精細化設計對水質自動監(jiān)測站節(jié)能降碳貢獻應用與思考

梁志鋒

（佛山市順德生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，廣東 佛山 528300）

在中國環(huán)境監(jiān)測總站編制的《環(huán)境監(jiān)測技術路線》中，關于地表水監(jiān)測技術路線的描述為以地表水監(jiān)測采用以流域為單元，優(yōu)化斷面為基礎，連續(xù)自動監(jiān)測分析技術為先導；以手工采樣、實驗室分析技術為主導；以移動式現場快速應急監(jiān)測技術為輔助手段的自動監(jiān)測、常規(guī)監(jiān)測與應急監(jiān)測相結合的監(jiān)測技術路線。國內主要江河的各類控制斷面相繼建設了水質自動監(jiān)測站，這些站點都是參照《地表水自動監(jiān)測技術規(guī)范》（HJ915-2017）和行業(yè)例行的技術要求進行設計建設。

常規(guī)水質自動監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱常規(guī)系統(tǒng)）基本沿用十多年來的技術要求，冗余設計過多，例如采水量按照分析儀器測量實際需要量的3～4倍設計，預處理采用圓筒形過濾芯，反清洗需要高壓氣體等等，在硬件選取和運行模式上造成能耗較高。

本文以我區(qū)建設的潭洲水站為例，采用有別于常規(guī)水站的精細化設計和運行模式，通過對各組成部分結構和運行模式進行了精細化設計，形成了新的水質自動監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱新系統(tǒng)），設計內容包括：采水單元、預處理單元、樣品杯、管路反沖洗、系統(tǒng)控制部件和儀器[1]等，實現了相當于常規(guī)系統(tǒng)約72.6%的能耗，為同行水質自動監(jiān)測站建設提供了一種節(jié)能模式。

1 精細化設計的思路

響應黨的十九屆五中全會精神，在我們建設的水站通過技術創(chuàng)新，實現綠色轉型，實現能耗的持續(xù)降低，實現效益增長與資源節(jié)約、排放減少和環(huán)境改善[2]。

碳中和碳達峰的要求背景下，在此次潭洲水站設計中，緊緊圍繞節(jié)能降碳這一目標，對水質自動監(jiān)測站各組成部分結構進行了有別于常規(guī)水質自動監(jiān)測站（以下簡稱常規(guī)系統(tǒng)）的設計，在對常規(guī)系統(tǒng)進行研究后，發(fā)現有不少組成部分冗余設計過多，同時對一些運行方式進行了改變，對一些用電器尤其對耗電影響較大的如采水泵、分析儀等進行了重新選型，依據各部分能耗需求做更精準的電力供應，選用能耗更低滿足要求的組件和設備，升級運行模式等。精細化設計后，水站按照新的運行模式運行更精確、更細微、更協(xié)同，功耗更低，從而在節(jié)能降碳方向上實現持續(xù)提升。

2 精細化設計的具體措施

2.1 采水單元設計

采水單元有采水浮筒、采樣泵，采水管路、閥件等組成，其功能是確保水樣到達沉砂池和五參數流通池，滿足樣品預處理的需要。在這個部分主要進行兩個精細化設計：

2.1.1 減少采水量

常規(guī)水站儀表的實際需要樣水量，按照整套系統(tǒng)有4個樣品杯、每個樣品杯1 L計算，最終儀器測量需要的樣水是4 L。然而，按照行業(yè)例行的技術要求，采水量是達到沉砂池液位高點，通常是60 L。就算是需要沉砂后取上清液，60 L體積也是冗余太多。在潭洲水站中，縮小了沉砂池的體積，采水量達到沉砂池液位高點是25 L。這樣按照采樣泵功率是1.5 kW，額定流量是3 t/h。

常規(guī)系統(tǒng)中采水單元每個測量周期水樣注滿沉砂池消耗電量為：

新系統(tǒng)中采水單元每個測量周期水樣注滿沉砂池消耗電量為：

2.1.2 采用噴淋潤洗方式

沉砂池經過潤洗排放后再進入的水樣才能作為待測水樣，經過靜止過濾后再輸送給樣水杯。常規(guī)系統(tǒng)中的潤洗是注滿沉砂池后排放，那么這個潤洗需要的水量就是沉砂池的容量60（如圖1所示）。而新系統(tǒng)采用噴淋沉砂池潤洗方式，達到甚至優(yōu)于同樣的效果僅需要10 L水（如圖2所示）。

