摘要：隨著污水處理量的增加和處理標(biāo)準(zhǔn)的提升，我國污水處理設(shè)施的噸水電耗和總電耗逐年上升,。通過污水處理廠調(diào)研,，本文系統(tǒng)研究了各功能單元的能耗分布特征和主要設(shè)備的電耗水平。因此,，有必要從設(shè)備合理選型和優(yōu)化運(yùn)行,、錯(cuò)峰用電的角度，分析了污水廠節(jié)能降耗和降低運(yùn)行成本的途徑,。
關(guān)鍵詞：污水處理程,；地下水廠；能耗分析
1引言
近十幾年來,，我國的城鎮(zhèn)污水處理事業(yè)得到了快速發(fā)展,，城鎮(zhèn)污水排放量不斷增加，處理要求也日趨嚴(yán)格,?！丁笆奈?城鎮(zhèn)污水處理及資源化利用發(fā)展規(guī)劃》指出，2021—2025 年有效緩解我國城鎮(zhèn)污水收集處理設(shè)施發(fā)展不平衡不充分的矛盾,，系統(tǒng)推動(dòng)補(bǔ)短板強(qiáng)弱項(xiàng),，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(shè)施運(yùn)行維護(hù)水平,?！笆奈?期間，新建,、改建和擴(kuò)建再生水生產(chǎn)能力不少于1500 萬立方米/日,。大量污水處理廠的建設(shè)，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(dá)到節(jié)能降耗的目的,。
2 污水處理廠能耗特征研究
2.1 污水處理廠基本信息
為研究我國典型城鎮(zhèn)污水處理廠的能耗水平及 主要電耗分布情況,，筆者對我國不同地區(qū)的具有代表 性的污水處理廠開展實(shí)地調(diào)研。其間挑選 7 座連續(xù)穩(wěn) 定運(yùn)行兩年以上（運(yùn)行不間斷）,、負(fù)荷率不低于 80% 的污水廠,，并進(jìn)行分區(qū)用電量監(jiān)測，污水廠基本情況如表 1 所示,。
2.2 污水廠處理單元能耗特征分析
所選 7 座污水廠均執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級 A 出水標(biāo)準(zhǔn),， 根據(jù)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(qū),，分別安裝 電量統(tǒng)計(jì)裝置，進(jìn)行為期 1 年的電耗記錄,。 污水廠噸水電耗和各功能分區(qū)電耗占比如圖 2 所示,。由圖可知，所選污水廠 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 的污水廠數(shù)據(jù)來看,，噸水電耗與處理規(guī)模 相關(guān)性明顯，處理規(guī)模 5 萬 m3 /d 的 E 廠噸水電耗為 0.43 kW·h/m3 ,，大于 10 萬 m3 /d 的污水廠噸水電耗低于 0.3 kW·h/m3 ,，處理規(guī)模越大，電耗相對越低,。各污水 廠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%,，部分廠再生水用電占比超過 5%
圖 2? 污水廠電耗及分布情況
本次選擇具有代表性的 A 廠全流程主要設(shè)備的用電情況進(jìn)行為期1年的計(jì)量統(tǒng)計(jì),，系統(tǒng)分析各設(shè)備的耗電量,。一級處理段主要耗電設(shè)備為進(jìn)水提升泵,，二級處理主要為風(fēng)機(jī)、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(jī)，再生水段 為提升泵,。 對 A 廠各單元和設(shè)備電耗的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,，二級處理單元和污水提升能耗較大，占整個(gè)污水處理廠總能能耗80%左右,。一級處理電耗比例達(dá)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(jī),、攪拌器和內(nèi)外回流泵上,，其中，鼓風(fēng)機(jī)占該單元電耗的 59%,，占全廠工藝總電耗的 43%,。全廠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(jié)能降耗的重點(diǎn)設(shè)備為風(fēng)機(jī)和提升泵。
3.節(jié)能降耗途徑分析
3.1設(shè)備選型及優(yōu)化
設(shè)計(jì)時(shí)為保證較大流量需求,，我國大多數(shù)城鎮(zhèn)污水處理廠（尤其是建設(shè)年代較早的污水處理廠）普遍存在設(shè)備選型過大,、配置單一、恒速運(yùn)行等配置不合理問題,。因此,，提高設(shè)備配置水平，合理進(jìn)行設(shè)備選型是污水廠降低能耗的關(guān)鍵所在,。
3.2 錯(cuò)峰用電
