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

      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。《“十四五"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。“十四五"期間，新建、改建和擴建再生水生產能力不少于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網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。

2.1　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 的污水廠數據來看，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。

3.1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，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，在電網負荷較低時加大運行負荷，用電高峰期減少設備運行數量或調低設備運行頻率，將電網用電高峰時段的部分負荷轉移到用電低谷時段，減少電網的峰谷負荷差。這樣可以降低污水廠運行費用，同時實現社會資源的優(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。

3.1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、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，配置能源管理數據服務器和監(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、風機的遠程數據采集和實時監(jiān)控，并對數據進行統(tǒng)計分析，以曲線、棒圖、餅圖、散列等方式呈現給用戶，方便值班人員時刻掌握各工段的運行參數和狀態(tài)，全廠需量、電能及其他重要統(tǒng)計數據，同時預留數據上傳上一級水務系統(tǒng)的通訊接口。

3.3.2網絡通信層

       網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，配置網絡交換機和光電轉換機，構建星型以太雙網，提高網絡傳輸的可靠性通信方式，實現能源管理的主干通信功能。在每個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現場設備層

       現場設備層，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監(jiān)測、電機保護，水池水位、水泵流量、風機風量監(jiān)測，實現水泵、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據，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、產線、班組、工序，計算產品單耗、單位面積能耗或萬元產值能耗，從而計算出能耗總量和單位能耗。

3.4.2能耗數據統(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了工藝能耗中的大多數，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。在儲能環(huán)節(jié)，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(tǒng)提供實時預警，根據其負荷特點，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

       地下污水廠的建設,本著安全可靠、經濟合理 、運行管理的原則，通過合理運用能源管理平臺，利用先進的大數據、云計算等互聯網技術，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。

[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，主要從智慧水務研究發(fā)展。