0  前言
    我國“十一五”規劃綱要提出，“十一五”期間單位國內生產總值能耗降低20％左右，這是一項重要的約束性指標。然而，目前看來，要實現這一節能減排目標面臨的形勢相當嚴峻。與其他行業一樣，城市給排水行業也在采取各種技術措施節能降耗。其中，自動化技術扮演著重要的角色。利用自動化技術為什么可以實現節能？哪些自動化系統的節能*？這些問題已日益受到業內人士的關注。本文將對此作一些初步的探討。

1 自動化技術應用對給排水行業節能意義重大
1.1給排水系統運行的隨機特性適合于采用自動化技術節能
    城市的用水量、排水量和排水水質受多種因素的影響，是隨機變化的。針對這種特點，為了保證在“高峰”時的服務水平，城市給排水系統（包括處理廠及管網）的工藝往往是依據靜態負載（按zui大能力）進行設計。而在運行時，系統則是按動態負載（即城市的實時需求）運行的。可見，系統通常并不是運行在zui大能力的工況下。這就會導致“低峰”生產能力過剩，在“高峰”時生產能力又不足。為了減少避免產能不足的情況發生，在設計和運行操作時往往會采取足夠甚至是過量的“調節和保障”措施，如：設計時加大調節水池和藥劑倉儲，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。

    對城市給排水系統的運行實施自動控制，從不監測或人工監測變為在線監測；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化使用；從藥劑和能源購買的被動狀態到主動狀態，就可以準確預測需求的變化量，減少調節的滯后時間，提高調節的度。從而將整個工藝系統的工作狀態保持在較好的水平上，減少過量的“調節和保障”措施，降低生產能耗。

    顯然，針對城市給排水系統的這一隨機特性，可以發揮自動化技術的優勢，達到降低能耗的目的。上述的“動”“靜”態負載的“差距”越大，自動化的節能的效果越明顯。

1.2 城市給排水系統節能空間巨大
    目前，我國城市給排水行業面臨著重大的挑戰。*，由于水的污染日益嚴重，迫使處理廠（給水廠及污水廠）采用更多更復雜的工藝和設備，以求達到出水標準；第二，隨著城市化進程的發展，處理水量不斷增加，服務區域不斷擴大，導致整個給排水系統的規模更加龐大和復雜；第三，政府監管的法規不斷完善，社會對水處理質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。要應付這些挑戰，就必須提高給排水系統及工藝過程的可預測性和可控制性。顯然，在技術上，自動化技術是解決這一問題的有效手段。

    據2006年的統計數據，我國城市年供水總量在450億立方米以上，城鎮生活污水排放量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的電能消耗量是巨大的。另一方面，發達國家自來水自動化系統有良好的效益，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。與發達國家相比，我國在水處理的基本理論、工藝流程和工程設計等方面并不明顯落后，主要差距體現在運行管理與自動化方面。[1][2]可見，我們在城市給排水領域的節能及其他經濟效益方面還有很大的空間。

2  幾類節能效果明顯的自動化系統
    給水系統的能耗高低取決于機泵的效率、輸配水管網的技術條件以及運行調度的合理性等三個方面。前兩方面的問題通過設備的更新可以得到改善，而優化調度則需要自動化技術的支持。對常規給水系統而言，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、深度處理等設施的系統略有差別）。一方面，送水泵站的能耗zui高；另一方面，配水管網運行是相當復雜的（規模龐大、多個泵站聯合供水、用水量隨機變化、年代久遠導致管線阻力管徑變化、暗漏等），導致管網和泵站的運行調度比較困難，能量浪費嚴重。目前國內通常采用經驗調度方式，為保證水壓而不得已消耗了大量的電能。對此，采用自動化技術節能的關鍵任務是，建立管網GIS系統、管網動態水力模型系統和SCADA系統，并進一步研究開發科學調度和經濟調度模式，zui終實現優化調度。這無疑是zui重要的節能措施。以哈爾濱工業大學、同濟大學為代表的國內高校對城市供水優化調度模式進行了大量的研究，取得了積極的成果[3][4]。一些應用研究表明，在現有條件下，采用優化調度模式，有2-10%左右的節能空間[5][6]。

    污水處理的情況略有不同，其收集系統多采用重力流的方式，能量消耗主要發生在處理工藝環節。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節中，曝氣是zui主要的耗能環節，約占50%。然而，由于污水組分和生化反應過程的復雜性（多參數、非線性、大時滯等），很難找出的模型，故目前大多數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（曝氣不足使水質不達標，曝氣過量使污泥膨脹）。近年來興起的智能控制技術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，根據反應器內有機物的去除與DO濃度的相關性，提出以DO作為SBR法的模糊控制參數，實現對曝氣量的模糊控制 [7]；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，實現降低能耗15%。[8]另據報道，國內某10萬噸/日污水廠，通過采用模糊控制、專家系統等智能控制技術（主要是曝氣控制），降低電耗43%。[9]這些例子有力地說明，智能控制是污水處理廠節能降耗的有效方法。

    如上所述，水泵機組和風機是主要的耗能設備。由于“動”、“靜”態工況的差距，機組的工作點通常偏離區。據“城市供水行業2010年技術進步發展規劃及2020年遠景目標”中“節能技術應用”專題報告對國內12個水廠的調查結果，大部分水廠的機組運行情況不佳，有很大的節能空間。[10]在這種情況下，采用變頻調速，可以實現既滿足工藝要求、又節約能耗的目標。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臺為調速水泵。經使用“泵站目標電耗測算軟件”分析，發現原有工況下年均還有7%的節電潛力。通過“泵站目標電耗節能控制系統”實時調節運行工況，實際節能與理論計算相吻合，取得了良好的節能效果。[10]在水行業，一般依據“調速裝置費用T”與“因調速而節省的電費A”的比值來確定機是否進行調速改造。當T/A<=2，應立即改造；2<T/A<5,應限期改造；若T/A>5，應通過其他更經濟的手段提高運行效率。[11]

    當然，對于城市給排水系統的其他工藝環節，盡管能耗比例相對較小，但由于處理水量巨大，也有相當的節能空間。

3 結論
綜上所述，可以得到以下結論：
（1） 城市給排水行業由于其運行的隨機性特點，存在巨大的節能空間；
（2） 自動化技術應用，特別是智能控制技術的應用，可以收到良好的節能效果；
（3） 給水管網優化調度系統、污水處理廠智能曝氣控制系統的開發，對節能降耗意義重大。同時，在其他工藝環節方面的節能，自動化技術也大有可為。
（4） 在機組工作點經常偏離其區的情況下，采用調速技術節能可取得明顯的效果。

參考文獻
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[8]許繼平,劉載文，崔莉鳳. 基于模糊PID控制的污水處理過程DO控制[J].自動化博覽，
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[11]蔣瑞敏，周雅珍. 水泵調速和裝置選型[M]. 城市供水行業2000年技術進步發展規劃456-471.