摘要:隨著(zhù)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(guò)污水處理廠(chǎng)調研,本文系統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(chǎng)節能降耗和降低運行成本的途徑。
關(guān)鍵詞:污水處理程;地下水廠(chǎng);能耗分析
1引言
近十幾年來(lái),我國的城鎮污水處理事業(yè)得到了快速發(fā)展,城鎮污水排放量不斷增加,處理要求也日趨嚴格?!丁笆奈?城鎮污水處理及資源化利用發(fā)展規劃》指出,2021—2025 年有效緩解我國城鎮污水收集處理設施發(fā)展不平衡不充分的矛盾,系統推動(dòng)補短板強弱項,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(wàn)立方米/日。大量污水處理廠(chǎng)的建設,降低了污染物的排放,改善了水環(huán)境,同時(shí)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)行能源管理達到節能降耗的目的。
2 污水處理廠(chǎng)能耗特征研究
2.1 污水處理廠(chǎng)基本信息
為研究我國典型城鎮污水處理廠(chǎng)的能耗水平及 主要電耗分布情況,筆者對我國不同地區的具有代表 性的污水處理廠(chǎng)開(kāi)展實(shí)地調研。其間挑選 7 座連續穩 定運行兩年以上(運行不間斷)、負荷率不低于 80% 的污水廠(chǎng),并進(jìn)行分區用電量監測,污水廠(chǎng)基本情況如表 1 所示。
2.2 污水廠(chǎng)處理單元能耗特征分析
所選 7 座污水廠(chǎng)均執行《城鎮污水處理廠(chǎng)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(gè)功能分區,分別安裝 電量統計裝置,進(jìn)行為期 1 年的電耗記錄。 污水廠(chǎng)噸水電耗和各功能分區電耗占比如圖 2 所示。由圖可知,所選污水廠(chǎng) 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(chǎng)數據來(lái)看,噸水電耗與處理規模 相關(guān)性明顯,處理規模 5 萬(wàn) m3 /d 的 E 廠(chǎng)噸水電耗為 0.43 kW·h/m3 ,大于 10 萬(wàn) m3 /d 的污水廠(chǎng)噸水電耗低于 0.3 kW·h/m3 ,處理規模越大,電耗相對越低。各污水 廠(chǎng)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(chǎng)再生水用電占比超過(guò) 5%
圖 2? 污水廠(chǎng)電耗及分布情況
本次選擇具有代表性的 A 廠(chǎng)全流程主要設備的用電情況進(jìn)行為期1年的計量統計,系統分析各設備的耗電量。一級處理段主要耗電設備為進(jìn)水提升泵,二級處理主要為風(fēng)機、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,再生水段 為提升泵。 對 A 廠(chǎng)各單元和設備電耗的統計結果表明,二級處理單元和污水提升能耗較大,占整個(gè)污水處理廠(chǎng)總能能耗80%左右。一級處理電耗比例達到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、攪拌器和內外回流泵上,其中,鼓風(fēng)機占該單元電耗的 59%,占全廠(chǎng)工藝總電耗的 43%。全廠(chǎng)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,節能降耗的重點(diǎn)設備為風(fēng)機和提升泵。
3.節能降耗途徑分析
3.1設備選型及優(yōu)化
設計時(shí)為保證較大流量需求,我國大多數城鎮污水處理廠(chǎng)(尤其是建設年代較早的污水處理廠(chǎng))普遍存在設備選型過(guò)大、配置單一、恒速運行等配置不合理問(wèn)題。因此,提高設備配置水平,合理進(jìn)行設備選型是污水廠(chǎng)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(shí)段負荷過(guò)高、電網(wǎng)峰谷時(shí)段負荷差較大等電力供應緊張的情況,國家出臺了相關(guān)政策,各省市根據不同時(shí)間段的用電負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),收費標準依次降低。在對城鎮污水處理廠(chǎng)進(jìn)行調研時(shí)發(fā)現,部分污水廠(chǎng)在保證出水穩定達標的前提下,通過(guò)合理控制,在電網(wǎng)負荷較低時(shí)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(wǎng)用電高峰時(shí)段的部分負荷轉移到用電低谷時(shí)段,減少電網(wǎng)的峰谷負荷差。這樣可以降低污水廠(chǎng)運行費用,同時(shí)實(shí)現社會(huì )資源的優(yōu)化配置。下面以 X 污水廠(chǎng)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(chǎng)峰平谷用電情況
X 廠(chǎng)設計規模為 20 萬(wàn) 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(zhì)執行《城鎮污水處理廠(chǎng)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(chǎng)所在城市峰平谷三個(gè)時(shí)段分別 為 8 h,從圖 3 可以看出,峰期用電量較為穩定,月 均為 40 萬(wàn) 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(chǎng)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(chǎng)通過(guò)錯峰用電,每年可節省電費約 100 萬(wàn)。
