污水處理廠(chǎng)的電氣能耗分析及節能降耗實(shí)施方案

摘要：隨著(zhù)污水處理量的增加和處理標準的提升，我國污水處理設施的噸水電耗和總電耗逐年上升。通過(guò)污水處理廠(chǎng)調研，本文系統研究了各功能單元的能耗分布特征和主要設備的電耗水平。因此，有必要從設備合理選型和優(yōu)化運行、錯峰用電的角度，分析了污水廠(chǎng)節能降耗和降低運行成本的途徑。

關(guān)鍵詞：污水處理程；地下水廠(chǎng)；能耗分析

      近十幾年來(lái)，我國的城鎮污水處理事業(yè)得到了快速發(fā)展，城鎮污水排放量不斷增加，處理要求也日趨嚴格?！丁笆奈?城鎮污水處理及資源化利用發(fā)展規劃》指出，2021—2025 年有效緩解我國城鎮污水收集處理設施發(fā)展不平衡不充分的矛盾，系統推動(dòng)補短板強弱項，提升污水收集處理效能，加快推進(jìn)污水資源化利用，提高設施運行維護水平?！笆奈?期間，新建、改建和擴建再生水生產(chǎn)能力不少于1500 萬(wàn)立方米/日。大量污水處理廠(chǎng)的建設，降低了污染物的排放，改善了水環(huán)境，同時(shí)污水處理是高能耗產(chǎn)業(yè),這給能源消耗增加了壓力，因此需要建立一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的能效管理平臺進(jìn)行能源管理達到節能降耗的目的。

2.1　污水處理廠(chǎng)基本信息

         為研究我國典型城鎮污水處理廠(chǎng)的能耗水平及 主要電耗分布情況，筆者對我國不同地區的具有代表 性的污水處理廠(chǎng)開(kāi)展實(shí)地調研。其間挑選 7 座連續穩 定運行兩年以上（運行不間斷）、負荷率不低于 80% 的污水廠(chǎng)，并進(jìn)行分區用電量監測，污水廠(chǎng)基本情況如表 1 所示。 

 

 

2.2　污水廠(chǎng)處理單元能耗特征分析

        所選 7 座污水廠(chǎng)均執行《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級 A 出水標準， 根據工藝流程，可以劃分為一級處理、二級處理、深 度處理、污泥處理、再生水 5 個(gè)功能分區，分別安裝 電量統計裝置，進(jìn)行為期 1 年的電耗記錄。 污水廠(chǎng)噸水電耗和各功能分區電耗占比如圖 2 所示。由圖可知，所選污水廠(chǎng) 2017 年的噸水電耗 平均值保持在 0.2 ～ 0.45 kW·h/m3 。從五座處理工 藝為 A2O 的污水廠(chǎng)數據來(lái)看，噸水電耗與處理規模 相關(guān)性明顯，處理規模 5 萬(wàn) m3 /d 的 E 廠(chǎng)噸水電耗為 0.43 kW·h/m3 ，大于 10 萬(wàn) m3 /d 的污水廠(chǎng)噸水電耗低于 0.3 kW·h/m3 ，處理規模越大，電耗相對越低。各污水 廠(chǎng)二級處理段的能耗較大，占總電耗的 50% ～ 65%， 其次為一級處理和深度處理段，平均占比分別為 19% 和 16%，部分廠(chǎng)再生水用電占比超過(guò) 5%

圖 2? 污水廠(chǎng)電耗及分布情況

 

     本次選擇具有代表性的 A 廠(chǎng)全流程主要設備的用電情況進(jìn)行為期1年的計量統計，系統分析各設備的耗電量。一級處理段主要耗電設備為進(jìn)水提升泵，二級處理主要為風(fēng)機、推進(jìn)器和回流泵，深度處理段為二次提升泵，污泥處理段為污泥脫水機，再生水段 為提升泵。 對 A 廠(chǎng)各單元和設備電耗的統計結果表明，二級處理單元和污水提升能耗較大，占整個(gè)污水處理廠(chǎng)總能能耗80%左右。一級處理電耗比例達到20%，其中進(jìn)水提升泵電耗占該單元電耗的 85%；二級處理單元的能耗主要集中在鼓風(fēng)機、攪拌器和內外回流泵上，其中，鼓風(fēng)機占該單元電耗的 59%，占全廠(chǎng)工藝總電耗的 43%。全廠(chǎng)較大的能耗處理單元為生物處理段、進(jìn)水泵房、二次提升泵房，節能降耗的重點(diǎn)設備為風(fēng)機和提升泵。

