污水处理厂的电气能耗分析及节能降耗实施方案

摘要：随着污水处理量的增加和处理标准的提升，我国污水处理设施的吨水电耗和总电耗逐年上升。通过污水处理厂调研，本文系统研究了各功能单元的能耗分布特征和主要设备的电耗水平。因此，有必要从设备合理选型和优化运行、错峰用电的角度，分析了污水厂节能降耗和降低运行成本的途径。

关键词：污水处理程；地下水厂；能耗分析

      近十几年来，我国的城镇污水处理事业得到了快速发展，城镇污水排放量不断增加，处理要求也日趋严格。《“十四五"城镇污水处理及资源化利用发展规划》指出，2021—2025 年有效缓解我国城镇污水收集处理设施发展不平衡不充分的矛盾，系统推动补短板强弱项，提升污水收集处理效能，加快推进污水资源化利用，提高设施运行维护水平。“十四五"期间，新建、改建和扩建再生水生产能力不少于1500 万立方米/日。大量污水处理厂的建设，降低了污染物的排放，改善了水环境，同时污水处理是高能耗产业,这给能源消耗增加了压力，因此需要建立一套基于物联网技术的能效管理平台进行能源管理达到节能降耗的目的。

2.1　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。

3.1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低能耗的关键所在。

3.2 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 1.016 7 元 /（kW·h） （6-8 月为 1.078 8 元 /（kW·h））， 平值为0.675 元 /（kW·h），谷值为0.420 3 元 /（kW·h）， X 厂通过错峰用电，每年可节省电费约 100 万。

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，显著降低能源消耗

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

       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。

[1] 范波，颜秀勤，夏琼琼.污水处理厂节能降耗途径分析。2020 年 1 月

[2] 安科瑞企业微电网设计应用手册.2022.05版