利用回归分析法进行水厂节能降耗

李晓华，周艳红，马 飞，姚 青，Paul Wermter，刘洪波

(1.苏州工业园区清源华衍水务有限公司，江苏苏州 215000；2.上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093；3. 亚琛工业大学水和固体废弃物管理研究所，德国亚琛 52056)

苏州工业园区清源华衍水务有两座自来水厂，星港街水厂和阳澄湖水厂，负责园区278 km2的自来水供应，星港街水厂日供水能力为45万m3/d，阳澄湖水厂日供水能力为20万m3/d。两座水厂运行工作中，电耗分布根据工序大致可分为以下三部分：取水、制水、配水。利用回归分析法分析两水厂各部分的耗电比率，选择更合适的联合运行方式，降低生产成本，提高水厂效益。

1 供水概况

1.1 水厂概况

星港街水厂1998年建成投运，以东太湖为水源，采用常规+深度处理工艺，取水泵站位于30 km远的太湖浦庄，属于典型的远距离取水水厂。原水通过两根浑水管线输送到净水厂，浑水管的管径分别为DN1400和DN2200；二级泵房安装10台水泵机组，其中2台变频机组，额定流量为1 250 m3/h，8台定速机组的水泵额定流量为4 500 m3/h，水泵扬程为40 m。

阳澄湖水厂2014年投运并网供水，以阳澄东湖为水源，采用臭氧活性炭深度处理工艺，取水口距阳澄湖水厂600 m，属于近距离取水水厂。二级泵房安装4台水泵机组，均为变频机组，水泵额定扬程为41 m，单台水泵额定流量为3 620 m3/h。

由于两座水厂的生产能力、取水方式、水源水质、设备配置等不尽相同，在水量相同的条件下，电能消耗差别很大，要达到节能增效目的，就需要对水厂的生产历史数据进行全面分析，找到影响各水厂电耗的主要因素，通过制定相应措施，实现节能降耗目标[1-2]。历史数据显示，水厂的生产中，自来水制水成本包括四部分：动力、药剂、污泥处置和设备运行维护，其中动力(电费)成本占总制水成本的73%，因此如何控制好两厂的平均电耗，是节约成本的关键。

1.2 管网概况

苏州工业园区清源华衍水务供水服务面积为278 km2(含水域面积90 km2)，园区布水管径DN75 mm以上的管网为1 028 km，具有完善的管网SCADA系统和GIS系统。管网配置压力监测点56个，流量监测点48个，管网SCADA系统可实时/历史查询流量、压力数据，也可实时监控水厂和管网的流量、压力，完善的自控系统为数据分析提供了较全面的数据源。

1.3 园区用水特点

以年为单位分析，园区用水水量受季节影响很大，日变化系数为1.30。在春节期间供水量最小；夏季7月～9月这3个月属于高峰供水期，供水量最大。2017年供水量最低在1月28日(年初一)，供水量为25.96万m3，7月28日供水量最大，为56.97万m3，可以看出，2017年水厂最高日供水量是最低供水量的2倍。由历史数据可知，水压与水量的变化趋势一致，水量大，压力高，反之，压力低。春节期间，供水量最小，压力最低，星港街水厂出厂压力为0.265 MPa；高峰供水期，星港街水厂出厂压力为0.362 MPa，两者相差9.7 m扬程，出厂压力的高低直接影响电耗。

图1 园区一日24 h用水变化曲线Fig.1 Variation Curve of Water Consumption in Industrial Park within 24 h in a Day

图1为园区一日24 h用水变化。由图1可知，一日内用水量分配不均匀，存在较大的峰谷变化，时变化系数为1.25。根据用水量一日可划分为4个时段： 0:00～6:00为用水低谷期；6:00～11:00为用水高峰期；11:00～19:00为用水平期；19:00～23:00为用水次高峰期。

