利用回歸分析法進(jìn)行水廠節(jié)能降耗

李曉華，周艷紅，馬 飛，姚 青，Paul Wermter，劉洪波

(1.蘇州工業(yè)園區(qū)清源華衍水務(wù)有限公司，江蘇蘇州 215000；2.上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093；3. 亞琛工業(yè)大學(xué)水和固體廢棄物管理研究所，德國(guó)亞琛 52056)

蘇州工業(yè)園區(qū)清源華衍水務(wù)有兩座自來(lái)水廠，星港街水廠和陽(yáng)澄湖水廠，負(fù)責(zé)園區(qū)278 km2的自來(lái)水供應(yīng)，星港街水廠日供水能力為45萬(wàn)m3/d，陽(yáng)澄湖水廠日供水能力為20萬(wàn)m3/d。兩座水廠運(yùn)行工作中，電耗分布根據(jù)工序大致可分為以下三部分：取水、制水、配水。利用回歸分析法分析兩水廠各部分的耗電比率，選擇更合適的聯(lián)合運(yùn)行方式，降低生產(chǎn)成本，提高水廠效益。

1 供水概況

1.1 水廠概況

星港街水廠1998年建成投運(yùn)，以東太湖為水源，采用常規(guī)+深度處理工藝，取水泵站位于30 km遠(yuǎn)的太湖浦莊，屬于典型的遠(yuǎn)距離取水水廠。原水通過(guò)兩根渾水管線輸送到凈水廠，渾水管的管徑分別為DN1400和DN2200；二級(jí)泵房安裝10臺(tái)水泵機(jī)組，其中2臺(tái)變頻機(jī)組，額定流量為1 250 m3/h，8臺(tái)定速機(jī)組的水泵額定流量為4 500 m3/h，水泵揚(yáng)程為40 m。

陽(yáng)澄湖水廠2014年投運(yùn)并網(wǎng)供水，以陽(yáng)澄東湖為水源，采用臭氧活性炭深度處理工藝，取水口距陽(yáng)澄湖水廠600 m，屬于近距離取水水廠。二級(jí)泵房安裝4臺(tái)水泵機(jī)組，均為變頻機(jī)組，水泵額定揚(yáng)程為41 m，單臺(tái)水泵額定流量為3 620 m3/h。

由于兩座水廠的生產(chǎn)能力、取水方式、水源水質(zhì)、設(shè)備配置等不盡相同，在水量相同的條件下，電能消耗差別很大，要達(dá)到節(jié)能增效目的，就需要對(duì)水廠的生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析，找到影響各水廠電耗的主要因素，通過(guò)制定相應(yīng)措施，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗目標(biāo)[1-2]。歷史數(shù)據(jù)顯示，水廠的生產(chǎn)中，自來(lái)水制水成本包括四部分：動(dòng)力、藥劑、污泥處置和設(shè)備運(yùn)行維護(hù)，其中動(dòng)力(電費(fèi))成本占總制水成本的73%，因此如何控制好兩廠的平均電耗，是節(jié)約成本的關(guān)鍵。

1.2 管網(wǎng)概況

蘇州工業(yè)園區(qū)清源華衍水務(wù)供水服務(wù)面積為278 km2(含水域面積90 km2)，園區(qū)布水管徑DN75 mm以上的管網(wǎng)為1 028 km，具有完善的管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)和GIS系統(tǒng)。管網(wǎng)配置壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)56個(gè)，流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)48個(gè)，管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)可實(shí)時(shí)/歷史查詢流量、壓力數(shù)據(jù)，也可實(shí)時(shí)監(jiān)控水廠和管網(wǎng)的流量、壓力，完善的自控系統(tǒng)為數(shù)據(jù)分析提供了較全面的數(shù)據(jù)源。

1.3 園區(qū)用水特點(diǎn)

以年為單位分析，園區(qū)用水水量受季節(jié)影響很大，日變化系數(shù)為1.30。在春節(jié)期間供水量最??；夏季7月～9月這3個(gè)月屬于高峰供水期，供水量最大。2017年供水量最低在1月28日(年初一)，供水量為25.96萬(wàn)m3，7月28日供水量最大，為56.97萬(wàn)m3，可以看出，2017年水廠最高日供水量是最低供水量的2倍。由歷史數(shù)據(jù)可知，水壓與水量的變化趨勢(shì)一致，水量大，壓力高，反之，壓力低。春節(jié)期間，供水量最小，壓力最低，星港街水廠出廠壓力為0.265 MPa；高峰供水期，星港街水廠出廠壓力為0.362 MPa，兩者相差9.7 m揚(yáng)程，出廠壓力的高低直接影響電耗。

