污水處理廠的電氣能耗分析及節(jié)能降耗實施方案

    朱鹍
    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奈濉背擎?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奈濉逼陂g,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** 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。 
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    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** 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**過 5%
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    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(nèi)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。
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    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,*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,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。
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    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
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    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(nèi)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),*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。
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    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。
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    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。
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    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
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    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。
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    3.4.5典型硬件
    202212191336451677244.png202212191336451972804.png20221219133645242684.png202212191336452993764.png
    4 小結 
           地下污水廠的建設,本著、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**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
    作者簡介
    朱鹍,女,現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司,主要從事企業(yè)能源管控研究發(fā)展。

    安科瑞電子商務(上海)有限公司專注于變電所運維云平臺,安全用電管理云平臺,環(huán)保用電監(jiān)管云平臺等, 歡迎致電 15000353138

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