安科瑞 耿敏花

1 污水處理廠能耗特征研究

1.1　污水處理廠基本信息

為研究我國典型城鎮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座連續穩定運行兩年以上（運行不間斷）、負荷率不低于80%的污水廠，并進行分區用電量監測，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座污水廠均執行《城鎮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，分別安裝 電量統計裝置，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，噸水電耗與處理規模相關性明顯，處理規模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，節能降耗的重點設備為風機和提升泵。

2.節能降耗途徑分析

2.1設備選型及優化

設計時為保證較大流量需求，我國大多數城鎮污水處理廠（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耗的關鍵所在。

2.2 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。在對城鎮污水處理廠進行調研時發現，部分污水廠在保證出水穩定達標的前提下，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，出水水質執行《城鎮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，大工業用電電費峰值為 1.0167 元 /（kW·h）（6-8 月為 1.0788 元 /（kW·h）），平值為0.675 元 /（kW·h），谷值為0.4203 元 /（kW·h）， X 廠通過錯峰用電，每年可節省電費約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品生態體系，AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺通過在污水廠源、網、荷、儲、充的各個關鍵節點安裝保護、監測、分析、治理裝置，用于監測污水廠能耗總量和能耗強度，重點監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由變電站綜合自動化系統、電力監控及能效管理系統組成，涵蓋了水務中壓變配電系統、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器和監控主機，通過水務綜合能效管理系統，完成對廠區配電系統、主要用能設備如電機、風機的遠程數據采集和實時監控，并對數據進行統計分析，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，全廠需量、電能及其他重要統計數據，同時預留數據上傳上一級水務系統的通訊接口。

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，采集各PLC控制盤監控的水泵、風機等設備運行參數和狀態，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的工作狀態以及水池水位等。

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測、電機保護，水池水位、水泵流量、風機風量監測，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控子系統，能耗分析子系統，智能照明子系統，電能質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智慧水務能效管理平臺主接線圖

3.4.1 能耗分析子系統

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域幫助其了解各工藝環節能源消耗量，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能耗數據統計

采集工廠工藝用電、廠務用電等消耗量，同環比對比分析，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，顯著降源消耗

3.4.4優化能源結構

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電站，為企業提供分布式電站運行監測和發電日/月/年/累計收益和減排分析，支持自發自用、余電上網。在儲能環節，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

4 小結 

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，找到節能降耗的實際方案，深入能耗分析，發掘節能潛力，為管理者提供準確化的管理手段，提高污水處理廠的能耗管理水平。