淺析污水處理廠電氣節(jié)能設計能源監(jiān)測管理方案

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201800

摘要：近些年，隨著我國污水處理廠的大量建設，各地的環(huán)境保護及污水處理事業(yè)快速發(fā)展并取得顯著成效。與此同時，污水處理廠能耗大，運營成本居高不下的情況也越來越引起重視，本文從進水泵、曝氣系統(tǒng)、污泥處理等三面介紹了目前污水處理廠節(jié)能降耗的方式和方法，希望能為其他污水處理廠節(jié)能工作提供參考。

關(guān)鍵詞：污水處理廠節(jié)能降耗；節(jié)能設計；優(yōu)化措施；污水處理廠

引言

近年來，我國污水處理行業(yè)突飛猛進，整體發(fā)展處于快速成長期，主要表現(xiàn)在污水處理能力迅速擴張、污水處理率穩(wěn)步提高、污水處理量快速增長等方面。截至2014年底，全國設市城市、縣(不含其它建制鎮(zhèn))累計建成污水處理廠3717座，污水處理能力1.57億m/日，相比2013年，新增了約800萬m2/日。但與世界各國相比，目前我國城市污水處理能力、水平、效率、綜合能效與環(huán)境要求差距仍然較大。如何優(yōu)化污水處理工藝與布置，從而有效節(jié)約能源，提高效率，已成為當今國內(nèi)污水處理廠面臨的一個重要問題。

城市污水處理屬于高耗能行業(yè)。城市污水處理的高耗能，一方面使城市污水處理成本不斷升高，污水處理廠經(jīng)營壓力不斷增大；另一方面污水處理廠設備的高耗能也加劇了我國現(xiàn)階段的能源危機。因此，對污水處理行業(yè)節(jié)能降耗的研究已迫在眉睫。

城市污水處理節(jié)能的途徑和手段就是以能耗調(diào)查為依據(jù)。通過對污水廠主要設備實際用電能耗需求的調(diào)查，可以直觀地得出污水廠各處理單元和處理工藝對所耗能量的不同需求，進一步分析得出污水處理廠能耗控制的關(guān)鍵點，通過對關(guān)鍵點的控制，進而對全流程各環(huán)節(jié)的節(jié)能潛力進行深度挖掘。一、我國城市污水處理廠能耗分析

現(xiàn)階段，我國許多污水處理廠處理過程可以劃分為：污水初級處理、污水二級處理、污泥處理等三個主要部分。其中，初級處理單元主要設備為：進水泵、格柵、沉砂池除污機等；二級污水處理單元主要設備為：鼓風機、回流污泥泵、潛水攪拌器等；污泥處理單元主要設備為污泥濃縮脫水機、螺旋輸送機等。

上海市政工程設計研究院羊壽生教授對我國典型二級污水處理廠各單元能耗(電能)做過估算，估算結(jié)果以處理單位體積的污水的耗電量表示(kwh/m2),對二級處理廠該值為0.266,污水處理廠規(guī)模為25000m2/d,具體見表1:

由表1可以看出，污水、污泥提升能耗約占總能耗的30%,曝氣池鼓風機、潛水攪拌器等供氧設備能耗約占總能耗的55%,污泥處理能耗約占總能耗的10%,三者的直接能耗約占總能耗的95%以上。下面我們就從以上三方面入手，提出實現(xiàn)途徑及具體方法以達到節(jié)能降耗的終目的。

二、水泵與節(jié)能

1.水泵的揚程與節(jié)能

目前，污水處理廠采用的進水泵品牌及種類很多，但其電耗均可用如下公式進行計算式中：W為電機實際電耗，kW·h;p為污水的密度，取1000kg/m2;g為重力加速度，取數(shù)值9.81m/s2;Q為污水泵的實際流量，m2/s:H為污水泵的實際工作揚程；n1為水泵的效率；n2為電機的效率；t為水泵運行時間。