3.1設備選型及優(yōu)化

      設計時(shí)為保證較大流量需求，我國大多數城鎮污水處理廠(chǎng)（尤其是建設年代較早的污水處理廠(chǎng)）普遍存在設備選型過(guò)大、配置單一、恒速運行等配置不合理問(wèn)題。因此，提高設備配置水平，合理進(jìn)行設備選型是污水廠(chǎng)降低能耗的關(guān)鍵所在。

3.2 錯峰用電

       為緩解我國城市用電高峰時(shí)段負荷過(guò)高、電網(wǎng)峰谷時(shí)段負荷差較大等電力供應緊張的情況，國家出臺了相關(guān)政策，各省市根據不同時(shí)間段的用電負荷情況制定了不同的電價(jià)，如峰、平、谷三檔電價(jià)和尖、峰、平、谷四檔電價(jià)，收費標準依次降低。在對城鎮污水處理廠(chǎng)進(jìn)行調研時(shí)發(fā)現，部分污水廠(chǎng)在保證出水穩定達標的前提下，通過(guò)合理控制，在電網(wǎng)負荷較低時(shí)加大運行負荷，用電高峰期減少設備運行數量或調低設備運行頻率，將電網(wǎng)用電高峰時(shí)段的部分負荷轉移到用電低谷時(shí)段，減少電網(wǎng)的峰谷負荷差。這樣可以降低污水廠(chǎng)運行費用，同時(shí)實(shí)現社會(huì )資源的優(yōu)化配置。下面以 X 污水廠(chǎng)為例進(jìn)行分析，其峰平谷用電量及分布情況如圖 3 所示。

 

圖3  某X廠(chǎng)峰平谷用電情況

X 廠(chǎng)設計規模為 20 萬(wàn) m3 /d，水量變化系數設計 值為 1.3，運行負荷為 80%，處理工藝為氧化溝工藝， 出水水質(zhì)執行《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》 （GB 18918—2002）一級 A 排放標準，平均噸水電耗 為 0.24 kW·h/m3。X 廠(chǎng)所在城市峰平谷三個(gè)時(shí)段分別 為 8 h，從圖 3 可以看出，峰期用電量較為穩定，月 均為 40 萬(wàn) kW·h 左右，占總用電量的 25.7%，比重較少；平期用電量均衡，占總電量的 30.6%；而主要 電耗集中在谷期，占總電量的 43.7%。根據該廠(chǎng)所在 城市的電費收費標準，大工業(yè)用電電費峰值為 1.016 7 元 /（kW·h） （6-8 月為 1.078 8 元 /（kW·h））， 平值為0.675 元 /（kW·h），谷值為0.420 3 元 /（kW·h）， X 廠(chǎng)通過(guò)錯峰用電，每年可節省電費約 100 萬(wàn)。

3.1平臺概述

 

        安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計算到能效管理平臺的產(chǎn)品生態(tài)體系，AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺通過(guò)在污水廠(chǎng)源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個(gè)關(guān)鍵節點(diǎn)安裝保護、監測、分析、治理裝置，用于監測污水廠(chǎng)能耗總量和能耗強度，重點(diǎn)監測主要用能設備能效，保護污水廠(chǎng)運行安全可靠，提高污水廠(chǎng)能效，為污水處理的能效管理提供科學(xué)、精細的解決方案。

圖1 AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺

3.2 平臺組成

       AcrelEMS智慧水務(wù)綜合能效管理系統由變電站綜合自動(dòng)化系統、電力監控及能效管理系統組成，涵蓋了水務(wù)中壓變配電系統、電氣安全、應急電源、能源管理、照明控制、設備運維等，貫穿水務(wù)能源流的始終，幫助運維管理人員通過(guò)一套平臺、一個(gè)APP實(shí)時(shí)了解水務(wù)配電系統運行狀況，并且根據權限可以適用于水務(wù)后勤部門(mén)管理需要。

3.3 平臺拓撲圖

3.3.1監控管理層

       監控管理層設置在綜合能源管理中心，配置能源管理數據服務(wù)器和監控主機，通過(guò)水務(wù)綜合能效管理系統，完成對廠(chǎng)區配電系統、主要用能設備如電機、風(fēng)機的遠程數據采集和實(shí)時(shí)監控，并對數據進(jìn)行統計分析，以曲線(xiàn)、棒圖、餅圖、散列等方式呈現給用戶(hù)，方便值班人員時(shí)刻掌握各工段的運行參數和狀態(tài)，全廠(chǎng)需量、電能及其他重要統計數據，同時(shí)預留數據上傳上一級水務(wù)系統的通訊接口。

