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污水處理廠的電氣能耗分析及節(jié)能降耗實施方案
閱讀：895 發(fā)布時間：2022-11-3
摘要：隨著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。通過污水處理廠調研,，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,，分析了污水廠節(jié)能降耗和降低運行成本的途徑。
關鍵詞：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)污水收集處理設施發(fā)展不平衡不充分的矛盾，系統(tǒng)推動補短板強弱項,，提升污水收集處理效能,，加快推進污水資源化利用，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 萬立方米/日,。大量污水處理廠的建設，降低了污染物的排放,，改善了水環(huán)境,，同時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)技術的能效管理平臺進行能源管理達到節(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地調研,。其間挑選 7 座連續(xù)穩(wěn) 定運行兩年以上（運行不間斷）,、負荷率不低于 80% 的污水廠,，并進行分區(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準》（GB 18918—2002）一級 A 出水標準,， 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 廠全流程主要設備的用電情況進行為期1年的計量統(tǒng)計，系統(tǒng)分析各設備的耗電量,。一級處理段主要耗電設備為進水提升泵,，二級處理主要為風機、推進器和回流泵,，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 廠各單元和設備電耗的統(tǒng)計結果表明,，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到20%,，其中進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機、攪拌器和內外回流泵上,，其中,，鼓風機占該單元電耗的 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,、進水泵房、二次提升泵房,，節(jié)能降耗的重點設備為風機和提升泵,。
3.節(jié)能降耗途徑分析
3.1設備選型及優(yōu)化
設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（尤其是建設年代較早的污水處理廠）普遍存在設備選型過大,、配置單一,、恒速運行等配置不合理問題。因此,，提高設備配置水平,，合理進行設備選型是污水廠降低能耗的關鍵所在。
3.2 錯峰用電
為緩解我國城市用電高峰時段負荷過高,、電網(wǎng)峰谷時段負荷差較大等電力供應緊張的情況,，國家出臺了相關政策，各省市根據(jù)不同時間段的用電負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,，收費標準依次降低,。在對城鎮(zhèn)污水處理廠進行調研時發(fā)現(xiàn)，部分污水廠在保證出水穩(wěn)定達標的前提下,，通過合理控制,，在電網(wǎng)負荷較低時加大運行負荷，用電高峰期減少設備運行數(shù)量或調低設備運行頻率,，將電網(wǎng)用電高峰時段的部分負荷轉移到用電低谷時段,，減少電網(wǎng)的峰谷負荷差。這樣可以降低污水廠運行費用,，同時實現(xiàn)社會資源的優(yōu)化配置,。下面以 X 污水廠為例進行分析，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 廠設計規(guī)模為 20 萬 m3 /d,，水量變化系數(shù)設計 值為 1.3,，運行負荷為 80%，處理工藝為氧化溝工藝,， 出水水質執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》 （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 廠通過錯峰用電,，每年可節(jié)省電費約 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智慧水務能效管理平臺通過在污水廠源、網(wǎng),、荷、儲,、充的各個關鍵節(jié)點安裝保護,、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度，重點監(jiān)測主要用能設備能效,，保護污水廠運行安全可靠,，提高污水廠能效，為污水處理的能效管理提供科學,、精細的解決方案,。
圖1 AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺
3.2 平臺組成
AcrelEMS智慧水務綜合能效管理系統(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,，涵蓋了水務中壓變配電系統(tǒng),、電氣安全,、應急電源、能源管理,、照明控制,、設備運維等，貫穿水務能源流的始終,，幫助運維管理人員通過一套平臺,、一個APP實時了解水務配電系統(tǒng)運行狀況，并且根據(jù)權限可以適用于水務后勤部門管理需要,。
3.3 平臺拓撲圖
3.3.1監(jiān)控管理層
監(jiān)控管理層設置在綜合能源管理中心,，配置能源管理數(shù)據(jù)服務器和監(jiān)控主機，通過水務綜合能效管理系統(tǒng),，完成對廠區(qū)配電系統(tǒng),、主要用能設備如電機、風機的遠程數(shù)據(jù)采集和實時監(jiān)控,，并對數(shù)據(jù)進行統(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)，同時預留數(shù)據(jù)上傳上一級水務系統(tǒng)的通訊接口,。
3.3.2網(wǎng)絡通信層
網(wǎng)絡通訊層從能源中心到用戶變電所,、水泵站、工藝車間敷設光纜,，配置網(wǎng)絡交換機和光電轉換機,，構建星型以太雙網(wǎng)，提高網(wǎng)絡傳輸?shù)目煽啃酝ㄐ欧绞?，實現(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，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),、開關狀態(tài),，采集各PLC控制盤監(jiān)控的水泵、風機等設備運行參數(shù)和狀態(tài),，如風機水泵的啟停,、運行時間以及水泵壓力,、流量、風機氣壓以及曝氣系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及水池水位等,。
3.3.3現(xiàn)場設備層
現(xiàn)場設備層,，由分散安裝在用戶站、污水泵站,、曝氣生物處理,、污泥泵站內的繼電保護、多功能電表,、電動機保護器,、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(shù)監(jiān)測,、電機保護,，水池水位,、水泵流量,、風機風量監(jiān)測，實現(xiàn)水泵,、風機的自動/手動運行控制。
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),，電能質量監(jiān)測和提升子系統(tǒng)，電氣火災監(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(tǒng)計趨勢。
3.4.3提升主要用能設備能效
污水處理廠中有著大量的電機,、水泵,，其中污水提升泵和鼓風曝氣能耗占據(jù)了工藝能耗中的大多數(shù)，平臺針對這些工藝設備進行監(jiān)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，幫助用戶發(fā)現(xiàn)其能效提升空間并提供解決方案,，找到較好的運行區(qū)域,，顯著降低能源消耗
3.4.4優(yōu)化能源結構
AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺支持接入分布式光伏電站以及風力發(fā)電站，為企業(yè)提供分布式電站運行監(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)提供實時預警，根據(jù)其負荷特點,，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
地下污水廠的建設,本著安全可靠,、經(jīng)濟合理 ,、運行管理的原則,，通過合理運用能源管理平臺,，利用先進的大數(shù)據(jù),、云計算等互聯(lián)網(wǎng)技術，能夠提高污水廠的供電可靠性,，找到節(jié)能降耗的實際方案,，深入能耗分析，發(fā)掘節(jié)能潛力,，為管理者提供準確化的管理手段,，提高污水處理廠的能耗管理水平,。
參考文獻
[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)設計應用手冊.2022.05版