能效管理平台在污水处理厂电气节能中的应用

摘要：污水处理属于高能耗行业，会消耗大量的电能、燃料和药剂等，高能耗不仅会提升污水处理成本，还会加剧能源危机。所以，本文首先探究了污水处理厂耗能的原因，分析了污水处理与节能降耗的关系，然后结合我国污水处理现状，讨论污水处理与节能的相关问题，并提出相应的解决办法，以期降低污水处理的能源消耗，尽可能消除制约经济发展的不利因素。
关键词：污水处理；节能降耗；高耗能
0 前言
污水处理会消耗大量能源，急需开展节能降耗。污水处理厂的能耗分为两种，一是直接能耗，二是间接能耗。能量消耗是污水处理过程中的正常情况，是机器运转的必然结果。消耗能量的方面有很多，直接消耗和间接消耗也不一样。直接耗能通常有机械曝气或风鼓曝气、污水提升泵、回流污泥泵、污泥脱水、搅拌推流等。间接耗能主要包括外加碳源、石灰、活性炭、絮凝剂等物料所消耗的能量。从整体上来看，我国污水处理中能耗较多的是污水的提水能耗、污水生物处理能耗和污泥处理能耗，三者占了大部分的能耗。其中一半以上是污水生物处理的能耗，其次是污泥处理的能耗，*后是污水的提水能耗。所以，节能降耗是非常必要的。就目前而言，为了使污水处理更有效，人们从水耗、物耗、能耗三个方面来实施节能降耗。
1　城市污水处理厂节能降耗的途径
污水处理需要消耗大量能源，尤其是污水提升、污水和污泥处理。同时，很多污水处理设备会消耗大量能源，包括用于抽取的提升泵、风力供应的鼓风机以及回流泵。在处理污水时，人们需要辅助使用一些化学药品，用来除磷和污水消毒，以保障水资源的重复使用。综上来看，节能减耗主要应当致力于优化设备和改良药剂两方面。
1.1　污水提升
提升泵是污水提升的主要设备，提升泵的质量关系到污水提升的效果，提升泵相关技术有很大的发展空间，因此在节能减耗方面也有提升潜力。通过实地调查和查阅文献，笔者发现，污水处理大部分能耗都来源于提升泵，如果精细计算提升泵的其他能耗，能源消耗将会大幅增加。目前，提升泵节能减耗的关键在于控制好出水高度，首先要控制连接管道长度，加强其结构的稳定性、紧密性，将能耗降到较低。其次，还要注意提高提升泵的运行效率，从设施上加以改进，实现节能减耗。
1.2　污水预处理
污水预处理是指污水进入正式处理前对污水进行简单处理。污水预处理的主要设备有格栅和沉砂池。两者作用不同，隔栅类似于栅栏，可以对污水中体积较大的物体进行隔离，以防止堵塞污水处理设备，导致其难以正常工作。隔栅在节能减耗环节中可操作性、可提升性都不算太高，但是它的意义重大，隔栅是否能正常工作对后续节能减耗环节能否完成具有较大影响。沉砂池的作用是过滤污水中的泥沙和其他较为细小的颗粒物，它保障了后续设备污水处理的效果不同情况下所需要的沉砂池类型也不同，比较常见的有平流式、曝气式。人们需要根据具体情况来选择，有效过滤污水中的泥沙，使得后续环节有条不紊地进行。平流式沉砂池设备耗能较低，节能降耗效果明显。
1.3　污水处理
污水处理是污水处理厂的主要工艺环节，主要分为两个部分，即好氧处理和厌氧处理。好氧污水处理需要利用曝气系统，曝气系统可以适当优化以实现节能减耗。首先，设备选取和流程设计更加准确，选择材料更加细致，减少材料损失。其次，微气泡空气控制器材可以对污水处理产生的气泡进行压缩和消蚀，使气泡体积变小，从而增大气体、液体可接触面积，增强反应效果。再次，可以辅助使用曝气系统，将其放置于侧面，通过其产生的气体来形成漩涡，这也可以加强气体与液体的接触。对于污水处理的调节设备，需要采用自动调节，发挥自动调节的准确性和及时性，减少能源浪费。除此之外，合理运用潜水搅拌器也十分必要。
*后，需要控制好变频调速风机，使污水处理更加有效。污水处理节能减耗需要从大方向把关，严格落实到各个环节，需要全面把关，避免顾此失彼。就国内而言，污水处理相关节能降耗技术还不够成熟，因此具有较好的开发前景，人们要统筹安排，统筹谋划。
1.4　污泥处理
污泥处理消耗能量较多，同时也意味着节能减耗空间很大。污泥处理工艺较为复杂，通常有污泥浓缩、稳定和脱水等。污泥浓缩是指将污泥进行压缩整合，从而实现体积减小、密度增大，实施方法也有很多种，如重力压缩、气浮压缩、离心方式压缩。实践研究发现，重力浓缩的能源消耗比较少，但是耗时较多，浓缩过程会产生磷，因此随着时代的发展，这种工艺逐步被淘汰。离心浓缩成本较高，目前难以大规模推广。当前，气浮浓缩使用范围较广，其操作简单、节能减耗效果较好，运行效率较高。污泥稳定和脱水是指将浓缩后的污泥加以沉淀，然后通过相关设备实现脱水，将浓缩液变为干燥的材料。其间主要采用厌氧处理，使用厌氧菌对水分进行吸收，实现厌氧消化。厌氧处理需要消耗能源来保持温度，同时利用电能来维持搅拌运输。就国内而言，相关技术还不够成熟，因此具有较好的开发前景。污泥处理技术的创新与改革决定着节能减耗的效果，也影响着污水处理厂的发展。