圖1 園區(qū)一日24 h用水變化曲線Fig.1 Variation Curve of Water Consumption in Industrial Park within 24 h in a Day

圖1為園區(qū)一日24 h用水變化。由圖1可知，一日內(nèi)用水量分配不均勻，存在較大的峰谷變化，時(shí)變化系數(shù)為1.25。根據(jù)用水量一日可劃分為4個(gè)時(shí)段： 0:00～6:00為用水低谷期；6:00～11:00為用水高峰期；11:00～19:00為用水平期；19:00～23:00為用水次高峰期。

水廠供水量存在日、時(shí)變化，供水壓力也隨之變化，進(jìn)而導(dǎo)致電耗存在較大差異。因此，根據(jù)水廠用水的實(shí)際變化規(guī)律，進(jìn)行水量的合理調(diào)度對(duì)節(jié)能降耗工作十分必要。

2 專業(yè)名詞及電耗計(jì)算公式

(1)電耗：每處理1 km3自來(lái)水消耗的電量；能耗指標(biāo)，用N來(lái)表示，計(jì)量單位kW·h/km3。

(2)回歸分析法：解釋性預(yù)測(cè)，假設(shè)一個(gè)系統(tǒng)的輸入和輸出存在某種因果關(guān)系，系統(tǒng)輸入變量的變化會(huì)引起輸出變量的變化，且兩者的關(guān)系是一個(gè)常數(shù)。

(3)兩廠平均電耗：星港街和陽(yáng)澄湖兩座水廠的耗電量與供水量的比值，這個(gè)數(shù)值的大小是衡量是否節(jié)電的指標(biāo)，用式(5)計(jì)算。

電耗計(jì)算如式(1)～式(5)。電量數(shù)據(jù)從電度表中獲取，供水量、壓力數(shù)據(jù)從管網(wǎng)SCADA中讀取。

陽(yáng)澄湖水廠取水、配水電耗計(jì)算方法與星港街水廠的相同。

Nx=Px÷Qx

(1)

其中：Nx—星港街水廠電耗,kW·h/km3；

Px—星港街水廠電量,kW·h；

Qx—星港街水廠供水量,km3。

Nxq=Pxq÷Qxq

(2)

其中：Nxq—星港街水廠取水電耗,kW·h/km3；

Pxq—星港街水廠取水電量,kW·h；

Qxq—星港街水廠取水量,km3。

Nxp=Pxp÷Qxp

(3)

其中：Nxp—星港街水廠配水電耗,kW·h/km3；

Pxp—星港街水廠配水電量,kW·h；

Qxp—星港街水廠供水量,km3。

Nxz=Nx-Nxq-Nxp

(4)

其中：Nxz—星港街水廠制水電耗,kW·h/km3。

N=(Px+Py) ÷(Qx+Qy)

(5)

其中：N—兩廠平均電耗,kW·h/km3；

Py—陽(yáng)澄湖水廠電量,kW·h；

Qy—陽(yáng)澄湖水廠供水量,km3。

S=Qy÷(Qx+Qy) 100

(6)

其中：S—陽(yáng)澄湖供水量占總供水量百分比。

3 水廠電耗分析

兩廠平均電耗與星港街水廠和陽(yáng)澄湖水廠的電量、水量有關(guān)，換言之，與兩廠各自的電耗有關(guān)。星港街水廠的電耗(Nx)為 243 kW·h/km3，陽(yáng)澄湖水廠的電耗(Ny)為196 kW·h/km3，同樣處理1 km3水，星港街水廠比陽(yáng)澄湖水廠多耗電47 kW·h/km3。分析各廠的用電特點(diǎn)，合理分配水量，進(jìn)而確定兩廠

的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式十分必要。首先分析每座水廠的電耗影響因素，水廠的用電分布根據(jù)工序大致可分為以下三部分：取水、制水、配水，各部分電量分布如圖2所示。星港街取水電量與配水電量之和占總電量的92%，陽(yáng)澄湖水廠配水電量占總電量的60%。本文主要研究星港街水廠的取水電耗(Nxq)、配水電耗(Nxp)以及陽(yáng)澄湖水廠的配水電耗(Nyp)與哪些因素有關(guān)。

