我國(guó)“十一五”規(guī)劃綱要提出，“十一五”期間單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能耗降低20％左右，這是一項(xiàng)重要的約束性指標(biāo)。然而，目前看來(lái)，要實(shí)現(xiàn)這一節(jié)能減排目標(biāo)面臨的形勢(shì)相當(dāng)嚴(yán)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(dòng)化技術(shù)扮演著重要的角色。利用自動(dòng)化技術(shù)為什么可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能？哪些自動(dòng)化系統(tǒng)的節(jié)能效果顯著？這些問(wèn)題已日益受到業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。本文將對(duì)此作一些初步的探討。

 

　　

 

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

 

　　

 

　　1.1給排水系統(tǒng)運(yùn)行的隨機(jī)特性適合于采用自動(dòng)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(jī)變化的。針對(duì)這種特點(diǎn)，為了保證在“高峰”時(shí)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(fù)載(按最大能力)進(jìn)行設(shè)計(jì)。而在運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)則是按動(dòng)態(tài)負(fù)載(即城市的實(shí)時(shí)需求)運(yùn)行的。可見，系統(tǒng)通常并不是運(yùn)行在最大能力的工況下。這就會(huì)導(dǎo)致“低峰”生產(chǎn)能力過(guò)剩，在“高峰”時(shí)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(jì)和運(yùn)行操作時(shí)往往會(huì)采取足夠甚至是過(guò)量的“調(diào)節(jié)和保障”措施，如：設(shè)計(jì)時(shí)加大調(diào)節(jié)水池和藥劑倉(cāng)儲(chǔ)，運(yùn)行時(shí)機(jī)械式地定時(shí)洗池、過(guò)量投加藥劑和過(guò)量配備操作人員等。顯然，這除了導(dǎo)致初次投資的浪費(fèi)以外，還造成運(yùn)行能耗的增加。

 

　　

 

　　對(duì)城市給排水系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)施自動(dòng)控制，從不監(jiān)測(cè)或人工監(jiān)測(cè)變?yōu)樵诰€監(jiān)測(cè)；從人工操作到半自動(dòng)或全自動(dòng)操作；從藥劑和能源的定量或不受控制的使用到實(shí)時(shí)優(yōu)化使用；從藥劑和能源購(gòu)買的被動(dòng)狀態(tài)到主動(dòng)狀態(tài)，就可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)需求的變化量，減少調(diào)節(jié)的滯后時(shí)間，提高調(diào)節(jié)的精確度。從而將整個(gè)工藝系統(tǒng)的工作狀態(tài)保持在較好的水平上，減少過(guò)量的“調(diào)節(jié)和保障”措施，降低生產(chǎn)能耗。

 

　　

 

　　顯然，針對(duì)城市給排水系統(tǒng)的這一隨機(jī)特性，可以發(fā)揮自動(dòng)化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到降低能耗的目的。上述的“動(dòng)”“靜”態(tài)負(fù)載的“差距”越大，自動(dòng)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(guó)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(yán)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(dá)到出水標(biāo)準(zhǔn)；第二，隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展，處理水量不斷增加，服務(wù)區(qū)域不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致整個(gè)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(huì)對(duì)水處理質(zhì)量的期望值不斷上升； 第四，在解決好上述問(wèn)題的同時(shí)，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(guò)程的可預(yù)測(cè)性和可控制性。顯然，在技術(shù)上，自動(dòng)化技術(shù)是解決這一問(wèn)題的有效手段。

 

　　

 

　　據(jù)2006年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國(guó)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(jì)算，年耗電量達(dá)168億kWh?？梢姵鞘薪o排水行業(yè)的電能消耗量是巨大的。另一方面，發(fā)達(dá)國(guó)家自來(lái)水自動(dòng)化系統(tǒng)有良好的效益，投資回報(bào)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(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在水處理的基本理論、工藝流程和工程設(shè)計(jì)等方面并不明顯落后，主要差距體現(xiàn)在運(yùn)行管理與自動(dòng)化方面。

 

　　

 

　　可見，我們?cè)诔鞘薪o排水領(lǐng)域的節(jié)能及其他經(jīng)濟(jì)效益方面還有很大的空間。

 

　　

 

　　2  幾類節(jié)能效果明顯的自動(dòng)化系統(tǒng)