2　污水处理现状与问题
2.1　设备设计使用不合理
提升泵是污水处理的核心设备，直接影响污水提升效果，污水处理大部分能耗都与提升泵有关，提升泵节能减耗的关键是控制好出水高度。目前，我国部分污水处理厂提升泵出水高度不合理，造成较大的能源浪费，影响后续流程的节能减耗。隔栅能够隔离污水中体积较大的物体，防止污水处理设备堵塞而难以正常工作。沉砂池可以过滤污水中的泥沙，还可以过滤其他较为细小的颗粒物，以便进行后续污水处理。但是，调查发现，部分污水处理厂隔栅空隙较大同时沉砂池沉积严重，导致污水中的大小颗粒物难以清除，*终影响后续的污水处理。
2.2　缺乏操作人员和监管人员
污水处理事关人民群众的生产生活，但是部分污水处理厂缺乏人员，导致设备操作不合理。同时，不够操作流程势必会造成能源消耗过度和资源浪费，甚至影响污水处理质量，造成污水外泄，影响人民群众的生产生活。另外，污水处理需要两大监督，一是污水处理厂质检人员监督，二是相关部门抽样检查。但是，由于种种原因，我国检查管理制度还不够健全，导致部分污水处理厂不能按质按量完成污水处理。因此，当前急需建立行之有效的污水处理监督管理审查机制。
3　节能降耗的有效措施
3.1　改造节能技术
污水处理设备的改进决定着是否能更好地完成节能减耗。具体来说，首先可以从提升泵改进开始，不合理的提升泵往往会造成水泵扬程偏高，从而导致水位大多处于大流量、低扬程、低效区的状态，使得提升泵所耗费的能量远远高于实际所需能量，造成较大的能源浪费。因此，人们需要改进提升泵的变频技术，使之更具操作性和可行性，能自如应对不同水位。其次是倒伞曝气机，该设备主要由主机和叶轮两大部件组成，叶轮是倒伞曝气机的主要部件之一，它决定着整个机器的运作。就目前来说，叶轮的创新改造主要是将倒伞曝气机的螺旋式倒伞改造成翘片式，即用直齿轮代替原先的螺旋式锥齿轮。这样才能适应不断提高的标准，更好地处理污水。因此，人们要加强科技创新，提升设备运行效率，实施节能减耗。
3.2　选择关键节能设备
一是泵的选择。泵对于污水处理非常重要，其主要参数是流速和流量，它们既影响实际峰值，也影响后续水量变化，不同泵的基本参数不同。因此，要想推进节能降耗，首先要选择规格合适、参数适宜、质量优良、产品合格的泵，保障运行效率，利用较少的能源实现污水处理的较大效益，减少能源浪费。二是控制系统的选择。控制系统影响反馈效果，人们需要选择合理的控制系统，调整控制数据信息。三是电机的选择。污水处理厂的电能消耗主要发生于曝气系统和提升泵。这些设备利用电机来工作，因此人们要合理选择电机，同时要加强对电机的维护和检修。关键部分要严格采用高质量的设备，以减少安全隐患，提高节能降耗效率。
3.3　加强节能降耗管理
污水处理厂要重视内部管理，实施科学化、制度化的管理。一是定期维修相关设备，应配备专门的维修检查人员，定期巡检，经常清洗管道，及时排查异常现象，同时做好记录，尽快解决。二是加强用电管理，污水处理厂耗电量大，因此为了电路安全，应尽量避开用电高峰期。污水处理厂要完善运行体系，及时排除隐患，保证污水处理设施实现良好运行。
3.4　加强监督制度管理
污水处理厂要完善激励机制，提高员工的工作积极性，对违规员工进行处罚，保障企业管理秩序。此外，还应该加强管理，保障污水处理设备平稳运行。污水处理厂应当配备专门的监督管理人员和技术质检人员，监督管理人员要严格管控污水处理设备和材料的采购，杜绝购买劣质设备和材料，配合有关部门例行检查。技术质检人员主要职责是对污水处理流程进行指导和检查，防止出现人工失误，预防安全问题，同时对突发情况进行应急处理。另外，污水处理厂要积极鼓励员工参与企业管理，增强内部凝聚力，提高员工积极性，实现奖惩分明，优化企业管理秩序，保障企业合理运行。
4　能效管理解决方案--AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台
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
4.1　保障供电可靠性
对污水厂配电系统中35kV、10kV电压等级配置微机保护装置及多功能仪表进行保护和监控，对0.4kV配置多功能计量仪表，用于监测各回路的电气参数和用能情况，可实时监控高低压供配电系统开关柜、变压器微机保护测控装置、发电机控制柜、ATS/STS、UPS，包括遥控、遥信、遥测、遥调、事故报警及记录等。
污水厂存在大量的非线性负载，通过监测其配电系统的谐波畸变、电压波动、闪变和容忍度指标分析其电能质量，并配置对应的电能质量治理措施进一步提高供电可靠性。