圖2 星港街與陽(yáng)澄湖水廠用電分布Fig.2 Distribution of Electricity Consumption in Xinggangjie WTP and Yangchenghu WTP

3.1 星港街水廠

3.1.1 取水電耗(Nxq)與供水量(Qx)的關(guān)系

當(dāng)供水量在20～45萬(wàn)m3時(shí)，星港街水廠取水電耗與供水量成正比，如圖3所示。

圖3 星港街水廠取水電耗與供水量關(guān)系Fig.3 Relationship between Power Consumption of Intake Water and Water Supply Quantity in Xinggangjie WTP

由圖3可知：當(dāng)供水量(Qx)在20～45萬(wàn)m3時(shí)，取水電耗(Nxq)在60～110 kW·h/km3，供水量越大，取水電耗越高；當(dāng)供水量超過(guò)45萬(wàn)m3時(shí)，取水電耗跳躍式升高，偏離線性，但仍然遵循取水電耗隨供水量增加而增大的變化趨勢(shì)。

原因分析：水廠供水量增加，取水量也隨之增加，當(dāng)取水量增加時(shí)，以下因素導(dǎo)致取水電耗上升。①水泵開啟臺(tái)數(shù)增加，電耗上升；②變頻器頻率增大，電耗上升，因?yàn)檩S功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比；③泵站出口壓力增加，水頭損失增大，電耗上升；④當(dāng)供水量超過(guò)45萬(wàn)m3時(shí)，泵站已不在最佳工況運(yùn)行，所以取水電耗跳躍式上升，無(wú)規(guī)律可循。

3.1.2 取水電耗(Nxq)與渾水管運(yùn)行方式的關(guān)系

星港街水廠的渾水管運(yùn)行方式有以下3種，渾水管的運(yùn)行方式對(duì)取水電耗影響比較大，具體如表1和圖4所示。

圖4為2016年6月8日～6月20日星港街水廠取水電耗與供水量的關(guān)系曲線，這段時(shí)間供水量在22～29萬(wàn)m3，變化不大。但是，6月13日、14日取水電耗比正常情況突然升高了18 kW·h/km3，主要是因?yàn)?，這兩天DN1400渾水管施工，DN2200渾水管單獨(dú)運(yùn)行，渾水管單獨(dú)運(yùn)行與兩根同時(shí)運(yùn)行相比，渾水管壓力升高0.02～0.15 MPa，提升相同水量所需的功率增加，取水電耗上升。

表1 星港街水廠渾水管運(yùn)行方式Tab.1 Operation Mode of Turbid Water Pipe in Xinggangjie WTP

圖4 星港街水廠渾水管的運(yùn)行方式對(duì)取水電耗影響Fig.4 Influences of Operation Mode of Muddy Pipe on Power Consumption of Xinggangjie WTP

3.1.3 配水電耗與供水量關(guān)系

圖5 星港街水廠配水電耗與供水量關(guān)系Fig.5 Relationship between Power Consumption and Water Supply in Xinggangjie WTP

(2)配水電耗(Nxp)與出廠壓力關(guān)系密切，出廠壓力高，配水電耗大，如圖6所示。

圖6 星港街水廠配水電耗與出廠壓力的關(guān)系Fig.6 Relationship between Power Consumption of Water Distri-bution System and Finished Water Pressure in Xinggangjie WTP

由圖6可知：當(dāng)出廠壓力在0.270 MPa左右時(shí)，配水電耗以125.0 kW·h/km3為中心線上下波動(dòng)；當(dāng)出廠壓力在0.290 MPa左右時(shí)，配水電耗以130.0 kW·h/km3為中心線上下波動(dòng)。原因分析：出廠壓力升高，提升相同水量所需要的勢(shì)能增加，其直接表現(xiàn)形式是二級(jí)泵房的電量增加，配水電耗升高[2]。

3.1.4 星港街水廠電耗(Nx)與供水量(Qx)的關(guān)系

星港街水廠取水電耗與供水量呈正相關(guān)，配水電耗與供水量無(wú)相關(guān)性，受取水電耗影響，星港街水廠電耗總體上遵循供水量增加電耗增大的規(guī)律。

3.2 陽(yáng)澄湖水廠

由圖4可知，陽(yáng)澄湖水廠配水電量與取水電量之和占總電量的73%。因此，陽(yáng)澄湖水廠電耗主要取決于取、配水電耗，以此為依據(jù)確定水量調(diào)度優(yōu)先級(jí)。