3.3.2網(wǎng)絡(luò )通信層

       網(wǎng)絡(luò )通訊層從能源中心到用戶(hù)變電所、水泵站、工藝車(chē)間敷設光纜，配置網(wǎng)絡(luò )交換機和光電轉換機，構建星型以太雙網(wǎng)，提高網(wǎng)絡(luò )傳輸的可靠性通信方式，實(shí)現能源管理的主干通信功能。在每個(gè)站配置數據采集箱和通訊管理機，采集能源中心，污水泵站、曝氣生物處理、污泥泵站的用電數據、開(kāi)關(guān)狀態(tài)，采集各PLC控制盤(pán)監控的水泵、風(fēng)機等設備運行參數和狀態(tài)，如風(fēng)機水泵的啟停、運行時(shí)間以及水泵壓力、流量、風(fēng)機氣壓以及曝氣系統的工作狀態(tài)以及水池水位等。

3.3.3現場(chǎng)設備層

       現場(chǎng)設備層，由分散安裝在用戶(hù)站、污水泵站、曝氣生物處理、污泥泵站內的繼電保護、多功能電表、電動(dòng)機保護器、溫度傳感器、火災探測器、水池水位計、壓力表、流量計、以及各PLC控制柜等組成，完成配電回路的電參數監測、電機保護，水池水位、水泵流量、風(fēng)機風(fēng)量監測，實(shí)現水泵、風(fēng)機的自動(dòng)/手動(dòng)運行控制。

 

3.4 平臺功能

 

      本平臺包含了電力監控子系統，能耗分析子系統，智能照明子系統，電能質(zhì)量監測和提升子系統，電氣火災監測子系統，消防電源監控子系統，防火門(mén)監控子系統，消防應急照明和疏散指示子系統 ，工藝監控，視頻監控等子系統，下面介紹安科瑞能耗管理系統以及硬件選型。

圖2  AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺主接線(xiàn)圖

3.4.1 能耗分析子系統

        AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺通過(guò)搭建計量體系，采集污水處理廠(chǎng)能源數據，顯示污水處理廠(chǎng)的能源流向和能源損耗，通過(guò)能源流向圖幫助其分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區域幫助其了解各工藝環(huán)節能源消耗量，并且可細化到樓層、車(chē)間、產(chǎn)線(xiàn)、班組、工序，計算產(chǎn)品單耗、單位面積能耗或萬(wàn)元產(chǎn)值能耗，從而計算出能耗總量和單位能耗。

3.4.2能耗數據統計

       采集工廠(chǎng)工藝用電、廠(chǎng)務(wù)用電等消耗量，同環(huán)比對比分析，能耗總量和能耗強度計算，標煤計算和CO2排放統計趨勢。

3.4.3提升主要用能設備能效

       污水處理廠(chǎng)中有著(zhù)大量的電機、水泵，其中污水提升泵和鼓風(fēng)曝氣能耗占據了工藝能耗中的大多數，平臺針對這些工藝設備進(jìn)行監測分析，工藝之間橫向比較，尋找具有調控潛力的用電設備、工藝單元，幫助用戶(hù)發(fā)現其能效提升空間并提供解決方案，找到較好的運行區域，顯著(zhù)降低能源消耗

3.4.4優(yōu)化能源結構

       AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺支持接入分布式光伏電站以及風(fēng)力發(fā)電站，為企業(yè)提供分布式電站運行監測和發(fā)電日/月/年/累計收益和減排分析，支持自發(fā)自用、余電上網(wǎng)。在儲能環(huán)節，平臺接入BMS和PCS數據，支持充放電配置策略，并對電池管理系統提供實(shí)時(shí)預警，根據其負荷特點(diǎn)，削峰填谷，充分使用新能源，降低污水廠(chǎng)碳排放。

3.4.5典型硬件

       地下污水廠(chǎng)的建設,本著(zhù)安全可靠、經(jīng)濟合理 、運行管理的原則，通過(guò)合理運用能源管理平臺，利用先進(jìn)的大數據、云計算等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠提高污水廠(chǎng)的供電可靠性，找到節能降耗的實(shí)際方案，深入能耗分析，發(fā)掘節能潛力，為管理者提供準確化的管理手段，提高污水處理廠(chǎng)的能耗管理水平。

[1] 范波，顏秀勤，夏瓊瓊.污水處理廠(chǎng)節能降耗途徑分析。2020 年 1 月

[2] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計應用手冊.2022.05版

柏為為，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從智慧水務(wù)研究發(fā)展。