3 安科瑞電氣針對水廠(chǎng)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(guò)在污水廠(chǎng)源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個(gè)關(guān)鍵節點(diǎn)安裝保護、監測、分析、治理裝置,用于監測污水廠(chǎng)能耗總量和能耗強度,重點(diǎn)監測主要用能設備能效,保護污水廠(chǎng)運行安全可靠,提高污水廠(chǎng)能效,為污水處理的能效管理提供科學(xué)、精細的解決方案。
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)綜合能效管理系統由變電站綜合自動(dòng)化系統、電力監控及能效管理系統組成,涵蓋了水務(wù)中壓變配電系統、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(wù)能源流的始終,幫助運維管理人員通過(guò)一套平臺、一個(gè)APP實(shí)時(shí)了解水務(wù)配電系統運行狀況,并且根據權限可以適用于水務(wù)后勤部門(mén)管理需要。
3.3 平臺拓撲圖
3.3.1監控管理層
監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(wù)器和監控主機,通過(guò)水務(wù)綜合能效管理系統,完成對廠(chǎng)區配電系統、主要用能設備如電機、風(fēng)機的遠程數據采集和實(shí)時(shí)監控,并對數據進(jìn)行統計分析,以曲線(xiàn)、棒圖、餅圖、散列等方式呈現給用戶(hù),方便值班人員時(shí)刻掌握各工段的運行參數和狀態(tài),全廠(chǎng)需量、電能及其他重要統計數據,同時(shí)預留數據上傳上一級水務(wù)系統的通訊接口。
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(hù)變電所、水泵站、工藝車(chē)間敷設光纜,配置網(wǎng)絡(luò )交換機和光電轉換機,構建星型以太雙網(wǎng),提高網(wǎng)絡(luò )傳輸的可靠性通信方式,實(shí)現能源管理的主干通信功能。在每個(gè)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(kāi)關(guān)狀態(tài),采集各PLC控制盤(pán)監控的水泵、風(fēng)機等設備運行參數和狀態(tài),如風(fēng)機水泵的啟停、運行時(shí)間以及水泵壓力、流量、風(fēng)機氣壓以及曝氣系統的工作狀態(tài)以及水池水位等。
3.3.3現場(chǎng)設備層
現場(chǎng)設備層,由分散安裝在用戶(hù)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(dòng)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測、電機保護,水池水位、水泵流量、風(fēng)機風(fēng)量監測,實(shí)現水泵、風(fēng)機的自動(dòng)/手動(dòng)運行控制。
3.4 平臺功能
本平臺包含了電力監控子系統,能耗分析子系統,智能照明子系統,電能質(zhì)量監測和提升子系統,電氣火災監測子系統,消防電源監控子系統,防火門(mén)監控子系統,消防應急照明和疏散指示子系統 ,工藝監控,視頻監控等子系統,下面介紹安科瑞能耗管理系統以及硬件選型。
圖2 AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺主接線(xiàn)圖
3.4.1 能耗分析子系統
AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺通過(guò)搭建計量體系,采集污水處理廠(chǎng)能源數據,顯示污水處理廠(chǎng)的能源流向和能源損耗,通過(guò)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域幫助其了解各工藝環(huán)節能源消耗量,并且可細化到樓層、車(chē)間、產(chǎn)線(xiàn)、班組、工序,計算產(chǎn)品單耗、單位面積能耗或萬(wàn)元產(chǎn)值能耗,從而計算出能耗總量和單位能耗。
3.4.2能耗數據統計
采集工廠(chǎng)工藝用電、廠(chǎng)務(wù)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排放統計趨勢。
3.4.3提升主要用能設備能效
污水處理廠(chǎng)中有著(zhù)大量的電機、水泵,其中污水提升泵和鼓風(fēng)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(jìn)行監測分析,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(hù)發(fā)現其能效提升空間并提供解決方案,找到較好的運行區域,顯著(zhù)降低能源消耗
3.4.4優(yōu)化能源結構
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)提供分布式電站運行監測和發(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,平臺接入BMS和PCS數據,支持充放電配置策略,并對電池管理系統提供實(shí)時(shí)預警,根據其負荷特點(diǎn),削峰填谷,充分使用新能源,降低污水廠(chǎng)碳排放。
3.4.5典型硬件
4 小結
地下污水廠(chǎng)的建設,本著(zhù)安全可靠、經(jīng)濟合理 、運行管理的原則,通過(guò)合理運用能源管理平臺,利用先進(jìn)的大數據、云計算等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),能夠提高污水廠(chǎng)的供電可靠性,找到節能降耗的實(shí)際方案,深入能耗分析,發(fā)掘節能潛力,為管理者提供準確化的管理手段,提高污水處理廠(chǎng)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(chǎng)節能降耗途徑分析。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(jiǎn)介
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(wù)研究發(fā)展。