摘要：《“十四五”國家信息化規(guī)劃》提出，完善城市信息模型平臺和運(yùn)行管理服務(wù)平臺，探索建設(shè)數(shù)字孿生城市。實(shí)施智能化市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和改造，有效提升城市運(yùn)轉(zhuǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)的泛在感知和智能決策能力。推行城市‘一張圖’數(shù)字化管理模式。到2025年，數(shù)字中國建設(shè)取得決定性進(jìn)展，信息化發(fā)展水平大幅躍升。“十四五”期間，新建、改建和擴(kuò)建再生水生產(chǎn)能力不少于1500 萬立方米/日。大量污水處理廠的建設(shè)，降低了污染物的排放，改善了水環(huán)境，同時污水處理是高能耗產(chǎn)業(yè),這給能源消耗增加了壓力，污水廠用電設(shè)備分散給運(yùn)維工作帶來了壓力，需要建立一套合理的數(shù)字化能效管理平臺進(jìn)行能源管理達(dá)到高效運(yùn)維、節(jié)能降耗的目的。

關(guān)鍵詞：一張圖、數(shù)字化、污水廠、高效運(yùn)維、節(jié)能降耗

一、污水廠配電結(jié)構(gòu)和處理工藝

1.1.配電結(jié)構(gòu)

污水廠設(shè)備要求供電可靠性，一般不允許停電，中斷供電將造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，因污水廠供電負(fù)荷等級為二級，應(yīng)采用兩路電源供電，同時為保證電源可靠性，備用一臺柴油發(fā)電機(jī)，至少滿足廠內(nèi)應(yīng)急通風(fēng)換氣、消防、應(yīng)急照明等用電。地下式污水廠和地上廠相比，對配電系統(tǒng)的安全性、可靠性要求更高。例如，地下式污水廠采用速閉閘或速閉閥保證進(jìn)水安全，若這些設(shè)備的供電出現(xiàn)問題，則可能突然停止進(jìn)水，影響正常生產(chǎn);也可能無法停止進(jìn)水，造成箱體被淹的嚴(yán)重后果。此外，地下式污水廠箱體內(nèi)配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)需滿足消防切非等有別于常規(guī)地上式污水廠的要求。箱體內(nèi)工作環(huán)境比外部差，影響運(yùn)行人員進(jìn)人箱體的積極性。

1.2.污水處理工藝

國內(nèi)的污水處理工藝大概有30種，最為常見的氧化溝、A/A/O、A/O、SBR，處理流程包括粗格柵及進(jìn)水泵房、細(xì)格柵及曝氣沉砂池、精細(xì)格柵、AAO生物池、MBR膜池及膜設(shè)備間紫外線消毒渠、回用水池及回用水泵房、鼓風(fēng)機(jī)房、儲泥池及污泥脫水車間等，復(fù)雜的處理工藝提升了運(yùn)維和管理的難度。

1.3. 能耗分布

污水處理廠的能耗成本主要為電能、藥物、燃料，其中電能消耗占有60~90%，我國污水二級處理電能消耗為0.19~0.36 kWh/m³，經(jīng)過對城鎮(zhèn)污水處理廠能耗狀況及其影響因素進(jìn)行分析，結(jié)果表明目前我國城市污水處理廠平均能耗為0.29kWh/m³，而美國污水處理廠平均能耗為0.2kWh/m³，日本為0.204~0.254kWh/m³。總體上看,我國在污水處理中的節(jié)能降耗、優(yōu)化運(yùn)營方面起步晚，還存在很大的節(jié)能降耗空間,而電能的消耗最大在污水提升泵、鼓風(fēng)曝氣和污泥處理環(huán)節(jié)，較高的能耗水平在一定程度上影響了污水處理的建設(shè)和發(fā)展,同時為了響應(yīng)雙碳戰(zhàn)略，需要探索一種科學(xué)的數(shù)字化能源管理措施來促進(jìn)節(jié)能降耗的完成。

二、能效管理解決方案--AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺

安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計(jì)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(diǎn)安裝保護(hù)、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(qiáng)度，重點(diǎn)監(jiān)測主要用能設(shè)備能效，保護(hù)污水廠運(yùn)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(xì)的解決方案。

圖1 AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺

2.1.保障供電可靠性

對污水廠配電系統(tǒng)中35kV、10kV電壓等級配置微機(jī)保護(hù)裝置及多功能儀表進(jìn)行保護(hù)和監(jiān)控，對0.4kV配置多功能計(jì)量儀表，用于監(jiān)測各回路的電氣參數(shù)和用能情況，可實(shí)時監(jiān)控高低壓供配電系統(tǒng)開關(guān)柜、變壓器微機(jī)保護(hù)測控裝置、發(fā)電機(jī)控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調(diào)、事故報警及記錄等。

