能效管理平臺在污水處理廠(chǎng)電氣節能中的應用

關(guān)鍵詞：污水處理；節能降耗；高耗能

 

??污水處理會(huì )消耗大量能源，急需開(kāi)展節能降耗。污水處理廠(chǎng)的能耗分為兩種，一是直接能耗，二是間接能耗。能量消耗是污水處理過(guò)程中的正常情況，是機器運轉的必然結果。消耗能量的方面有很多，直接消耗和間接消耗也不一樣。直接耗能通常有機械曝氣或風(fēng)鼓曝氣、污水提升泵、回流污泥泵、污泥脫水、攪拌推流等。間接耗能主要包括外加碳源、石灰、活性炭、絮凝劑等物料所消耗的能量。從整體上來(lái)看，我國污水處理中能耗較多的是污水的提水能耗、污水生物處理能耗和污泥處理能耗，三者占了大部分的能耗。其中一半以上是污水生物處理的能耗，其次是污泥處理的能耗，最后是污水的提水能耗。所以，節能降耗是非常必要的。就目前而言，為了使污水處理更有效，人們從水耗、物耗、能耗三個(gè)方面來(lái)實(shí)施節能降耗。

??污水處理需要消耗大量能源，尤其是污水提升、污水和污泥處理。同時(shí)，很多污水處理設備會(huì )消耗大量能源，包括用于抽取的提升泵、風(fēng)力供應的鼓風(fēng)機以及回流泵。在處理污水時(shí)，人們需要輔助使用一些化學(xué)藥品，用來(lái)除磷和污水消毒，以保障水資源的重復使用。綜上來(lái)看，節能減耗主要應當致力于優(yōu)化設備和改良藥劑兩方面。

1.1　污水提升

??提升泵是污水提升的主要設備，提升泵的質(zhì)量關(guān)系到污水提升的效果，提升泵相關(guān)技術(shù)有很大的發(fā)展空間，因此在節能減耗方面也有提升潛力。通過(guò)實(shí)地調查和查閱文獻，筆者發(fā)現，污水處理大部分能耗都來(lái)源于提升泵，如果精細計算提升泵的其他能耗，能源消耗將會(huì )大幅增加。目前，提升泵節能減耗的關(guān)鍵在于控制好出水高度，首先要控制連接管道長(cháng)度，加強其結構的穩定性、緊密性，將能耗降到較低。其次，還要注意提高提升泵的運行效率，從設施上加以改進(jìn)，實(shí)現節能減耗。

1.2　污水預處理

??污水預處理是指污水進(jìn)入正式處理前對污水進(jìn)行簡(jiǎn)單處理。污水預處理的主要設備有格柵和沉砂池。兩者作用不同，隔柵類(lèi)似于柵欄，可以對污水中體積較大的物體進(jìn)行隔離，以防止堵塞污水處理設備，導致其難以正常工作。隔柵在節能減耗環(huán)節中可操作性、可提升性都不算太高，但是它的意義重大，隔柵是否能正常工作對后續節能減耗環(huán)節能否完成具有較大影響。沉砂池的作用是過(guò)濾污水中的泥沙和其他較為細小的顆粒物，它保障了后續設備污水處理的效果不同情況下所需要的沉砂池類(lèi)型也不同，比較常見(jiàn)的有平流式、曝氣式。人們需要根據具體情況來(lái)選擇，有效過(guò)濾污水中的泥沙，使得后續環(huán)節有條不紊地進(jìn)行。平流式沉砂池設備耗能較低，節能降耗效果明顯。