由以上公式可以得出，進水泵在通常正常工作時，其能耗取由進水泵的實際揚程H所決定。為了有效降低進水泵得實際揚程，以達到節(jié)能降耗的成效，我們可以采取以下兩種辦法：(1)在初步設計時，充分考慮污水廠各構(gòu)筑物的高程因素，盡量避免多次提升，使污水提升一次到位。同時，根據(jù)現(xiàn)場自然條件合理利用重力流、自流經(jīng)過不同的處理構(gòu)筑物，避免在各構(gòu)筑物間進行多次重復提升所帶來的能量損耗。(2)在進行各構(gòu)筑物的進、出水口形式和污水廠管線之間的對接設計時，盡量綜合考慮，合理布置，以減少處理過程中的水頭損失。各構(gòu)筑物和管線布置盡可能避免過長輸送和減少拐彎，同時還要應簡潔、緊湊。這樣不但可以降低泵的揚程，還可以減少水頭損失，一舉兩得的同時也達到了節(jié)能增效的目的。

2.水泵運行技術(shù)與節(jié)能

進水泵是污水提升的主要設備，是污水廠主要能耗之一。因此泵站的節(jié)能降耗對降低污水處理廠能耗具有重要意義。對于還未建成的污水處理廠，泵站的節(jié)能應從初步設計階段就進行綜合考量。對于已經(jīng)建成的污水處理廠，泵站的節(jié)能只能在現(xiàn)有條件下進行調(diào)整，優(yōu)化現(xiàn)有水泵運行方式?，F(xiàn)階段，污水處理廠運行中節(jié)能效果較好的技術(shù)主要由兩種，一種是變頻調(diào)速技術(shù)；另外一種是水泵優(yōu)化組合技術(shù)?，F(xiàn)行污水處理廠水泵的主要運行方式為：水泵優(yōu)化組合技術(shù)搭配變頻調(diào)速技術(shù)。

三、污泥處理系統(tǒng)與節(jié)能

1.高效低耗能設備的選用與節(jié)能

由表1可知，污泥處理能耗約占總能耗的10%,也是污水廠節(jié)能的一個重點。帶式壓濾機比板框壓濾機能耗小，但易堵塞。隨著污泥處理技術(shù)的不斷發(fā)展，目前大部分污水處理廠污泥處理主要設備為帶式濃縮脫水一體機或臥式螺旋沉降離心脫水機。帶式濃縮脫水一體機將濃縮和脫水一體化，占地不大，運行能耗較低；臥式螺旋沉降離心脫水機采用封閉系統(tǒng)，占地同樣不大，設備磨損率不高，運行費用較低。

2.污泥沼氣的利用與節(jié)能

污泥厭氧消化過程一般會產(chǎn)生一定量的沼氣，收集并提純這部分沼氣即可發(fā)電，從而補償一部分污水廠電能消耗，可以有效降低污水廠電能消耗及運行費用。

1. AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺

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(guān)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，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。

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(jù)權(quán)限可以適用于水務后勤部門管理需要。

2.平臺拓撲圖

3.平臺子系統(tǒng)

（1）變電站綜合自動化系統(tǒng)及電力監(jiān)控

對水務配電系統(tǒng)中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調(diào)等功能，對異常情況及時預警。

監(jiān)測變壓器、水泵、鼓風機的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數(shù)、負荷率、溫度、三相平衡、異常數(shù)據(jù)。

（2）電能質(zhì)量監(jiān)測與治理

水務中大量的大功率電機、水泵變頻啟動導致配電系統(tǒng)中存在大量諧波，通過監(jiān)測其配電系統(tǒng)的諧波畸變、電壓波動、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)量治理措施提高供電電能質(zhì)量。

（3）電動機管理

馬達監(jiān)控實現(xiàn)水務中電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，電動機保護器能對過載、短路、缺相、漏電等異常情況進行保護、監(jiān)測。高效、準確地反映出故障狀態(tài)、故障時間、故障地點、及相關(guān)信息，對電機進行健康診斷和預防性維護。同時支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實現(xiàn)電動機自動或遠程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設備,保障正常生產(chǎn)。

（4）能耗管理

為水務搭建計量體系，顯示水務的能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助水務分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區(qū)域。

將所有有關(guān)能源的參數(shù)集中在一個看板中，從多個維度對比分析，實現(xiàn)各個工藝環(huán)節(jié)的能耗對比，幫助領(lǐng)導掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計采集水務中污水廠、自來水廠、水泵站等的用電、用水、燃氣、冷熱量消耗量，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。

能效分析按計量架構(gòu)，分別進行能效分析，契合能源管理體系要求，可對各車間/職能部門的能效水平進行分析，同比、環(huán)比、對標等。通過污水處理產(chǎn)量以及系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)，在污水單耗中生成污水單耗趨勢圖，并進行同比和環(huán)比分析，同時將污水的單耗與行業(yè)/國際指標對標，以便企業(yè)能夠根據(jù)產(chǎn)品單耗情況來調(diào)整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。

