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给水排水 84家,10.4%节能空间,供水节能降耗研究与探讨

发布于:2022-07-29 09:35:29 来自:给排水工程/中水处理回用 [复制转发]

导 读

 “碳达峰、碳中和”战略是中国履行负责任大国的庄严承诺,供水能耗主要源于制水过程中的电力消耗,及时开展供水节能技术管理研究具有重要的行业引领价值。综合分析江苏84家臭氧活性炭深度处理水厂电耗发现,深度处理水厂比能集中在270 kW·h/1 000 m3上下,整体而言,苏南比能低于苏中、苏中低于苏北;各环节中,取水与送水比能占比最高,常规工艺、深度处理、生产用电占比相对偏低;表征泵站效率的综合单位电耗,苏南低于苏中,苏中低于苏北;合理控制生产电耗,提升机泵运行效率是供水生产节能降耗的重要手段。经测算,通过管理提升,84家水厂具有10.4%节能空间,意义明显。


引用本文:郭杨,张雪,蒋福春,等. 基于碳达峰碳中和目标下供水节能降耗技术研究及管理探讨[J]. 给水排水,2022,48(7):11-15.


01

研究对象及方法

1.1 研究对象

研究对象主要为江苏省省内供水企业及水厂。江苏地处长江、淮河流域下游,境内地形平坦,水网密布。按地理位置划分,江苏省分为苏南、苏中、苏北3个片区。苏南分别为苏州、无锡、常州、南京、镇江5市;苏中分别为扬州、泰州、南通3市;苏北分别为徐州、连云港、宿迁、淮安、盐城5市。从经济发展角度来看,苏南强于苏中,苏中强于苏北。全江苏省集中式地表水水源地主要分布于长江、湖库(太湖、其他湖库)、内河(淮河、沂沭泗水系)。截至2020年底,各类水源地的取水量分别占全省总取水量的49.65%、29.60%、20.75%;全省共有166个城市公共供水厂,总供水能力3154.5万m3/d;自来水深度处理能力为2942.5万m3/d,占全省总供水能力的93.3%,基本均采用臭氧-生物活性炭工艺。本研究涉及水厂主要从166个供水厂筛选出数据质量较好的84座臭氧活性炭深度处理水厂。


1.2 研究方法

节能降耗是企业减少运营成本、提高效率的重要手段之一,目前在垃圾焚烧、建筑、运输等领域的节能降耗研究较多。众多研究成果强调全生命周期概念,对于供水厂而言,全生命周期管理即包含水厂建设阶段、运营阶段、水厂拆除阶段3个阶段。其中水厂运营阶段为主要的能源消耗过程,是节能降耗研究的重点。本研究主要集中在水厂运营阶段的能源消耗层面,并以能源消耗为基础进行供水节能降耗研究及节能空间的计算。


水处理环节,具体电耗由加药、反冲洗、臭氧制备、污泥处理等组成,设备功率配置随规模同比例变化且基本固定,不同水厂间可用比能进行类比。输配水环节电耗与管网规模大小、所在地高程和机泵效率有关,采用比能统计,机泵效率高低与管理水平相关,可采用综合单位电耗进行评价。


1.3 计算方法

比能(e),即千吨水单位电耗,单位为kW·h/1 000 m3。可用于类比各家水厂生产环节电耗的高低,比能只与扬程和机泵效率有关。


扬程需求大的地区电耗高,因此丘陵地带扬程消耗会大于平原地带。机泵效率的高低直接反映水厂管理水平的强弱,当水泵选型和安装到位后,其效率高低的主要影响因素为水泵维护性能,机泵搭配的好坏主要由管理因素决定。


综合单位电耗(e′)体现机泵效率,即千吨水兆帕水量电耗,单位为kW·h/(1 000m3·MPa),综合单位电耗与机泵效率的倒数呈正相关关系,因此,综合单位电耗越低则表示机泵效率越高,即机泵管理水平越高。


02

结果与分析

2.1 整体消耗水平

图1为江苏省84座臭氧活性炭深度处理水厂生产消耗比能概率分布,以10%占比作为评价线,全省比能主要集中在200~350 kW·h/1 000m3,低于200 kW·h/1 000m3不足5%,高于500 kW·h/1 000m3仅一家占比不足2%。


图1 江苏省84家水厂各水厂比能概率分布


图2为江苏省各水厂比能实际数值,由图2结合图1可知,全省84家深度处理水厂比能围绕270 kW·h/1 000m3上下波动,这与陆柯统计的石家庄第八水厂水平接近。