1.3　污水處理

??污水處理是污水處理廠(chǎng)的主要工藝環(huán)節，主要分為兩個(gè)部分，即好氧處理和厭氧處理。好氧污水處理需要利用曝氣系統，曝氣系統可以適當優(yōu)化以實(shí)現節能減耗。首先，設備選取和流程設計更加準確，選擇材料更加細致，減少材料損失。其次，微氣泡空氣控制器材可以對污水處理產(chǎn)生的氣泡進(jìn)行壓縮和消蝕，使氣泡體積變小，從而增大氣體、液體可接觸面積，增強反應效果。再次，可以輔助使用曝氣系統，將其放置于側面，通過(guò)其產(chǎn)生的氣體來(lái)形成漩渦，這也可以加強氣體與液體的接觸。對于污水處理的調節設備，需要采用自動(dòng)調節，發(fā)揮自動(dòng)調節的準確性和及時(shí)性，減少能源浪費。除此之外，合理運用潛水攪拌器也十分必要。

最后，需要控制好變頻調速風(fēng)機，使污水處理更加有效。污水處理節能減耗需要從大方向把關(guān)，嚴格落實(shí)到各個(gè)環(huán)節，需要全面把關(guān)，避免顧此失彼。就國內而言，污水處理相關(guān)節能降耗技術(shù)還不夠成熟，因此具有較好的開(kāi)發(fā)前景，人們要統籌安排，統籌謀劃。

1.4　污泥處理

??污泥處理消耗能量較多，同時(shí)也意味著(zhù)節能減耗空間很大。污泥處理工藝較為復雜，通常有污泥濃縮、穩定和脫水等。污泥濃縮是指將污泥進(jìn)行壓縮整合，從而實(shí)現體積減小、密度增大，實(shí)施方法也有很多種，如重力壓縮、氣浮壓縮、離心方式壓縮。實(shí)踐研究發(fā)現，重力濃縮的能源消耗比較少，但是耗時(shí)較多，濃縮過(guò)程會(huì )產(chǎn)生磷，因此隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展，這種工藝逐步被淘汰。離心濃縮成本較高，目前難以大規模推廣。當前，氣浮濃縮使用范圍較廣，其操作簡(jiǎn)單、節能減耗效果較好，運行效率較高。污泥穩定和脫水是指將濃縮后的污泥加以沉淀，然后通過(guò)相關(guān)設備實(shí)現脫水，將濃縮液變?yōu)楦稍锏牟牧?。其間主要采用厭氧處理，使用厭氧菌對水分進(jìn)行吸收，實(shí)現厭氧消化。厭氧處理需要消耗能源來(lái)保持溫度，同時(shí)利用電能來(lái)維持攪拌運輸。就國內而言，相關(guān)技術(shù)還不夠成熟，因此具有較好的開(kāi)發(fā)前景。污泥處理技術(shù)的創(chuàng )新與改革決定著(zhù)節能減耗的效果，也影響著(zhù)污水處理廠(chǎng)的發(fā)展。

2.1　設備設計使用不合理

??提升泵是污水處理的核心設備，直接影響污水提升效果，污水處理大部分能耗都與提升泵有關(guān)，提升泵節能減耗的關(guān)鍵是控制好出水高度。目前，我國部分污水處理廠(chǎng)提升泵出水高度不合理，造成較大的能源浪費，影響后續流程的節能減耗。隔柵能夠隔離污水中體積較大的物體，防止污水處理設備堵塞而難以正常工作。沉砂池可以過(guò)濾污水中的泥沙，還可以過(guò)濾其他較為細小的顆粒物，以便進(jìn)行后續污水處理。但是，調查發(fā)現，部分污水處理廠(chǎng)隔柵空隙較大同時(shí)沉砂池沉積嚴重，導致污水中的大小顆粒物難以清除，最終影響后續的污水處理。

2.2　缺乏專(zhuān)業(yè)操作人員和監管人員

??污水處理事關(guān)人民群眾的生產(chǎn)生活，但是部分污水處理廠(chǎng)缺乏專(zhuān)業(yè)人員，導致設備操作不合理。同時(shí)，不夠專(zhuān)業(yè)的操作流程勢必會(huì )造成能源消耗過(guò)度和資源浪費，甚至影響污水處理質(zhì)量，造成污水外泄，影響人民群眾的生產(chǎn)生活。另外，污水處理需要兩大監督，一是污水處理廠(chǎng)質(zhì)檢人員監督，二是相關(guān)部門(mén)抽樣檢查。但是，由于種種原因，我國檢查管理制度還不夠健全，導致部分污水處理廠(chǎng)不能按質(zhì)按量完成污水處理。因此，當前急需建立行之有效的污水處理監督管理審查機制。