 

　　

 

　　給水系統(tǒng)的能耗高低取決于機(jī)泵的效率、輸配水管網(wǎng)的技術(shù)條件以及運(yùn)行調(diào)度的合理性等三個(gè)方面。前兩方面的問(wèn)題通過(guò)設(shè)備的更新可以得到改善，而優(yōu)化調(diào)度則需要自動(dòng)化技術(shù)的支持。對(duì)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(zhǎng)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(yùn)行是相當(dāng)復(fù)雜的(規(guī)模龐大、多個(gè)泵站聯(lián)合供水、用水量隨機(jī)變化、年代久遠(yuǎn)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(yùn)行調(diào)度比較困難，能量浪費(fèi)嚴(yán)重。目前國(guó)內(nèi)通常采用經(jīng)驗(yàn)調(diào)度方式，為保證水壓而不得已消耗了大量的電能。對(duì)此，采用自動(dòng)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(dòng)態(tài)水力模型系統(tǒng)和SCADA系統(tǒng)，并進(jìn)一步研究開發(fā)科學(xué)調(diào)度和經(jīng)濟(jì)調(diào)度模式，最終實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度。這無(wú)疑是最重要的節(jié)能措施。以哈爾濱工業(yè)大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)為代表的國(guó)內(nèi)高校對(duì)城市供水優(yōu)化調(diào)度模式進(jìn)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(guó)，采用生物處理工藝的污水處理廠約占80%，在其進(jìn)水、曝氣、污泥回流和污泥處理四個(gè)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(guò)程的復(fù)雜性(多參數(shù)、非線性、大時(shí)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(shí)、恒DO或風(fēng)機(jī)恒頻等粗放型的曝氣控制方法，導(dǎo)致耗費(fèi)大量的電能，同時(shí)也影響了出水效果(曝氣不足使水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，曝氣過(guò)量使污泥膨脹)。近年來(lái)興起的智能控制技術(shù)則是解決此問(wèn)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(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)曝氣量的模糊控制；許繼平等運(yùn)用模糊PID控制，對(duì)SBR污水處理的曝氣量進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)降低能耗15%。另?yè)?jù)報(bào)道，國(guó)內(nèi)某10萬(wàn)噸/日污水廠，通過(guò)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(shuō)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(jī)組和風(fēng)機(jī)是主要的耗能設(shè)備。由于“動(dòng)”、“靜”態(tài)工況的差距，機(jī)組的工作點(diǎn)通常偏離高效區(qū)。據(jù)“城市供水行業(yè)2010年技術(shù)進(jìn)步發(fā)展規(guī)劃及2020年遠(yuǎn)景目標(biāo)”中“節(jié)能技術(shù)應(yīng)用”專題報(bào)告對(duì)國(guó)內(nèi)12個(gè)水廠的調(diào)查結(jié)果，大部分水廠的機(jī)組運(yùn)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(shí)現(xiàn)既滿足工藝要求、又節(jié)約能耗的目標(biāo)。例如：東北某65萬(wàn)m3/d水廠送水泵站配備7臺(tái)20LN型水泵，電機(jī)功率650kW，其中4臺(tái)為定速水泵，3臺(tái)為調(diào)速水泵。經(jīng)使用“泵站目標(biāo)電耗測(cè)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(guò)“泵站目標(biāo)電耗節(jié)能控制系統(tǒng)”實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)運(yùn)行工況，實(shí)際節(jié)能與理論計(jì)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(fèi)用T”與“因調(diào)速而節(jié)省的電費(fèi)A”的比值來(lái)確定機(jī)是否進(jìn)行調(diào)速改造。當(dāng)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(guò)其他更經(jīng)濟(jì)的手段提高運(yùn)行效率。

 

　　

 

　　當(dāng)然，對(duì)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(duì)較小，但由于處理水量巨大，也有相當(dāng)?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(yùn)行的隨機(jī)性特點(diǎn)，存在巨大的節(jié)能空間；

 

　　

 

　　(2) 自動(dòng)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(duì)節(jié)能降耗意義重大。同時(shí)，在其他工藝環(huán)節(jié)方面的節(jié)能，自動(dòng)化技術(shù)也大有可為。

 

　　

 

　　(4) 在機(jī)組工作點(diǎn)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。