图2 江苏省84家水厂各水厂比能


图3为各地域间比能结果,由图3可见苏南、苏中、苏北间比能差别较大,均值分别为264、280、286 kW·h/1 000m3;中值分别为256、262、279 kW·h/1 000m3,由此可以判断苏南电耗低于苏中,苏中低于苏北。现有研究成果显示,生产中水司70%电耗水平由取水与送水泵房引起,其中送水泵房电耗水平与管网规模有关。江苏地域苏南城市规模要高于苏中,苏中城市规模要高于苏北,因而对应供水规模和管网规模也呈现苏南大于苏中,大于苏北。理论上,苏南送水泵房扬程需求大于苏中,大于苏北,电耗水平也应呈现上述变化的趋势。而实际电耗水平苏南低于苏中、苏中低于苏北,侧面反应了苏南电耗管理水平要高于苏北。


图3 江苏省84家水厂各地域间比能


2.2 各工艺比能占比

将供水生产分成取水、送水、常规工艺、深度处理工艺与生产用电5个方面,取水为原水取用的电量消耗;送水为送水泵房的电量支出;常规工艺部分包含沉淀、砂滤、加氯三方面的电量消耗;深度处理包含预臭氧投加、主臭氧、炭滤池部分;生产用电部分为除上述外的其余用电,包含排泥、再生水回用、变配电损耗等。


图4为江苏省84家水厂各工艺比能占比,全省取水、送水、常规工艺、深度处理和生产用电占比平均值分别为:23%、44%、6%、10%和17%;中值分别为:21%、46%、6%、11%和16%;从波动范围看取水电耗占比变化较大。取水电耗与水厂距水源地的距离有关,靠近水源地电耗较低,远离水源地电耗较高。由图4可见,取水与送水占比的总和(图4中橙色与绿色总和),各家相差不大,基本上集中75%左右;深度处理部分各家占比相差不大,因为深度处理用电的主要部位为提升与臭氧发生电量消耗,各家配置基本一致;综上所述供水厂生产比能节约的重点为机泵运行电耗,即取水、送水电能。


图4 江苏省84家水厂各工艺比能占比


2.3 节能空间预测

图5为江苏省84家水厂各工艺比能水平,由图5可见,常规工艺、深度处理工艺、生产电耗三者电耗较为集中,平均值分别为21.18、33.60、54.78 kW·h/1 000m3,各家水平差别不明显。取水电耗与送水电耗变化幅度较大,变化幅度超过150 kW·h/1 000m3,取水与送水电耗主要与管网规模与机泵运行效率有关。


图5 江苏省84家水厂各工艺比能


图6为江苏省苏南、苏中、苏北机泵综合单位电耗水平及分布,该值主要反应泵房的效率高低。由图6可知,苏南、苏中、苏北综合单位电耗差别较大,均值分别为411、425、501 kW·h/(1 000m3·MPa)。相比而言,苏南地区在机泵管理改进和管网漏损控制等方面做出努力,数据表现出效率最高,变化幅度较低,反映其机泵管理水平高于其他两个区域。


图6 江苏省84家水厂机泵综合单位电耗


按照上述分析,将常规工艺、深度处理、生产电耗三部分比能叠加在一起形成水厂生产比能均值和,见表1。从表1可见,苏南、苏中、苏北3个区域水厂生产比能存在一定差别,苏中最低,为98 kW·h/1 000m3。以苏中98 kW·h/1 000m3管理水平作为节能空间目标。


表1 节能降耗潜能预测


此外,取水、送水泵房电耗与泵房效率有关,即表1中第3列综合单位电耗均值和。对比苏南、苏中、苏北三者数值,泵房效率苏南水平最高,苏中次之,苏北最不佳。以苏南411 kW·h/(1 000m3·MPa)管理水平作为未来节能的潜能目标。


以上述两个目标进行测算,改进管理后江苏省84家深度处理水厂的供水比能总和约为302 kW·h/1 000m3,对比现有比能总和337 kW·h/1 000m3,将存在10.4%的节能空间。


03

结 论

供水生产领域能耗主要起源于电力消耗,综合分析江苏84家臭氧活性炭深度处理水厂电耗现状,对能耗规律及节能降耗空间预测结论如下:

  • 全省84家深度处理水厂比能围绕270 kW·h/1 000m3上下波动,苏南电耗低于苏中,苏中低于苏北。

  • 全省84家水厂取水与送水比能占比最高,常规工艺、深度处理、生产用电占比相对较低。

  • 取水与送水总和的占比集中75%左右,深度处理工艺占比集中在13%,各家水厂相差不大。

  • 机泵效率而言,苏南综合单位电耗均值为411 kW·h/(1 000m3·MPa),为区域内最高,其次为苏中,再次为苏北。

  • 根据苏南、苏中、苏北比能水平和机泵效率水平进行预测,如若全省未来可以通过优化将全部管理水平提升至目前最优值,可实现供水生产及管网输配10.4%节能降耗空间。



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