3.1　改造節能技術(shù)

??污水處理設備的改進(jìn)決定著(zhù)是否能更好地完成節能減耗。具體來(lái)說(shuō)，首先可以從提升泵改進(jìn)開(kāi)始，不合理的提升泵往往會(huì )造成水泵揚程偏高，從而導致水位大多處于大流量、低揚程、低效區的狀態(tài)，使得提升泵所耗費的能量遠遠高于實(shí)際所需能量，造成較大的能源浪費。因此，人們需要改進(jìn)提升泵的變頻技術(shù)，使之更具操作性和可行性，能自如應對不同水位。其次是倒傘曝氣機，該設備主要由主機和葉輪兩大部件組成，葉輪是倒傘曝氣機的主要部件之一，它決定著(zhù)整個(gè)機器的運作。就目前來(lái)說(shuō)，葉輪的創(chuàng )新改造主要是將倒傘曝氣機的螺旋式倒傘改造成翹片式，即用直齒輪代替原先的螺旋式錐齒輪。這樣才能適應不斷提高的標準，更好地處理污水。因此，人們要加強科技創(chuàng )新，提升設備運行效率，實(shí)施節能減耗。

3.2　選擇關(guān)鍵節能設備

??一是泵的選擇。泵對于污水處理非常重要，其主要參數是流速和流量，它們既影響實(shí)際峰值，也影響后續水量變化，不同泵的基本參數不同。因此，要想推進(jìn)節能降耗，首先要選擇規格合適、參數適宜、質(zhì)量?jì)?yōu)良、產(chǎn)品合格的泵，保障運行效率，利用較少的能源實(shí)現污水處理的較大效益，減少能源浪費。二是控制系統的選擇?？刂葡到y影響反饋效果，人們需要選擇合理的控制系統，調整控制數據信息。三是電機的選擇。污水處理廠(chǎng)的電能消耗主要發(fā)生于曝氣系統和提升泵。這些設備利用電機來(lái)工作，因此人們要合理選擇電機，同時(shí)要加強對電機的維護和檢修。關(guān)鍵部分要嚴格采用高質(zhì)量的設備，以減少安全隱患，提高節能降耗效率。

3.3　加強節能降耗管理

??污水處理廠(chǎng)要重視內部管理，實(shí)施科學(xué)化、制度化的管理。一是定期維修相關(guān)設備，應配備專(zhuān)門(mén)的維修檢查人員，定期巡檢，經(jīng)常清洗管道，及時(shí)排查異?，F象，同時(shí)做好記錄，盡快解決。二是加強用電管理，污水處理廠(chǎng)耗電量大，因此為了電路安全，應盡量避開(kāi)用電高峰期。污水處理廠(chǎng)要完善運行體系，及時(shí)排除隱患，保證污水處理設施實(shí)現良好運行。

3.4　加強監督制度管理

??污水處理廠(chǎng)要完善激勵機制，提高員工的工作積極性，對違規員工進(jìn)行處罰，保障企業(yè)管理秩序。此外，還應該加強管理，保障污水處理設備平穩運行。污水處理廠(chǎng)應當配備專(zhuān)門(mén)的監督管理人員和技術(shù)質(zhì)檢人員，監督管理人員要嚴格管控污水處理設備和材料的采購，杜絕購買(mǎi)劣質(zhì)設備和材料，配合有關(guān)部門(mén)例行檢查。技術(shù)質(zhì)檢人員主要職責是對污水處理流程進(jìn)行指導和檢查，防止出現人工失誤，預防安全問(wèn)題，同時(shí)對突發(fā)情況進(jìn)行應急處理。另外，污水處理廠(chǎng)要積極鼓勵員工參與企業(yè)管理，增強內部凝聚力，提高員工積極性，實(shí)現獎懲分明，優(yōu)化企業(yè)管理秩序，保障企業(yè)合理運行。