陽(yáng)澄湖水廠取水泵房有6臺(tái)水泵機(jī)組，配水泵房有4臺(tái)水泵機(jī)組，全部為變頻機(jī)組，取水單臺(tái)水泵額定流量為2 188 m3/h，額定功率為90 kW；配水單臺(tái)水泵額定流量為3 620 m3/h,額定功率為550 kW，該廠日供水量與水泵開啟臺(tái)數(shù)及取配水電耗之間的關(guān)系如表2所示。

由表2可知，當(dāng)供水量不同時(shí)，因運(yùn)行的取水泵和配水泵數(shù)量不同，取配水理論電耗差別較大，當(dāng)日供水量為18×104m3/d時(shí)，取配水理論電耗為155.7 kW·h/km3，屬于最經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。在陽(yáng)澄湖原水水質(zhì)正常的情況下，該廠日供水量最先考慮18×104m3/d運(yùn)行，如果園區(qū)用水量整體下降，該廠日供水量可以降到15×104m3/d；如果發(fā)生星港街水廠改造或維修等特殊情況，需要陽(yáng)澄湖水廠加大供水量，該廠則可以在20×104m3/d運(yùn)行?？傊?，陽(yáng)澄湖水廠日供水量應(yīng)保持在15×104m3/d以上，低于這個(gè)數(shù)值屬于非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

表2 陽(yáng)澄湖水廠取、配水電耗與供水量的關(guān)系Tab.2 Relationship between Water Distribution and Water Supply in Yangchenghu WTP

注：水泵效率取80%

3.3 兩廠平均電耗與各廠電耗的關(guān)系

3.3.1 兩廠平均電耗(N)與星港街水廠電耗(Nx)的關(guān)系

兩廠平均電耗(N)與星港街水廠電耗(Nx)的關(guān)系如圖7所示。兩者呈顯著的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.918。兩廠平均電耗主要取決于星港街水廠，如果要降低用電成本，要從降低星港街水廠的電耗入手。主要是因?yàn)椋茉O(shè)計(jì)能力的影響，星港街水廠設(shè)計(jì)能力為45萬(wàn)m3/d，而陽(yáng)澄湖水廠只有20萬(wàn)m3/d，在園區(qū)整個(gè)區(qū)域供水中，星港街水廠承擔(dān)著主要的供水任務(wù)。

秦安縣水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境惡劣，干旱缺水是制約經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的最大瓶頸。建立一個(gè)合理高效的生態(tài)系統(tǒng)，以可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)，通過(guò)加大花椒產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入，引進(jìn)先進(jìn)花椒品種及栽培技術(shù)。增建節(jié)水灌溉設(shè)施、增施有機(jī)肥、改善土壤理化性狀等耕作技術(shù)，調(diào)整當(dāng)?shù)胤N植結(jié)構(gòu)，建立科學(xué)合理的耕作制度，推廣地膜覆蓋、設(shè)施栽培技術(shù)，充分利用天然降雨，減少地下水的使用，制定立體高效生態(tài)林果業(yè)等一系列措施，控制生態(tài)系統(tǒng)的惡化，實(shí)現(xiàn)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

圖7 兩廠平均電耗(N)與星港街水廠電耗(Nx)的關(guān)系Fig.7 Relationship between Average Power Consumption of Two WTPs and Power Consumption of Xinggangjie WTP

3.3.2 兩廠平均電耗(N)與陽(yáng)澄湖水廠電耗(Ny)的關(guān)系

由圖8可知，兩廠平均電耗(N)與陽(yáng)澄湖水廠電耗(Ny)無(wú)明顯相關(guān)性，也無(wú)規(guī)律可循。

圖8 兩廠平均電耗(N)與陽(yáng)澄湖水廠電耗(Ny)的關(guān)系Fig.8 Relationship between Average Power Consumption of Two WTPs and Power Consumption of Yangchenghu WTP

3.3.3 兩廠平均電耗(N)與陽(yáng)澄湖水量在總供水量的占比(S)的關(guān)系

兩廠平均電耗與陽(yáng)澄湖水廠電耗的關(guān)系如圖9所示，兩者的相關(guān)系數(shù)為0.481 4，表明兩廠平均電耗與陽(yáng)澄湖水廠電耗無(wú)明顯關(guān)系，但與陽(yáng)澄湖水量在總供水量的占比關(guān)系較大。