圖1 常規(guī)系統(tǒng)潤洗過程示意圖

圖2 新系統(tǒng)潤洗過程示意圖

常規(guī)系統(tǒng)中采水單元每個測量周期水樣注滿沉砂池消耗電量為：

新系統(tǒng)中采水單元每個測量周期潤洗消耗電量為：

2.2 預處理單元設計

預處理單元主要工作內容包括精密過濾和樣品轉移。常規(guī)系統(tǒng)中通常采用內徑5 cm過濾芯（陶瓷或不銹鋼材質，過水面積23.55 cm2）（如圖3所示），水樣經過增壓后從過濾芯的內側擠壓到外側，沒有通過過濾芯的雜質被流水帶走排放，一部分類似泥污、藻類和微生物的物質附著在內側壁上，這部分附著通過反向的高壓氣體或自來水反沖洗，反沖洗高壓氣體或自來水壓力應在0.5 MPa以上，以保持過濾芯的效能。

圖3 過濾芯工作原理示意圖

常規(guī)系統(tǒng)中要得到4 L的待測水樣，通常采用增壓泵（功率0.4 kW，流量5 L/min）從沉砂池轉移出去30 L以上的水，因為有大量的水通過過濾芯的內筒流走排放掉了，一小部分通過過濾壁成了待測水樣；過濾后采用高壓氣體反沖洗去除附在濾芯壁上的雜質。水站里通常采用1.2 kW，60 L氣體容量的空氣壓縮機，10 min打滿氣缸，按反沖洗一次消耗掉10 L壓縮氣體，這部分每個測量周期的消耗電量為：

新系統(tǒng)采用燒結陶瓷材質平板過濾（如圖4所示，規(guī)格20×20×10 cm（過水面積400 cm2），直接沉入沉砂池中，水樣通過陶瓷板兩邊的壓力差進行自行過濾，后端連接自吸轉移泵（功率0.4 kW，流量5 L/min），可實現精確轉移4 L水樣到樣水杯，反沖洗只需采用0.25 MPa自來水。

圖4 燒結陶瓷過濾工作原理示意圖

由于自來水的壓力在市政供水管網中可以實現，本部分不計算自來水的功率消耗。在新系統(tǒng)中這部分每個測量周期的消耗電量為：

2.3 管路反清洗設計

水站中管路反清洗是指：自來水伴隨高壓空氣，從監(jiān)測站房內沉砂池處系統(tǒng)接口快速經過采樣管路后，從采樣口處排入待測水體如河流或湖泊等的過程。由于水體中泥污和微生物會玷污到管路壁上，造成采集到的水樣發(fā)生變化，甚者堵塞采樣管路。因此需要在每個測量周期前后清洗管路[3]，一般清洗時間是從河水取樣前清洗10 min，完成對沉砂池的注滿后清洗10 min。

常規(guī)系統(tǒng)中，這部分是由自來水管增壓泵和壓縮空氣共同完成，由于通常接入的市政自來水壓力在0.5 MPa以上，這部分設置的增壓泵可以不工作，這里不考慮增壓泵的功耗和管路中電磁閥的功耗，每次基本消耗掉一缸壓縮氣體。這部分每個測量周期的消耗電量為：

新系統(tǒng)中，這部分是由自來水管增壓泵和空氣共同完成，省去了空壓機。自來水管接入采樣管往采水泵的方向50 cm處，Y型三通導入空氣，空氣管上安裝有電磁閥和單向閥。當采樣時，電磁閥關閉，反清洗時，電磁閥打開，高壓自來水反向沖往采樣泵時，利用真空泵原理，空氣被吸入管中，從而實現高壓自來水在反沖洗中的空氣震蕩功能。這部分幾乎不消耗電量，即W32≈0。

