安科瑞 耿敏花

1 污水處理廠能耗特征研究

1.1　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個功能分區(qū),，分別安裝 電量統(tǒng)計裝置,，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年的計量統(tǒng)計,，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)計結(jié)果表明,，二級處理單元和污水提升能耗較大,，占整個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,。

2.節(jié)能降耗途徑分析

2.1設(shè)備選型及優(yōu)化

設(shè)計時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)備選型是污水廠降耗的關(guān)鍵所在,。

2.2 錯峰用電

為緩解我國城市用電高峰時段負(fù)荷過高、電網(wǎng)峰谷時段負(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)不同時間段的用電負(fù)荷情況制定了不同的電價，如峰,、平,、谷三檔電價和尖、峰,、平,、谷四檔電價，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)用電高峰時段的部分負(fù)荷轉(zhuǎn)移到用電低谷時段,，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，同時實(shí)現(xiàn)社會資源的優(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)計規(guī)模為 20 萬 m3 /d,，水量變化系數(shù)設(shè)計值為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時段分別為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 1.0167 元 /（kW·h）（6-8 月為 1.0788 元 /（kW·h））,，平值為0.675 元 /（kW·h），谷值為0.4203 元 /（kW·h）,， X 廠通過錯峰用電,，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APP實(shí)時了解水務(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)時監(jiān)控,，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,，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)計數(shù)據(jù)，同時預(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,、電動機(jī)保護(hù)器、溫度傳感器,、火災(zāi)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(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/手動運(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,，計算產(chǎn)品單耗,、單位面積能耗或萬元產(chǎn)值能耗，從而計算出能耗總量和單位能耗,。

3.4.2能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

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)度計算,，標(biāo)煤計算和CO2排放統(tǒng)計趨勢。

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,。