（5）智能照明控制

系統(tǒng)為污水廠、自來水廠、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區(qū)域控制、自動控制、感應控制、定時控制、場景控制、調(diào)光控制等多種控制方式，模塊可根據(jù)經(jīng)緯度自動識別日出日落時間實現(xiàn)自動控制功能，盡量利用自然光照，實現(xiàn)室內(nèi)、廠區(qū)照明的智能控制達到安全、節(jié)能、舒適的目的。

（6）電氣安全

監(jiān)測消防設備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災時消防設備可以正常投入使用。

（7）環(huán)境監(jiān)測

污水廠、自來水廠、水泵站等場所溫濕度、煙霧、積水浸水、UPS電池間可燃氣體濃度展示和預警，保障污水廠、自來水廠、水泵站等安全運行。當可燃氣體或有害氣體濃度超標可自動啟動排風風機或新風系統(tǒng)，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。

（8）分布式光伏監(jiān)測

實時監(jiān)測低壓并網(wǎng)柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數(shù)及斷路器開關(guān)狀態(tài)，逆變器運行監(jiān)視，對逆變器直流側(cè)每一光伏組串的輸入直流電壓、直流電流、直流功率，逆變器交流電壓、交流電流、頻率、功率因數(shù)、當前發(fā)電功率、累計發(fā)電量進行監(jiān)測，以曲線方式繪制上述監(jiān)測的各個參量的歷史數(shù)據(jù)。

平臺結(jié)合廠區(qū)實際分布情況，通過3D或2.5D平面圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車棚的分布情況，顯示匯流箱、并網(wǎng)點位置，各個屋頂?shù)难b機容量。

（9）工藝仿真監(jiān)控

平臺通過2D、3D方式實時監(jiān)視粗格柵、污水提升、細格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、污泥濃縮壓濾等工藝設備運行狀態(tài)。在格柵清渣機、污水提升泵、回流泵、曝氣風機、加藥泵、濃縮壓濾機、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動機控制柜或低壓饋電柜安裝電動機保護，進行短路、過流、過載、起動超時、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護、堵轉(zhuǎn)、逆序、溫度等保護以及外部故障連鎖停機，與PLC、軟啟、變頻器等配合，實現(xiàn)電動機自動或遠程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設備,保障正常生產(chǎn)。

1. 結(jié)語

本文通過對污水廠處理工藝中主要耗能設備及相應工藝單元的分析得出了一些目前污水處理廠已應用或?qū)玫墓?jié)能降耗的措施和方法，當然其中不免有疏忽和遺漏。

城市污水廠的節(jié)能降耗是一項龐大而復雜的系統(tǒng)工程。牽涉面廣，不但涉及多種專業(yè)技術(shù)人員的相互配合，還涉及到節(jié)能技改與正常生產(chǎn)之間可能存在的矛盾；雖然執(zhí)行起來會有一定的難度，且各個污水廠的工藝、設備、自控系統(tǒng)也會有較大差異，很難有可直接全盤模仿的經(jīng)驗，但只要針對整個工藝進行全面梳理，從“合理布局，優(yōu)化"的大局角度出發(fā)，對歷史數(shù)據(jù)進行分析評估，就能在一定程度上識別出一些具體的節(jié)能降耗關(guān)鍵點；然后根據(jù)各個污水處理廠的實際情況，分步分批實施。對于節(jié)能降耗效果的評價，一定要著眼于全局，不能顧此失彼。

參考文獻

[1]羊壽生.城市污水廠的能源消耗[J].給水排水，1984(6):15-19.

[2]WaterEnviron-mentFedera-tion.EnergyCon-serva-tioninWastewaterTreat-mentFacilies[M].Alexandin:USA,1997.

[3]梅小樂.城市污水處理廠節(jié)能水平評估標準探討[J].給水排水，2011(37):3.

[4]路曉波.A/A/0工藝全流程節(jié)能途徑與對策[J].凈水技術(shù)，2009,28(6):39-43,57.

[5]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計應用手冊.2020.06版.

[6]楊勇.城市污水廠節(jié)能降耗淺析

作者簡介

劉細鳳，女，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究智能配電在水利行業(yè)的應用