污水處理廠的電氣能耗分析及節(jié)能降耗實(shí)施方案

張心志

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定  201800

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

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。

2.1　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(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。

3.1設(shè)備選型及優(yōu)化

設(shè)計(jì)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(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(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 1.016 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(fèi)約 100 萬。

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(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欧绞剑瑢?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(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/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(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

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。

[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

張心志，男，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。