重大的挑战。*，由于水的污染日益严重，迫使处理厂（给水厂及污水厂）采用更多更复杂的工艺和设备，以求达到出水标准；第二，随着城市化进程的发展，处理水量不断增加，服务区域不断扩大，导致整个给排水系统的规模更加庞大和复杂；第三，政府监管的法规不断完善，社会对水处理质量的期望值不断上升； 第四，在解决好上述问题的同时，要将成本（主要是能耗）控制在合理的水平上。要应付这些挑战，就必须提高给排水系统及工艺过程的可预测性和可控制性。显然，在技术上，自动化技术是解决这一问题的有效手段。

    据2006年的统计数据，我国城市年供水总量在450亿立方米以上，城镇生活污水排放量296.6亿吨，城市生活污水处理率43.8%，按给水0.3kWh/m3和污水处理0.25kWh/m3计算，年耗电量达168亿kWh。可见城市给排水行业的电能消耗量是巨大的。另一方面，发达国家自来水自动化系统有良好的效益，率（ROI）为1-3年，而城市污水处理厂的吨水耗电量是我们的一半。与发达国家相比，我国在水处理的基本理论、工艺流程和工程设计等方面并不明显落后，主要差距体现在运行管理与自动化方面。[1][2]可见，我们在城市给排水领域的节能及其他经济效益方面还有很大的空间。

2  几类节能效果明显的自动化系统
    给水系统的能耗高低取决于机泵的效率、输配水管网的技术条件以及运行调度的合理性等三个方面。前两方面的问题通过设备的更新可以得到改善，而优化调度则需要自动化技术的支持。对常规给水系统而言，送（配）水泵站的电耗约占70%，取水泵站约30%，其他只有2-3%左右（配有长距离引水、深度处理等设施的系统略有差别）。一方面，送水泵站的能耗zui高；另一方面，配水管网运行是相当复杂的（规模庞大、多个泵站联合供水、用水量随机变化、年代久远导致管线阻力管径变化、暗漏等），导致管网和泵站的运行调度比较困难，能量浪费严重。目前国内通常采用经验调度方式，为保证水压而不得已消耗了大量的电能。对此，采用自动化技术节能的关键任务是，建立管网GIS系统、管网动态水力模型系统和SCADA系统，并进一步研究开发科学调度和经济调度模式，zui终实现优化调度。这无疑是zui重要的节能措施。以哈尔滨工业大学、同济大学为代表的国内高校对城市供水优化调度模式进行了大量的研究，取得了积极的成果[3][4]。一些应用研究表明，在现有条件下，采用优化调度模式，有2-10%左右的节能空间[5][6]。

    污水处理的情况略有不同，其收集系统多采用重力流的方式，能量消耗主要发生在处理工艺环节。在我国，采用生物处理工艺的污水处理厂约占80%，在其进水、曝气、污泥回流和污泥处理四个工艺环节中，曝气是zui主要的耗能环节，约占50%。然而，由于污水组分和生化反应过程的复杂性（多参数、非线性、大时滞等），很难找出的模型，故目前大多数的处理厂只能采用定时、恒DO或风机恒频等粗放型的曝气控制方法，导致耗费大量的电能，同时也影响了出水效果（曝气不足使水质不达标，曝气过量使污泥膨胀）。近年来兴起的智能控制技术则是解决此问题的有效方法。例如，彭永臻等采用SBR法处理石油化工废水，根据反应器内有机物的去除与DO浓度的相关性，提出以DO作为SBR法的模糊控制参数，实现对曝气量的模糊控制 [7]；许继平等运用模糊PID控制，对SBR污水处理的曝气量进行控制，实现降低能耗15%。[8]另据报道，国内某10万吨/日污水厂，通过采用模糊控制、专家系统等智能控制技术（主要是曝气控制），降低电耗43%。[9]这些例子有力地说明，智能控制是污水处理厂节能降耗的有效方法。

    如上所述，水泵机组和风机是主要的耗能设备。由于“动”、“静”态工况的差距，机组的工作点通常偏离区。据“城市供水行业2010年技术进步发展规划及2020年远景目标”中“节能技术应用”专题报告对国内12个水厂的调查结果，大部分水厂的机组运行情况不佳，有很大的节能空间。[10]在这种情况下，采用变频调速，可以实现既满足工艺要求、又节约能耗的目标。例如：东北某65万m3/d水厂送水泵站配备7台20LN型水泵，电机功率650kW，其中4台为定速水泵，3台为调速水泵。经使用“泵站目标电耗测算软件”分析，发现原有工况下年均还有7%的节电潜力。通过“泵站目标电耗节能控制系统”实时调节运行工况，实际节能与理论计算相吻合，取得了良好的节能效果。[10]在水行业，一般依据“调速装置费用T”与“因调速而节省的电费A”的比值来确定机是否进行调速改造。当T/A<=2，应立即改造；2<T/A<5,应限期改造；若T/A>5，应通过其他更经济的手段提高运行效率。[11]

    当然，对于城市给排水系统的其他工艺环节，尽管能耗比例相对较小，但由于处理水量巨大，也有相当的节能空间。

3 结论
综上所述，可以得到以下结论：
（1） 城市给排水行业由于其运行的随机性特点，存在巨大的节能空间；
（2） 自动化技术应用，特别是智能控制技术的应用，可以收到良好的节能效果；
（3） 给水管网优化调度系统、污水处理厂智能曝气控制系统的开发，对节能降耗意义重大。同时，在其他工艺环节方面的节能，自动化技术也大有可为。
（4） 在机组工作点经常偏离其区的情况下，采用调速技术节能可取得明显的效果。

参考文献
[1]周力尤.给水行业自动化与信息化技术应用现状与发展方向探讨[J].给水排水,2005,41（7）:100-104.
[2]马勇，彭永臻；城市污水处理系统运行及过程控制[M].北京:科学出版社,2007：10
[3]段焕丰，俞国平.改进混和遗传算法优化城市给水系统调度模型[J].同济大学学报（自然科学版），2006,34（3）:377-381.
[4]吕谋，张士乔，赵洪宾. 大规模供水系统直接优化调度方法[J].水利学报，2001, （7）:84-90.
[5]王卫华，安奎进，曲延平 等，在供水系统建立实时监控与水力模拟系统的步骤及投资效益分析[J]，齐鲁石油化工，2006,34（增刊）:1-4.
[6]郭思元. 现代城市给水管网调度系统的研究与开发[J],山西建筑,2005,31（1）:93-94.
[7]曾薇，彭永臻,王淑莹，等.以溶解氧浓度作为SBR法模糊控制参数[J].中国给水排水,2000,16（4）:5-10.
[8]许继平,刘载文，崔莉凤. 基于模糊PID控制的污水处理过程DO控制[J].自动化博览，
[10]刘永康. 节能技术应用[M]. 城市供水行业2010年技术进步发展规划及2020远景目标，408-420.
[11]蒋瑞敏，周雅珍. 水泵调速和装置选型[M]. 城市供水行业2000年技术进步发展规划456-471.