污水廠存在大量的非線性負(fù)載，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)量治理措施進(jìn)一步提高供電可靠性。

圖2  AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺主接線圖

2.2.建立能源計(jì)量體系

AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺通過搭建計(jì)量體系，采集污水處理廠能源數(shù)據(jù)，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(qū)域幫助其了解各工藝環(huán)節(jié)能源消耗量，并且可細(xì)化到樓層、車間、產(chǎn)線、班組、工序，計(jì)算產(chǎn)品單耗、單位面積能耗或萬元產(chǎn)值能耗，從而計(jì)算出能耗總量和單位能耗。

圖3 能源流向圖

2.3.數(shù)據(jù)集抄并實(shí)時計(jì)量

AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺提供自定義時間抄表功能，可以在任意時間，任意地點(diǎn)，完成對企業(yè)的三級計(jì)量體系數(shù)據(jù)閱覽，減少了人工投入。同時各類保護(hù)、儀表主動定時上傳數(shù)據(jù)，保證了能源時效性，為其節(jié)能降耗，提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

圖4 數(shù)據(jù)集抄報表

2.4. 優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)

AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺支持接入分布式光伏電站以及風(fēng)力發(fā)電站，為企業(yè)提供分布式電站運(yùn)行監(jiān)測和發(fā)電日/月/年/累計(jì)收益和減排分析，支持自發(fā)自用、余電上網(wǎng)。在儲能環(huán)節(jié)，平臺接入BMS和PCS數(shù)據(jù)，支持充放電配置策略，并對電池管理系統(tǒng)提供實(shí)時預(yù)警，根據(jù)其負(fù)荷特點(diǎn)，削峰填谷，充分使用新能源，降低污水廠碳排放。

圖5 分布式光伏電站監(jiān)測運(yùn)維

2.5. 提升主要用能設(shè)備能效

污水處理廠中有著大量的電機(jī)、水泵，其中污水提升泵和鼓風(fēng)曝氣能耗占據(jù)了工藝能耗中的大多數(shù)，平臺針對這些工藝設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測分析，工藝之間橫向比較，尋找調(diào)控潛力的用電設(shè)備、工藝單元，幫助用戶發(fā)現(xiàn)其能效提升空間并提供解決方案，找到最佳的運(yùn)行區(qū)域，顯著降低能源消耗

圖6 管網(wǎng)圖和能效監(jiān)測

2.6. 報警及時推送

平臺提供能源報警功能，一旦發(fā)現(xiàn)跑冒滴漏，能源消耗異常，電參量異常等情況，能提供多種方式的報警，包括但不限于郵件、短信、釘釘推送等。

圖7 報警記錄與管理

2.7. 加強(qiáng)運(yùn)維管理

加強(qiáng)巡視維護(hù)工作，及時發(fā)現(xiàn)或消除設(shè)備隱患，提高供電可靠性。配置重要設(shè)備包括變壓器、電氣柜、高壓電纜、空調(diào)主機(jī)、水泵、鼓風(fēng)機(jī)等設(shè)備信息，配置二維碼，快速在移動端獲取設(shè)備信息、設(shè)備維修歷史記錄以及解決問題的常用辦法。

故障預(yù)判和快速診斷功能將以往出現(xiàn)問題再采取措施的被動檢修維護(hù)政為主動出擊、防患于未然的主動運(yùn)維模式。既可以使運(yùn)維管理工作更從容。還大大提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。

圖8 設(shè)備運(yùn)維檔案

典型硬件

結(jié)語

隨著污水處理廠的不斷擴(kuò)建，運(yùn)行費(fèi)用的持續(xù)上升，能源消耗不斷增加，通過合理運(yùn)用能源管理平臺，利用的大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提高污水廠數(shù)字化程度，能夠提高污水廠的供電可靠性，實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)維和少人值守，找到節(jié)能降耗的實(shí)際方案，為管理者提供精準(zhǔn)化的管理手段，降低污水廠的運(yùn)營成本，促進(jìn)污水廠的提質(zhì)增效。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐進(jìn).某地下式污水廠智能配電方案設(shè)計(jì)與思考[J].建筑電氣.2022年05期

[2] 馬培.對城市污水處理廠能耗分析與節(jié)能降耗途徑探討[J].城市建設(shè)理論研究(電子版).2018年06期

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)用手冊.2020.06版