水厂供水量存在日、时变化，供水压力也随之变化，进而导致电耗存在较大差异。因此，根据水厂用水的实际变化规律，进行水量的合理调度对节能降耗工作十分必要。

2 专业名词及电耗计算公式

(1)电耗：每处理1 km3自来水消耗的电量；能耗指标，用N来表示，计量单位kW·h/km3。

(2)回归分析法：解释性预测，假设一个系统的输入和输出存在某种因果关系，系统输入变量的变化会引起输出变量的变化，且两者的关系是一个常数。

(3)两厂平均电耗：星港街和阳澄湖两座水厂的耗电量与供水量的比值，这个数值的大小是衡量是否节电的指标，用式(5)计算。

电耗计算如式(1)～式(5)。电量数据从电度表中获取，供水量、压力数据从管网SCADA中读取。

阳澄湖水厂取水、配水电耗计算方法与星港街水厂的相同。

Nx=Px÷Qx

(1)

其中：Nx—星港街水厂电耗,kW·h/km3；

Px—星港街水厂电量,kW·h；

Qx—星港街水厂供水量,km3。

Nxq=Pxq÷Qxq

(2)

其中：Nxq—星港街水厂取水电耗,kW·h/km3；

Pxq—星港街水厂取水电量,kW·h；

Qxq—星港街水厂取水量,km3。

Nxp=Pxp÷Qxp

(3)

其中：Nxp—星港街水厂配水电耗,kW·h/km3；

Pxp—星港街水厂配水电量,kW·h；

Qxp—星港街水厂供水量,km3。

Nxz=Nx-Nxq-Nxp

(4)

其中：Nxz—星港街水厂制水电耗,kW·h/km3。

N=(Px+Py) ÷(Qx+Qy)

(5)

其中：N—两厂平均电耗,kW·h/km3；

Py—阳澄湖水厂电量,kW·h；

Qy—阳澄湖水厂供水量,km3。

S=Qy÷(Qx+Qy) 100

(6)

其中：S—阳澄湖供水量占总供水量百分比。

3 水厂电耗分析

两厂平均电耗与星港街水厂和阳澄湖水厂的电量、水量有关，换言之，与两厂各自的电耗有关。星港街水厂的电耗(Nx)为 243 kW·h/km3，阳澄湖水厂的电耗(Ny)为196 kW·h/km3，同样处理1 km3水，星港街水厂比阳澄湖水厂多耗电47 kW·h/km3。分析各厂的用电特点，合理分配水量，进而确定两厂

的经济运行方式十分必要。首先分析每座水厂的电耗影响因素，水厂的用电分布根据工序大致可分为以下三部分：取水、制水、配水，各部分电量分布如图2所示。星港街取水电量与配水电量之和占总电量的92%，阳澄湖水厂配水电量占总电量的60%。本文主要研究星港街水厂的取水电耗(Nxq)、配水电耗(Nxp)以及阳澄湖水厂的配水电耗(Nyp)与哪些因素有关。

图2 星港街与阳澄湖水厂用电分布Fig.2 Distribution of Electricity Consumption in Xinggangjie WTP and Yangchenghu WTP

3.1 星港街水厂

3.1.1 取水电耗(Nxq)与供水量(Qx)的关系

当供水量在20～45万m3时，星港街水厂取水电耗与供水量成正比，如图3所示。

图3 星港街水厂取水电耗与供水量关系Fig.3 Relationship between Power Consumption of Intake Water and Water Supply Quantity in Xinggangjie WTP

由图3可知：当供水量(Qx)在20～45万m3时，取水电耗(Nxq)在60～110 kW·h/km3，供水量越大，取水电耗越高；当供水量超过45万m3时，取水电耗跳跃式升高，偏离线性，但仍然遵循取水电耗随供水量增加而增大的变化趋势。

原因分析：水厂供水量增加，取水量也随之增加，当取水量增加时，以下因素导致取水电耗上升。①水泵开启台数增加，电耗上升；②变频器频率增大，电耗上升，因为轴功率与转速的三次方成正比；③泵站出口压力增加，水头损失增大，电耗上升；④当供水量超过45万m3时，泵站已不在最佳工况运行，所以取水电耗跳跃式上升，无规律可循。

