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智慧水務(wù)配電能效管理系統(tǒng)在污水處理廠的應(yīng)用

發(fā)布時間: 2023-09-01  點擊次數(shù): 590次

摘要:文章主要研究污水處理廠的電氣節(jié)能設(shè)計。針對污水處理廠實際運行中耗電量高的問題,需要從用電設(shè)備選型、配電回路設(shè)計、智慧水廠建設(shè)等方面進行節(jié)能設(shè)計。通過在工程實際中的應(yīng)用,證明了相關(guān)設(shè)計的可靠性與有效性。

關(guān)鍵詞:污水處理廠;電氣設(shè)計;節(jié)能設(shè)計;數(shù)字化;智慧水廠

0引言

污水處理廠是城鎮(zhèn)污水處理及資源化利用的主要場所,處理產(chǎn)生的污泥等可以作為生物發(fā)電的燃料,污水處理廠的建設(shè)對改善城鎮(zhèn)人居環(huán)境、加快生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義。但是,污水處理也是一項高耗能產(chǎn)業(yè),其中電能消耗占很大的比例,因此,加強污水處理廠電氣節(jié)能設(shè)計對污水處理廠的節(jié)能減排至關(guān)重要。

1研究背景

2021年6月,國家印發(fā)《“十四五"城鎮(zhèn)污水處理及資源化利用發(fā)展規(guī)劃》,指出“十四五"期間,我國要基本消除城市建成區(qū)生活污水直排口和收集處理設(shè)施空白區(qū),要新增污水處理能力2.000×107m3/d。到2025年,全國城市的生活污水集中收集率要力爭達到70%。2019—2020年我國污水處理情況如表1所示。

2污水處理廠的能耗特點

污水處理廠的消耗主要集中在電力、藥物、燃料等方面,電能在污水處理廠總能耗的占比超過70%。同時,在污水處理廠投資中,電氣部分投資占比為12%左右。因此,加強污水處理廠的電氣節(jié)能設(shè)計對污水處理廠減少能耗與投資具有重要意義。

在污水處理廠中需要用到大量的用電設(shè)備,如在預(yù)處理系統(tǒng)中需要用到排污泵、閘門、除污機等,在沉淀池中需要用到攪拌機、提升泵、排泥機等,在污泥處理系統(tǒng)中需要用到壓榨泵、清洗泵、螺桿泵等,這些用電設(shè)備需要消耗大量電能。此外,紫外消毒、照明、除臭等系統(tǒng)也需要消耗大量的電能。根據(jù)《城市污水處理工程項目建設(shè)標(biāo)準》的有關(guān)規(guī)定,達到一級B排放標(biāo)準的污水處理廠處理每立方米污水的電耗是0.15~0.28kW·h,達到一級A排放標(biāo)準的污水處理廠處理每立方米污水的電耗是0.28~0.4kW·h。

在污水處理廠的電氣設(shè)計中,節(jié)能優(yōu)化需要考慮的問題。在節(jié)能設(shè)計前,需要針對《城市污水處理工程項目建設(shè)標(biāo)準》中污水處理廠電耗的“硬指標(biāo)",分析污水處理廠的能耗特點。污水處理廠中的工藝處理單元大致可以分為預(yù)處理單元、生化處理單元和污泥處理單元,如圖1所示。其中,預(yù)處理單元中一般會有多臺大功率水泵;生化處理單元的電能消耗一般達到整廠工藝設(shè)備電能消耗的50%~70%,而生化處理單元中的曝氣處理能耗又在其中占很大比例,因為曝氣處理的用電設(shè)備主要是鼓風(fēng)機等。由此可見,污水處理廠的電能消耗分布相對集中,呈現(xiàn)“大集中,小分散"的特點。

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3污水處理廠的電氣節(jié)能設(shè)計

污水處理廠中有大量的用電設(shè)備,包括鼓風(fēng)機、泵、攪拌器、照明設(shè)備等。作為設(shè)計人員,不僅要考慮用電設(shè)備的配電、選型與布局等問題,針對污水處理廠的高耗能問題,還需要在設(shè)計階段考慮用電設(shè)備的節(jié)能與優(yōu)化問題。常用的電氣節(jié)能手段包括選用能效等級高的變壓器、選用符合經(jīng)濟電流密度要求的纜線、變電所位置合理選址等,上述方法目前已經(jīng)發(fā)展較為成熟,在大多數(shù)的廠站設(shè)計中都用到了相關(guān)的方法。隨著科技的進步,特別是數(shù)字化、智能化技術(shù)的發(fā)展,污水處理廠電氣節(jié)能設(shè)計的新技術(shù)、新方法也慢慢得到普及。