??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

4.1　保障供電可靠性

??對污水廠(chǎng)配電系統中35kV、10kV電壓等級配置微機保護裝置及多功能儀表進(jìn)行保護和監控，對0.4kV配置多功能計量?jì)x表，用于監測各回路的電氣參數和用能情況，可實(shí)時(shí)監控高低壓供配電系統開(kāi)關(guān)柜、變壓器微機保護測控裝置、發(fā)電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。

??污水廠(chǎng)存在大量的非線(xiàn)性負載，通過(guò)監測其配電系統的諧波畸變、電壓波動(dòng)、閃變和容忍度指標分析其電能質(zhì)量，并配置對應的電能質(zhì)量治理措施進(jìn)一步提高供電可靠性。

圖2  AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺主接線(xiàn)圖

 

4.2　電能質(zhì)量監測與治理

 

??監測污水廠(chǎng)配電系統的諧波畸變、電壓波動(dòng)、閃變和容忍度指標分析其電能質(zhì)量，監測配置電能質(zhì)量治理裝置保障穩定生產(chǎn)。

圖3 電能質(zhì)量監測圖

??顯示有源濾波和無(wú)功補償裝置運行情況，包括補償電流、負荷電流，電網(wǎng)電壓，IGBT上下橋臂溫度等。

 

圖4  補償濾波監測圖

 

4.3　建立能源計量體系

??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。

圖5  能源流向圖

 

 

4.4　數據集抄并實(shí)時(shí)計量

??AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺提供自定義時(shí)間抄表功能，可以在任意時(shí)間，任意地點(diǎn)，完成對企業(yè)的三級計量體系數據閱覽，減少了人工投入。同時(shí)各類(lèi)保護、儀表主動(dòng)定時(shí)上傳數據，保證了能源時(shí)效性，為其節能降耗，提供了基礎數據支撐。

圖6   數據集抄報表

 

4.5　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。

圖7 分布式光伏電站監測運維

4.6　 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

圖8 管網(wǎng)圖和能效監測

4.7　報警及時(shí)推送

??平臺提供能源報警功能，一旦發(fā)現跑冒滴漏，能源消耗異常，電參量異常等情況，能提供多種方式的報警，包括但不限于郵件、短信、釘釘推送等。

圖9 報警記錄與管理

4.8　加強運維管理

??加強巡視維護工作，及時(shí)發(fā)現或消除設備隱患，提高供電可靠性。配置重要設備包括變壓器、電氣柜、高壓電纜、空調主機、水泵、鼓風(fēng)機等設備信息，配置二維碼，快速在移動(dòng)端獲取設備信息、設備維修歷史記錄以及解決問(wèn)題的常用辦法。

圖10 設備運維檔案

 

4.9　典型硬件

??污水處理事關(guān)廣大人民群眾的健康與安全，而節能降耗則是推進(jìn)我國社會(huì )經(jīng)濟實(shí)現持續發(fā)展的保證。污水處理的節能降耗綜合性強、工作難度高，涉及的工藝、設備、過(guò)程控制和管理較為復雜。因此，人們要從設計、設備選型、運行管理控制、維護改造等環(huán)節入手，積極推廣和應用節能降耗技術(shù)，保證污水處理質(zhì)量。

 

1  張志峰 . 污水處理節能降耗問(wèn)答 [M]. 北京：化工工業(yè)出版社，2011.

2  楊　岳，狄　倩 . 城市污水處理廠(chǎng)的能耗分析及節能降耗措施研究 [J]. 綠色科技，2013，（5）：202-204.

3  曾慶平 . 污水處理廠(chǎng)節能減排策略 [J]. 中國科技縱橫，2013，（6）：19.

4  安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計應用手冊.2020.06版

5  敖伊敏，龐小平，梁宏宇. 淺談污水處理節能降耗途徑