2 .4 系統(tǒng)電器部件選型

系統(tǒng)中電器的選型對功耗影響也是非常明顯，主要體現在以下兩個方面。

（1）采樣泵的選型，這部分的選型差異性和可選空間很大，在常規(guī)的水站中，大多配置超額吸程和超大揚程的水泵，大量冗余的水樣還沒有進入沉砂池就被排放掉了，這樣的設計就是增加了能耗，針對不同采樣高程和采樣距離選用剛好適合的水泵，就不會造成很多冗余，節(jié)約了能源。

常規(guī)系統(tǒng)中大多采用自吸泵，通常是按照吸程5 m，揚程20 m及以上進行的配置，滿足這個要求以某S牌自吸泵為例，在滿足吸程5 m的情況下，當揚程為20 m時，額定功率為2.2 kW，當揚程為10 m時，額定功率僅有0.55 kW。在實際應用中，絕大部分水站的采樣距離都在100 m以內，因此采用揚程為10 m的采樣泵完全滿足需要。按每個測量周期采樣時間為5 min，常規(guī)水站這部分每個測量周期消耗的電量為：

新系統(tǒng)的設計充分考察水站現場的采樣距離和采樣高度，按照實際需要針對性配置，這部分每個測量周期的消耗電量為：

（2）電磁閥的選型，在水站系統(tǒng)中各種電磁閥、氣動閥數量在30個以上，常規(guī)水站還在采用氣動閥，氣動閥既使用電，又使用壓縮空氣，無疑會消耗更多的電能。在新系統(tǒng)中，全面采用電磁閥也能滿足要求。這部分可以通過以下幾個途徑進一步節(jié)能降耗：

A將氣動閥改用電磁閥，既減少購買成本又節(jié)能；

B采用低電壓低功耗的電磁閥替代220 V高功耗的電磁閥；

C采用常開閥或常閉閥，避免長期帶電工作減少耗電時間。

3 精細化設計的新系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)年耗電量對比

水站耗電量包括參與周期運行的各用電器電量總和，包括采水單元W1、預處理單元W2、管路反清洗單元W3、系統(tǒng)電器部件W4、分析儀器W5、沉沙池清洗W6、控制單元W7等。因各類閥件在系統(tǒng)中耗電占比小于2%，在此統(tǒng)計中暫不做考慮。

控制單元功率0.8 kW，在每個周期為4 h中待機2 h，待機功率為0.1 KP，這部分的每個測量周期消耗電量為：

以潭洲水站為例，按照常規(guī)系統(tǒng)設計，整套系統(tǒng)每個測量周期消耗電量為：

按照新系統(tǒng)設計，整套系統(tǒng)每個測量周期消耗電量為：

新系統(tǒng)消耗電量相當于常規(guī)系統(tǒng)的百分比為：

按照上面計算出的理論值，站點每天測量6個周期，新系統(tǒng)半年度實際用電量應該為：

這個半年理論耗電量與我單位實際交的電費耗電量相符合。常規(guī)系統(tǒng)半年度實際用電量為4 062（kWh）比較常規(guī)系統(tǒng)來說，半年實際節(jié)約用電1 114 kWh，每個水站每年節(jié)省用電2 228 kWh，按照一個水站的生命周期十年計算，共節(jié)省用電22 280 kWh。

4 結論

在滿足規(guī)范和系統(tǒng)運行要求的情況下，針對水站運行的各個組成部分重新進行精細化設計，相比較常規(guī)系統(tǒng)來說，減少了太多的冗余設計，使用更低功耗的分析儀及設備，增加非動力結構。不斷加強對水質自動監(jiān)測系統(tǒng)的維護和優(yōu)化，以便更好地發(fā)揮作用，提高經濟、社會和生態(tài)環(huán)境效益[3]。從半年的實際運行效果看，新系統(tǒng)消耗電量只相當于常規(guī)系統(tǒng)的72.6%，節(jié)能效果明顯。

潭洲水站精細化設計的成功案例，對多年采用常規(guī)系統(tǒng)設計方式的建設方提供了一種新的思路和借鑒，通過精細化設計，能實現更多節(jié)能降碳，在全球碳中和碳達峰的背景下，具有劃時代意義。