3.1常規(guī)節(jié)能方法

(1)合理選擇變電所位置。小型污水處理廠規(guī)模較小、工藝簡單,用電設(shè)備比較少、負荷比較集中。針對小型污水處理廠,在條件允許情況下可設(shè)置1個變電所,并深入負荷中心,使變電所離用電點的總距離較小,進而實現(xiàn)低壓配電距離的*小化,減少配電回路中纜線、管線、溝槽等的消耗與開挖。大型污水處理廠的面積和規(guī)模比較大,用電設(shè)備布局較為分散,用電負荷呈現(xiàn)“分散式集中"的特點。在設(shè)計階段,可以采用多變電中心的模式,設(shè)置1個總的變電中心,外加多個分散的分變電所,實現(xiàn)放射式的供電布局。一方面,可以減少電氣設(shè)備過于集中導(dǎo)致的電房面積過大和電氣設(shè)備的噪聲、散熱等問題;另一方面,可以減少纜線電壓損失,提高電能質(zhì)量,有利于用電設(shè)備的正常運行。

(2)選擇能效等級較高的變壓器。變壓器容量的選擇對整個供配電系統(tǒng)具有決定性的影響,若變壓器容量過大,會產(chǎn)生變壓器負荷率降低、工程建設(shè)費用增大、變壓器損耗增大等問題。因此,在設(shè)計階段,要選擇容量合適的變壓器。在新版規(guī)范《電力變壓器能效限定值及能效等級》中,對變壓器的空載損耗和負載損耗的要求有所變化,如表2所示。以10kV干式變壓器為例,1級電工鋼帶變壓器的空載損耗相對于之前降低了25%左右,負載損耗針對大容量的變壓器也有較大程度的下降,因此在有條件的情況下,需要優(yōu)先選用能效等級較高的變壓器,有利于實現(xiàn)節(jié)能。

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(3)采用低壓變頻器。在污水處理廠中,大功率的水泵和風(fēng)機是“用電大戶"。理論上,電動機的轉(zhuǎn)速和流量成正比,同時轉(zhuǎn)速的立方與電動機功率成正比,因此合理調(diào)整進水流量和電動機轉(zhuǎn)速對污水處理廠電氣節(jié)能具有重要意義。應(yīng)用變頻器可以滿足生產(chǎn)工藝過程中對電動機調(diào)速控制的要求,進而節(jié)約電能、降低生產(chǎn)成本。在實際設(shè)計過程中,針對大功率電動機選用變頻器時,要根據(jù)電動機的工作電壓選擇高壓(10kV)變頻器或低壓(0.4kV)變頻器。高壓變頻器具有費用較高、占地面積較大、維修煩瑣等劣勢,在有條件的情況下,應(yīng)該優(yōu)先選用低壓變頻器。

(4)合理選擇電纜規(guī)格和型號。污水處理廠中各種電纜的消耗巨大,隨著國際銅價的持續(xù)升,電纜的費用也不斷創(chuàng)下新高。在設(shè)計中存在電纜截面選擇過大的問題,在設(shè)計中較少根據(jù)經(jīng)濟電流密度選擇電纜截面,電纜的選擇較為“不經(jīng)濟"。在選擇電纜型號時,可以先根據(jù)經(jīng)濟電流密度計算經(jīng)濟截面,然后以經(jīng)濟截面為基礎(chǔ)校驗電纜允許溫升、電壓損失、短路熱穩(wěn)定等條件,在上述條件成立時,優(yōu)先選擇接近經(jīng)濟截面的電纜截面。同時在確定電纜走向和敷設(shè)過程中,做到“少走彎路,不走回頭路",從而減少重復(fù)敷設(shè)帶來的電纜浪費。

3.2建設(shè)數(shù)字化、智能化的智慧水廠

近年來,伴隨著我國“新基建"“碳達峰、碳中和"等理念的提出,我國智慧水廠的建設(shè)進入高速發(fā)展期。建設(shè)智慧水廠是促進數(shù)字經(jīng)濟與實體經(jīng)濟深度融合,賦能傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要途徑。智慧水廠中包含智能安防系統(tǒng)、智能藥料投加系統(tǒng)、生產(chǎn)監(jiān)控管理系統(tǒng)等,這些系統(tǒng)的相關(guān)配合可以從根本上減少人力、物力的消耗,*終實現(xiàn)節(jié)能減排的效果。在國家大力發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟的背景下,需要對傳統(tǒng)模式的污水處理廠進行數(shù)字化、智能化的升級改造。需要在智慧水廠建設(shè)中以數(shù)字化為驅(qū)動,可以通過數(shù)字化手段實現(xiàn)安防智慧防控、藥劑投加、泵站智能調(diào)度、能源智能監(jiān)測等功能,從根本上實現(xiàn)電氣節(jié)能、提質(zhì)增效的目的。針對智慧水廠的建設(shè),在設(shè)計階段可以從以下幾點著手。