图2  AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台主接线图
4.2　电能质量监测与治理
监测污水厂配电系统的谐波畸变、电压波动、闪变和容忍度指标分析其电能质量，监测配置电能质量治理装置保障稳定生产。

图3 电能质量监测图
显示有源滤波和无功补偿装置运行情况，包括补偿电流、负荷电流，电网电压，IGBT上下桥臂温度等。

图4  补偿滤波监测图
4.3　建立能源计量体系
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。

图5  能源流向图
4.4　数据集抄并实时计量
AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台提供自定义时间抄表功能，可以在任意时间，任意地点，完成对企业的三级计量体系数据阅览，减少了人工投入。同时各类保护、仪表主动定时上传数据，保证了能源时效性，为其节能降耗，提供了基础数据支撑。

图6   数据集抄报表
4.5　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。

图7 分布式光伏电站监测运维
4.6　 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

图8 管网图和能效监测
4.7　报警及时推送
平台提供能源报警功能，一旦发现跑冒滴漏，能源消耗异常，电参量异常等情况，能提供多种方式的报警，包括但不限于邮件、短信、钉钉推送等。

图9 报警记录与管理
4.8　加强运维管理
加强巡视维护工作，及时发现或消除设备隐患，提高供电可靠性。配置重要设备包括变压器、电气柜、高压电缆、空调主机、水泵、鼓风机等设备信息，配置二维码，快速在移动端获取设备信息、设备维修历史记录以及解决问题的常用办法。

图10 设备运维档案
4.9　典型硬件


5　结论
污水处理事关广大人民群众的健康与安全，而节能降耗则是推进我国社会经济实现持续发展的保证。污水处理的节能降耗综合性强、工作难度高，涉及的工艺、设备、过程控制和管理较为复杂。因此，人们要从设计、设备选型、运行管理控制、维护改造等环节入手，积极推广和应用节能降耗技术，保证污水处理质量。
参考文献
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4  安科瑞企业微电网设计应用手册.2020.06版
5  敖伊敏，庞小平，梁宏宇. 浅谈污水处理节能降耗途径