污水处理厂的电气能耗分析及节能降耗实施方案

安科瑞 耿敏花

1 污水处理厂能耗特征研究

1.1　污水处理厂基本信息

为研究我国典型城镇污水处理厂的能耗水平及主要电耗分布情况，笔者对我国不同地区的具有代表性的污水处理厂开展实地调研。其间挑选7座连续稳定运行两年以上（运行不间断）、负荷率不低于80%的污水厂，并进行分区用电量监测，污水厂基本情况如表1所示。 

2.2　污水厂处理单元能耗特征分析

所选7座污水厂均执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A出水标准，根据工艺流程，可以划分为一级处理、二级处理、深度处理、污泥处理、再生水5个功能分区，分别安装 电量统计装置，进行为期1年的电耗记录。污水厂吨水电耗和各功能分区电耗占比如图2所示。由图可知，所选污水厂2017年的吨水电耗平均值保持在 0.2～0.45 kW·h/m3 。从五座处理工艺为 A2O 的污水厂数据来看，吨水电耗与处理规模相关性明显，处理规模5万m³/d 的 E 厂吨水电耗为 0.43 kW·h/m³，大于10万 m³/d 的污水厂吨水电耗低于 0.3 kW·h/m³ ，处理规模越大，电耗相对越低。各污水厂二级处理段的能耗较大，占总电耗的 50%～65%，其次为一级处理和深度处理段，平均占比分别为19% 和16%，部分厂再生水用电占比超过5%

图 2 污水厂电耗及分布情况

本次选择具有代表性的A厂全流程主要设备的用电情况进行为期1年的计量统计，系统分析各设备的耗电量。一级处理段主要耗电设备为进水提升泵，二级处理主要为风机、推进器和回流泵，深度处理段为二次提升泵，污泥处理段为污泥脱水机，再生水段为提升泵。对A厂各单元和设备电耗的统计结果表明，二级处理单元和污水提升能耗较大，占整个污水处理厂总能能耗80%左右。一级处理电耗比例达到20%，其中进水提升泵电耗占该单元电耗的85%；二级处理单元的能耗主要集中在鼓风机、搅拌器和内外回流泵上，其中，鼓风机占该单元电耗的 59%，占全厂工艺总电耗的43%。全厂较大的能耗处理单元为生物处理段、进水泵房、二次提升泵房，节能降耗的重点设备为风机和提升泵。

2.节能降耗途径分析

2.1设备选型及优化

设计时为保证较大流量需求，我国大多数城镇污水处理厂（尤其是建设年代较早的污水处理厂）普遍存在设备选型过大、配置单一、恒速运行等配置不合理问题。因此，提高设备配置水平，合理进行设备选型是污水厂降耗的关键所在。

2.2 错峰用电

为缓解我国城市用电高峰时段负荷过高、电网峰谷时段负荷差较大等电力供应紧张的情况，国家出台了相关政策，各省市根据不同时间段的用电负荷情况制定了不同的电价，如峰、平、谷三档电价和尖、峰、平、谷四档电价，收费标准依次降低。在对城镇污水处理厂进行调研时发现，部分污水厂在保证出水稳定达标的前提下，通过合理控制，在电网负荷较低时加大运行负荷，用电高峰期减少设备运行数量或调低设备运行频率，将电网用电高峰时段的部分负荷转移到用电低谷时段，减少电网的峰谷负荷差。这样可以降低污水厂运行费用，同时实现社会资源的优化配置。下面以 X 污水厂为例进行分析，其峰平谷用电量及分布情况如图 3 所示。

图3  某X厂峰平谷用电情况

X 厂设计规模为 20 万 m3 /d，水量变化系数设计值为1.3，运行负荷为 80%，处理工艺为氧化沟工艺，出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》 （GB 18918—2002）一级 A 排放标准，平均吨水电耗为0.24 kW·h/m3。X 厂所在城市峰平谷三个时段分别为8 h，从图 3 可以看出，峰期用电量较为稳定，月均为40 万 kW·h左右，占总用电量的 25.7%，比重较少；平期用电量均衡，占总电量的30.6%；而主要电耗集中在谷期，占总电量的 43.7%。根据该厂所在城市的电费收费标准，大工业用电电费峰值为 1.0167 元 /（kW·h）（6-8 月为 1.0788 元 /（kW·h）），平值为0.675 元 /（kW·h），谷值为0.4203 元 /（kW·h）， X 厂通过错峰用电，每年可节省电费约100 万。