為緩解我國城市用電高峰時(shí)段負(fù)荷過高,、電網(wǎng)峰谷時(shí)段負(fù)荷差較大等電力供應(yīng)緊張的情況，國家出臺了相關(guān)政策,，各省市根據(jù)不同時(shí)間段的用電負(fù)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(fèi)標(biāo)準(zhǔn)依次降低。在對城鎮(zhèn)污水處理廠進(jìn)行調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn),，部分污水廠在保證出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的前提下,，通過合理控制,，在電網(wǎng)負(fù)荷較低時(shí)加大運(yùn)行負(fù)荷，用電高峰期減少設(shè)備運(yùn)行數(shù)量或調(diào)低設(shè)備運(yùn)行頻率,，將電網(wǎng)用電高峰時(shí)段的部分負(fù)荷轉(zhuǎn)移到用電低谷時(shí)段,，減少電網(wǎng)的峰谷負(fù)荷差。這樣可以降低污水廠運(yùn)行費(fèi)用,，同時(shí)實(shí)現(xiàn)社會(huì)資源的優(yōu)化配置,。下面以 X 污水廠為例進(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廠峰平谷用電情況
X 廠設(shè)計(jì)規(guī)模為 20 萬 m3 /d,，水量變化系數(shù)設(shè)計(jì) 值為 1.3，運(yùn)行負(fù)荷為 80%,，處理工藝為氧化溝工藝,， 出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》 （GB 18918—2002）一級 A 排放標(biāo)準(zhǔn)，平均噸水電耗 為 0.24 kW·h/m3,。X 廠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(wěn)定,，月 均為 40 萬 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(jù)該廠所在 城市的電費(fèi)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，大工業(yè)用電電費(fèi)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 廠通過錯(cuò)峰用電,，每年可節(jié)省電費(fèi)約 100 萬,。
3 安科瑞電氣針對水廠用電推出能效管理解決方案--AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺
3.1平臺概述
安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計(jì)算到能效管理平臺的產(chǎn)品生態(tài)體系,，AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺通過在污水廠源,、網(wǎng)、荷,、儲,、充的各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)安裝保護(hù)、監(jiān)測,、分析,、治理裝置,，用于監(jiān)測污水廠能耗總量和能耗強(qiáng)度，重點(diǎn)監(jiān)測主要用能設(shè)備能效,，保護(hù)污水廠運(yùn)行安全可靠，提高污水廠能效,，為污水處理的能效管理提供科學(xué),、精細(xì)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(tǒng)由變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng),、電力監(jiān)控及能效管理系統(tǒng)組成,，涵蓋了水務(wù)中壓變配電系統(tǒng)、電氣安全,、應(yīng)急電源,、能源管理、照明控制,、設(shè)備運(yùn)維等,，貫穿水務(wù)能源流的始終，幫助運(yùn)維管理人員通過一套平臺,、一個(gè)APP實(shí)時(shí)了解水務(wù)配電系統(tǒng)運(yùn)行狀況,，并且根據(jù)權(quán)限可以適用于水務(wù)后勤部門管理需要。
3.3 平臺拓?fù)鋱D
3.3.1監(jiān)控管理層
監(jiān)控管理層設(shè)置在綜合能源管理中心,，配置能源管理數(shù)據(jù)服務(wù)器和監(jiān)控主機(jī),，通過水務(wù)綜合能效管理系統(tǒng)，完成對廠區(qū)配電系統(tǒng),、主要用能設(shè)備如電機(jī),、風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,，以曲線,、棒圖、餅圖,、散列等方式呈現(xiàn)給用戶,，方便值班人員時(shí)刻掌握各工段的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)，全廠需量,、電能及其他重要統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),，同時(shí)預(yù)留數(shù)據(jù)上傳上一級水務(wù)系統(tǒng)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變電所,、水泵站,、工藝車間敷設(shè)光纜，配置網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和光電轉(zhuǎn)換機(jī),，構(gòu)建星型以太雙網(wǎng),，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃酝ㄐ欧绞?，?shí)現(xiàn)能源管理的主干通信功能。在每個(gè)站配置數(shù)據(jù)采集箱和通訊管理機(jī),，采集能源中心,，污水泵站、曝氣生物處理,、污泥泵站的用電數(shù)據(jù),、開關(guān)狀態(tài)，采集各PLC控制盤監(jiān)控的水泵,、風(fēng)機(jī)等設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài),，如風(fēng)機(jī)水泵的啟停、運(yùn)行時(shí)間以及水泵壓力,、流量,、風(fēng)機(jī)氣壓以及曝氣系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及水池水位等。