(1)采用電能能效管理系統(tǒng)。污水處理廠的生產(chǎn)設(shè)備種類繁多,除了工藝設(shè)備,還有照明、通風(fēng)、視頻監(jiān)控等輔助設(shè)備,在智慧水廠的建設(shè)中,需要采用電能能效管理系統(tǒng)實現(xiàn)對全廠用電設(shè)備及能源消耗的全面監(jiān)測、評估和分析,進而優(yōu)化生產(chǎn)運行中的用能過程。在設(shè)計階段,可以采用自帶監(jiān)測器和通信功能的變壓器、直流柜及發(fā)電機組等,將設(shè)備相關(guān)信息傳遞至能效管理系統(tǒng)。利用微機綜合保護單元,通過網(wǎng)關(guān)將高壓柜連接到能效管理系統(tǒng),同時將配電回路中的各種斷路器及低壓開關(guān)柜通過相關(guān)網(wǎng)關(guān)連接至能效管理系統(tǒng)。通過系統(tǒng)的分析處理,實時掌握用電設(shè)備的運行狀態(tài),對全廠各用電設(shè)備的用電狀態(tài)進行優(yōu)化配置,對用電狀態(tài)異常的設(shè)備做到盡早檢修,使設(shè)備運行在*高效狀態(tài),從而提高污水處理廠的能效水平。

(2)采用智能照明系統(tǒng)。在地埋式的污水處理廠中,照明系統(tǒng)的耗電量遠遠大于常規(guī)水廠。因此針對地埋式的污水處理廠,需要設(shè)計智能照明系統(tǒng)。在燈具選型上,需要優(yōu)先選用發(fā)光效率高、節(jié)能的燈具,同時需要實現(xiàn)區(qū)域照度的調(diào)整,以節(jié)約電能,并減少照明系統(tǒng)的維護成本。

(3)采用智能化曝氣控制技術(shù)。曝氣環(huán)節(jié)對污水處理工藝有著至關(guān)重要的作用。曝氣過多會導(dǎo)致溶解氧進入生化池的缺氧區(qū)、厭氧區(qū),影響反硝化效果,也會打碎污泥絮體,影響出水水質(zhì),同時會使得電能消耗增加;曝氣過少,會抑制生化池中的硝化反應(yīng),引起細菌繁殖,導(dǎo)致污泥膨脹等。因此,針對曝氣系統(tǒng),采用控制技術(shù)實現(xiàn)曝氣的精確化、合理化。

相較于傳統(tǒng)的曝氣控制技術(shù),智能化曝氣控制技術(shù)可以合理分配曝氣量、縮短工藝運行時間、減少電能消耗、提高生化處理效率,在有條件的情況下,需要優(yōu)先采用智能曝氣控制技術(shù)。

4污水處理廠的電氣節(jié)能設(shè)計實踐

以廣州市某污水處理廠為例,該廠污水處理能力為2.5×105m3/d。在電氣節(jié)能設(shè)計中,采用10/0.4kV變配電中心、一級低壓配電房及二級低壓配電房的配電方式,減少了配電線路的損耗。同時設(shè)計了動態(tài)有源濾波、智能變頻調(diào)速系統(tǒng),應(yīng)用了節(jié)能型燈具與電纜橋架等。在智慧水廠建設(shè)中,設(shè)計了智能照明系統(tǒng)、地下無線覆蓋系統(tǒng)、獨立生化池與曝氣自動控制系統(tǒng)、自動巡檢機器人系統(tǒng)、電能能效管理系統(tǒng)等。根據(jù)實際運行效果,相較于傳統(tǒng)污水處理廠,采用了節(jié)能設(shè)計的污水處理廠的能耗水平整體降低10%,達到了節(jié)能減排、提質(zhì)增效的目的。

5安科瑞電氣針對智慧城市水務(wù)建設(shè)推出能效管理解決方案----AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺

5.1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)品生態(tài)體系,AcrelEMS-SW智慧水務(wù)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,重點監(jiān)測主要用能設(shè)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(xué)、精細的解決方案。

5.2平臺組成

AcrelEMS智慧水務(wù)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(wù)中壓變配電系統(tǒng)、電氣安全、應(yīng)急電源、能源管理、照明控制、設(shè)備運維等,貫穿水務(wù)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(wù)配電系統(tǒng)運行狀況,并且根據(jù)權(quán)限可以適用于水務(wù)后勤部門管理需要。

5.3平臺拓撲圖

5.4平臺子系統(tǒng)

5.4.1變電站綜合自動化系統(tǒng)及電力監(jiān)控

對水務(wù)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(yù)警。

監(jiān)測變壓器、水泵、鼓風(fēng)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、異常報警等數(shù)據(jù)。

5.4.2電能質(zhì)量監(jiān)測與治理

水務(wù)中大量的大功率電機、水泵變頻啟動導(dǎo)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(biāo)分析其電能質(zhì)量,并配置對應(yīng)的電能質(zhì)量治理措施提高供電電能質(zhì)量。

5.4.3電動機管理

馬達監(jiān)控實現(xiàn)水務(wù)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)測和報警。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(yù)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(shè)備,保障正常生產(chǎn)。

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5.4.4能耗管理

為水務(wù)搭建計量體系,顯示水務(wù)的能源流向和能源損耗,通過能源流向圖幫助水務(wù)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(dǎo)掌控整個工廠的能源消耗,能源成本,標(biāo)煤排放等的情況。

能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計采集水務(wù)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(biāo)煤計算和CO2排放統(tǒng)計趨勢。

能效分析按三級計量架構(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(biāo)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)/國家/指標(biāo)對標(biāo),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。

5.4.5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(yīng)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、高效的目的。

5.4.6電氣安全

(1)電氣火災(zāi)監(jiān)測

監(jiān)測配電系統(tǒng)回路的漏電電流和線纜溫度,實現(xiàn)對污水廠、自來水廠、水泵站的電氣安全預(yù)警。

(2)消防應(yīng)急照明和疏散指示

根據(jù)預(yù)先設(shè)置的應(yīng)急預(yù)案快速啟動疏散方案引導(dǎo)人員疏散。系統(tǒng)接入消防應(yīng)急照明指示系統(tǒng)數(shù)據(jù),通過平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態(tài)和異常情況。

(3)消防設(shè)備電源監(jiān)測

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

(4)防火門監(jiān)控系統(tǒng)

防火門監(jiān)控系統(tǒng)集中控制其各終端設(shè)備即防火門監(jiān)控模塊、電動閉門器、電磁釋放器的工作狀態(tài),實時監(jiān)測疏散通道防火門的開啟、關(guān)閉及故障狀態(tài),顯示終端設(shè)備開路、短路等故障信號。系統(tǒng)采用消防二總線將具有通信功能的監(jiān)控模塊相互連接起來,當(dāng)終端設(shè)備發(fā)生短路、斷路等故障時,防火門監(jiān)控器能發(fā)出報警信號,能指示報警部位并保存報警信息,保障了電氣安全的可靠性。

5.4.7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、視頻、UPS電池間可燃氣體濃度展示和預(yù)警,保障污水廠、自來水廠、水泵站等安全運行。當(dāng)可燃氣體或有害氣體濃度超標(biāo)可自動啟動排風(fēng)風(fēng)機或新風(fēng)系統(tǒng),排除隱患,保持良好的水處理環(huán)境。

5.4.8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(dāng)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。

5.4.9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、加氯接觸消毒、污泥濃縮壓濾、生物除臭等工藝設(shè)備運行狀態(tài)。在格柵清渣機、污水提升泵、回流泵、曝氣風(fēng)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(shè)備,保障正常生產(chǎn)。

5.5相關(guān)平臺部署硬件選型清單

5.5.1電力監(jiān)控、電能質(zhì)量、電動機管理及配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

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6結(jié)束語

總體來說,在污水處理廠電氣節(jié)能設(shè)計中,可以采用常規(guī)設(shè)計方法和建立指揮水廠等新方法、新技術(shù)。目前,污水處理廠的智慧化建設(shè)正在如火如荼地開展,但同時存在許多問題如缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃和管理,操作人員對設(shè)備和系統(tǒng)不熟悉,部分功能過于復(fù)雜等。因此,針對智慧水廠的建設(shè),還有很多工作要做。

參考文獻:

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