3 安科瑞电气针对水厂用电推出能效管理解决方案--AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台

3.1平台概述

安科瑞电气具备从终端感知、边缘计算到能效管理平台的产品生态体系，AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台通过在污水厂源、网、荷、储、充的各个关键节点安装保护、监测、分析、治理装置，用于监测污水厂能耗总量和能耗强度，重点监测主要用能设备能效，保护污水厂运行安全可靠，提高污水厂能效，为污水处理的能效管理提供科学、精细的解决方案。

图1 AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台

3.2 平台组成

AcrelEMS智慧水务综合能效管理系统由变电站综合自动化系统、电力监控及能效管理系统组成，涵盖了水务中压变配电系统、电气安全、应急电源、能源管理、照明控制、设备运维等，贯穿水务能源流的始终，帮助运维管理人员通过一套平台、一个APP实时了解水务配电系统运行状况，并且根据权限可以适用于水务后勤部门管理需要。

3.3 平台拓扑图

3.3.1监控管理层

监控管理层设置在综合能源管理中心，配置能源管理数据服务器和监控主机，通过水务综合能效管理系统，完成对厂区配电系统、主要用能设备如电机、风机的远程数据采集和实时监控，并对数据进行统计分析，以曲线、棒图、饼图、散列等方式呈现给用户，方便值班人员时刻掌握各工段的运行参数和状态，全厂需量、电能及其他重要统计数据，同时预留数据上传上一级水务系统的通讯接口。

3.3.2网络通信层

网络通讯层从能源中心到用户变电所、水泵站、工艺车间敷设光缆，配置网络交换机和光电转换机，构建星型以太双网，提高网络传输的可靠性通信方式，实现能源管理的主干通信功能。在每个站配置数据采集箱和通讯管理机，采集能源中心，污水泵站、曝气生物处理、污泥泵站的用电数据、开关状态，采集各PLC控制盘监控的水泵、风机等设备运行参数和状态，如风机水泵的启停、运行时间以及水泵压力、流量、风机气压以及曝气系统的工作状态以及水池水位等。

3.3.3现场设备层

现场设备层，由分散安装在用户站、污水泵站、曝气生物处理、污泥泵站内的继电保护、多功能电表、电动机保护器、温度传感器、火灾探测器、水池水位计、压力表、流量计、以及各PLC控制柜等组成，完成配电回路的电参数监测、电机保护，水池水位、水泵流量、风机风量监测，实现水泵、风机的自动/手动运行控制。

3.4 平台功能 

本平台包含了电力监控子系统，能耗分析子系统，智能照明子系统，电能质量监测和提升子系统，电气火灾监测子系统，消防电源监控子系统，防火门监控子系统，消防应急照明和疏散指示子系统 ，工艺监控，视频监控等子系统，下面介绍安科瑞能耗管理系统以及硬件选型。

图2  AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台主接线图

3.4.1 能耗分析子系统

AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台通过搭建计量体系，采集污水处理厂能源数据，显示污水处理厂的能源流向和能源损耗，通过能源流向图帮助其分析能源消耗去向，找出能源消耗异常区域帮助其了解各工艺环节能源消耗量，并且可细化到楼层、车间、产线、班组、工序，计算产品单耗、单位面积能耗或万元产值能耗，从而计算出能耗总量和单位能耗。

3.4.2能耗数据统计

采集工厂工艺用电、厂务用电等消耗量，同环比对比分析，能耗总量和能耗强度计算，标煤计算和CO2排放统计趋势。

3.4.3提升主要用能设备能效

污水处理厂中有着大量的电机、水泵，其中污水提升泵和鼓风曝气能耗占据了工艺能耗中的大多数，平台针对这些工艺设备进行监测分析，工艺之间横向比较，寻找具有调控潜力的用电设备、工艺单元，帮助用户发现其能效提升空间并提供解决方案，找到较好的运行区域，显著降源消耗

3.4.4优化能源结构

AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台支持接入分布式光伏电站以及风力发电站，为企业提供分布式电站运行监测和发电日/月/年/累计收益和减排分析，支持自发自用、余电上网。在储能环节，平台接入BMS和PCS数据，支持充放电配置策略，并对电池管理系统提供实时预警，根据其负荷特点，削峰填谷，充分使用新能源，降低污水厂碳排放。

3.4.5典型硬件

4 小结 

地下污水厂的建设,本着安全可靠、经济合理 、运行管理的原则，通过合理运用能源管理平台，利用先进的大数据、云计算等互联网技术，能够提高污水厂的供电可靠性，找到节能降耗的实际方案，深入能耗分析，发掘节能潜力，为管理者提供准确化的管理手段，提高污水处理厂的能耗管理水平。