3.3.3現(xiàn)場設(shè)備層
現(xiàn)場設(shè)備層,，由分散安裝在用戶站,、污水泵站、曝氣生物處理,、污泥泵站內(nèi)的繼電保護(hù),、多功能電表、電動(dòng)機(jī)保護(hù)器,、溫度傳感器,、火災(zāi)探測器、水池水位計(jì),、壓力表,、流量計(jì)、以及各PLC控制柜等組成,，完成配電回路的電參數(shù)監(jiān)測,、電機(jī)保護(hù)，水池水位,、水泵流量,、風(fēng)機(jī)風(fēng)量監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)水泵,、風(fēng)機(jī)的自動(dòng)/手動(dòng)運(yùn)行控制,。
3.4 平臺功能
本平臺包含了電力監(jiān)控子系統(tǒng)，能耗分析子系統(tǒng),，智能照明子系統(tǒng),，電能質(zhì)量監(jiān)測和提升子系統(tǒng)，電氣火災(zāi)監(jiān)測子系統(tǒng)，消防電源監(jiān)控子系統(tǒng),，防火門監(jiān)控子系統(tǒng),，消防應(yīng)急照明和疏散指示子系統(tǒng) ，工藝監(jiān)控,，視頻監(jiān)控等子系統(tǒng),，下面介紹安科瑞能耗管理系統(tǒng)以及硬件選型。
圖2 AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺主接線圖
3.4.1 能耗分析子系統(tǒng)
AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺通過搭建計(jì)量體系,，采集污水處理廠能源數(shù)據(jù),，顯示污水處理廠的能源流向和能源損耗，通過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(qū)域幫助其了解各工藝環(huán)節(jié)能源消耗量,，并且可細(xì)化到樓層,、車間,、產(chǎn)線、班組,、工序,，計(jì)算產(chǎn)品單耗、單位面積能耗或萬元產(chǎn)值能耗,，從而計(jì)算出能耗總量和單位能耗,。
3.4.2能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)
采集工廠工藝用電、廠務(wù)用電等消耗量,，同環(huán)比對比分析,，能耗總量和能耗強(qiáng)度計(jì)算，標(biāo)煤計(jì)算和CO2排放統(tǒng)計(jì)趨勢,。
3.4.3提升主要用能設(shè)備能效
污水處理廠中有著大量的電機(jī),、水泵，其中污水提升泵和鼓風(fēng)曝氣能耗占據(jù)了工藝能耗中的大多數(shù),，平臺針對這些工藝設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測分析,，工藝之間橫向比較，尋找具有調(diào)控潛力的用電設(shè)備,、工藝單元,，幫助用戶發(fā)現(xiàn)其能效提升空間并提供解決方案，找到較好的運(yùn)行區(qū)域,，顯著降低能源消耗
3.4.4優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)
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(yùn)行監(jiān)測和發(fā)電日/月/年/累計(jì)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(jié)，平臺接入BMS和PCS數(shù)據(jù)，支持充放電配置策略,，并對電池管理系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)預(yù)警,，根據(jù)其負(fù)荷特點(diǎn)，削峰填谷,，充分使用新能源,，降低污水廠碳排放。
3.4.5典型硬件
4 小結(jié)
地下污水廠的建設(shè),本著安全可靠,、經(jīng)濟(jì)合理 ,、運(yùn)行管理的原則，通過合理運(yùn)用能源管理平臺,，利用先進(jìn)的大數(shù)據(jù),、云計(jì)算等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠提高污水廠的供電可靠性,，找到節(jié)能降耗的實(shí)際方案,，深入能耗分析，發(fā)掘節(jié)能潛力,，為管理者提供準(zhǔn)確化的管理手段,，提高污水處理廠的能耗管理水平。
參考文獻(xiàn)
[1] 范波,，顏秀勤,，夏瓊瓊.污水處理廠節(jié)能降耗途徑分析。2020 年 1 月
[2] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)用手冊.2022.05版
作者簡介
柏為為,，現(xiàn)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。
