《“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行管理服務(wù)平臺，探索建設(shè)數(shù)字孿生城市。實施智能化市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和改造，有效提升城市運轉(zhuǎn)和經(jīng)濟運行狀態(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)取得決定性進展，信息化發(fā)展水平大幅躍升。“十四五"期間，新建、改建和擴建再生水生產(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行能源管理達到高效運維、節(jié)能降耗的目的。
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)濟損失，因污水廠供電負荷等級為二級，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，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，則可能突然停止進水，影響正常生產(chǎn);也可能無法停止進水，造成箱體被淹的嚴重后果。此外，地下式污水廠箱體內(nèi)配電系統(tǒng)設(shè)計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，影響運行人員進人箱體的積極性。
1.2.污水處理工藝
國內(nèi)的污水處理工藝大概有30種，常見的氧化溝、A/A/O、A/O、SBR，處理流程包括粗格柵及進水泵房、細格柵及曝氣沉砂池、精細格柵、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)機房、儲泥池及污泥脫水車間等，復(fù)雜的處理工藝提升了運維和管理的難度。
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。
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電壓等級配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監(jiān)控，對0.4kV配置多功能計量儀表，用于監(jiān)測各回路的電氣參數(shù)和用能情況，可實時監(jiān)控高低壓供配電系統(tǒng)開關(guān)柜、變壓器微機保護測控裝置、發(fā)電機控制柜、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.建立能源計量體系
AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺通過搭建計量體系，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，并且可細化到樓層、車間、產(chǎn)線、班組、工序，計算產(chǎn)品單耗、單位面積能耗或萬元產(chǎn)值能耗，從而計算出能耗總量和單位能耗。
圖3 能源流向圖
2.3.數(shù)據(jù)集抄并實時計量
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，完成對企業(yè)的三級計量體系數(shù)據(jù)閱覽，減少了人工投入。同時各類保護、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)提供分布式電站運行監(jiān)測和發(fā)電日/月/年/累計收益和減排分析，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)提供實時預(yù)警，根據(jù)其負荷特點，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、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)備進行監(jiān)測分析，工藝之間橫向比較，尋找具調(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，找到運行區(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. 加強運維管理
加強巡視維護工作，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、水泵、鼓風(fēng)機等設(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政為主動出擊、防患于未然的主動運維模式。既可以使運維管理工作更從容。還大大提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。
圖8 設(shè)備運維檔案
2.8. 典型硬件
三、結(jié)語
隨著污水處理廠的不斷擴建，運行費用的持續(xù)上升，能源消耗不斷增加，通過合理運用能源管理平臺，利用先進的大數(shù)據(jù)、云計算等互聯(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，實現(xiàn)高效運維和少人值守，找到節(jié)能降耗的實際方案，為管理者提供管理手段，降低污水廠的運營成本，促進污水廠的提質(zhì)增效。
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