圖9 兩廠平均電耗與陽(yáng)澄湖水量在總供水量的占比的關(guān)系Fig.9 Relationship between Average Power Consumption of Two WTPs and Proportion of Yangchenghu WTP in Total Water Supply Quantity

當(dāng)S超過(guò)30%時(shí)，N維持在較低水平；反之，當(dāng)S低于30%時(shí)，N較高?；咀裱囊?guī)律：N與S負(fù)相關(guān)，S越高，N越低。要降低用電成本，需盡可能提高陽(yáng)澄湖水廠供水量。

4 能耗的影響因素

節(jié)約電耗成本需綜合考慮以下條件，需比較水廠不同的調(diào)度方案，選擇電耗最小的運(yùn)行方式，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

(1)陽(yáng)澄湖水廠

處理1 km3水，星港街水廠比陽(yáng)澄湖水廠多耗電47 kW·h/km3。降低用電成本，要從降低星港街水廠的電耗入手；陽(yáng)澄湖水廠日供水量為18萬(wàn)m3/d時(shí)，運(yùn)行比較經(jīng)濟(jì)，該廠電耗(Ny)在195.0±5.0 kW·h/km3；陽(yáng)澄湖水廠供水量占總供水量的百分比超過(guò)30%時(shí)，運(yùn)行較經(jīng)濟(jì)。

(2)星港街水廠

當(dāng)供水量在20～145萬(wàn)m3時(shí)，取水電耗在60～110 kW·h/km3變化，供水量越大，取水電耗越高。已知供水量，可計(jì)算出取水電耗，如果實(shí)際值與計(jì)算值相差±3.0 kW·h/km3，那么運(yùn)行正常；如果超過(guò)這個(gè)變化范圍，則需要對(duì)運(yùn)行情況進(jìn)行分析，查找是否存在異常用電情況[3]。降低星港街水廠電耗最有效的方法是降低取水電耗，減少該廠供水量，保持供水量在低于45萬(wàn)m3情況下運(yùn)行，兩根渾水管同時(shí)使用。出廠壓力直接影響電耗，出廠壓力越高，電耗越大。

(3)多因素影響水廠電耗

由圖10可知，1月～4月和6月，S大于30%，N在215 kW·h/km3以下，5月S為28.8%，N為219.5 kW·h/km3，電耗增加了4.5 kW·h/km3，7月S為28.7%，N為237.3 kW·h/km3，電耗增加了22.3 kW·h/km3。 5月和7月陽(yáng)澄湖水廠水量占比(S)幾乎相等，但是兩廠平均電耗(N)卻相差很大。這說(shuō)明，陽(yáng)澄湖水廠水量占比(S)單一的一個(gè)因素并不能決定電耗的大小，還受其他因素的制約。

圖10 2017年1月～7月兩廠平均電耗(N)與陽(yáng)澄湖水廠水量占比(S)關(guān)系Fig.10 Relationship between Average Power Consumption of Two WTPs and Proportion of Yangchenghu WTP from January to July during 2017

表3 供水量、出廠壓力對(duì)電耗成本的影響Tab.3 Impacts of Water Supply Quantity and Finished Water Pressure on Cost of Electricity Consumption

由表3可知：在S相等的情況下，7月兩廠平均電耗比5月增加8.1%，電耗增加的原因是供水量增加了21.9%，星港街出廠壓力增加了10.5%，這說(shuō)明兩廠平均電耗隨供水量的增加而增加，隨出廠壓力的升高而增大；星港街水廠電耗增加了10.3%，陽(yáng)澄湖水廠電耗只增加了1.7%，說(shuō)明兩廠平均電耗受星港街水廠電耗的影響較大；陽(yáng)澄湖水廠的出廠壓力與星港街水廠壓力同步增大。

5 結(jié)論

(1)星港街水廠的處理能耗比陽(yáng)澄湖水廠大，降低用電成本，主要是降低星港街水廠的電耗。供水量不同，兩水廠的出廠壓力也不同，所以實(shí)際供水時(shí)，要根據(jù)每個(gè)時(shí)間段的實(shí)際需水量合理分配。

(2)利用回歸分析法判斷星港街水廠和陽(yáng)澄湖水廠的能耗。一方面需要降低水廠的能耗；另一方面還應(yīng)考慮原水水質(zhì)和水廠長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行等[4]水廠的實(shí)際情況。