3.1.2 取水电耗(Nxq)与浑水管运行方式的关系

星港街水厂的浑水管运行方式有以下3种，浑水管的运行方式对取水电耗影响比较大，具体如表1和图4所示。

图4为2016年6月8日～6月20日星港街水厂取水电耗与供水量的关系曲线，这段时间供水量在22～29万m3，变化不大。但是，6月13日、14日取水电耗比正常情况突然升高了18 kW·h/km3，主要是因为，这两天DN1400浑水管施工，DN2200浑水管单独运行，浑水管单独运行与两根同时运行相比，浑水管压力升高0.02～0.15 MPa，提升相同水量所需的功率增加，取水电耗上升。

表1 星港街水厂浑水管运行方式Tab.1 Operation Mode of Turbid Water Pipe in Xinggangjie WTP

图4 星港街水厂浑水管的运行方式对取水电耗影响Fig.4 Influences of Operation Mode of Muddy Pipe on Power Consumption of Xinggangjie WTP

3.1.3 配水电耗与供水量关系

图5 星港街水厂配水电耗与供水量关系Fig.5 Relationship between Power Consumption and Water Supply in Xinggangjie WTP

(2)配水电耗(Nxp)与出厂压力关系密切，出厂压力高，配水电耗大，如图6所示。

图6 星港街水厂配水电耗与出厂压力的关系Fig.6 Relationship between Power Consumption of Water Distri-bution System and Finished Water Pressure in Xinggangjie WTP

由图6可知：当出厂压力在0.270 MPa左右时，配水电耗以125.0 kW·h/km3为中心线上下波动；当出厂压力在0.290 MPa左右时，配水电耗以130.0 kW·h/km3为中心线上下波动。原因分析：出厂压力升高，提升相同水量所需要的势能增加，其直接表现形式是二级泵房的电量增加，配水电耗升高[2]。

3.1.4 星港街水厂电耗(Nx)与供水量(Qx)的关系

星港街水厂取水电耗与供水量呈正相关，配水电耗与供水量无相关性，受取水电耗影响，星港街水厂电耗总体上遵循供水量增加电耗增大的规律。

3.2 阳澄湖水厂

由图4可知，阳澄湖水厂配水电量与取水电量之和占总电量的73%。因此，阳澄湖水厂电耗主要取决于取、配水电耗，以此为依据确定水量调度优先级。

阳澄湖水厂取水泵房有6台水泵机组，配水泵房有4台水泵机组，全部为变频机组，取水单台水泵额定流量为2 188 m3/h，额定功率为90 kW；配水单台水泵额定流量为3 620 m3/h,额定功率为550 kW，该厂日供水量与水泵开启台数及取配水电耗之间的关系如表2所示。

由表2可知，当供水量不同时，因运行的取水泵和配水泵数量不同，取配水理论电耗差别较大，当日供水量为18×104m3/d时，取配水理论电耗为155.7 kW·h/km3，属于最经济运行状态。在阳澄湖原水水质正常的情况下，该厂日供水量最先考虑18×104m3/d运行，如果园区用水量整体下降，该厂日供水量可以降到15×104m3/d；如果发生星港街水厂改造或维修等特殊情况，需要阳澄湖水厂加大供水量，该厂则可以在20×104m3/d运行。总之，阳澄湖水厂日供水量应保持在15×104m3/d以上，低于这个数值属于非经济运行。

表2 阳澄湖水厂取、配水电耗与供水量的关系Tab.2 Relationship between Water Distribution and Water Supply in Yangchenghu WTP

注：水泵效率取80%

3.3 两厂平均电耗与各厂电耗的关系

3.3.1 两厂平均电耗(N)与星港街水厂电耗(Nx)的关系

两厂平均电耗(N)与星港街水厂电耗(Nx)的关系如图7所示。两者呈显著的正相关，相关系数为0.918。两厂平均电耗主要取决于星港街水厂，如果要降低用电成本，要从降低星港街水厂的电耗入手。主要是因为，受设计能力的影响，星港街水厂设计能力为45万m3/d，而阳澄湖水厂只有20万m3/d，在园区整个区域供水中，星港街水厂承担着主要的供水任务。

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图7 两厂平均电耗(N)与星港街水厂电耗(Nx)的关系Fig.7 Relationship between Average Power Consumption of Two WTPs and Power Consumption of Xinggangjie WTP

3.3.2 两厂平均电耗(N)与阳澄湖水厂电耗(Ny)的关系

由图8可知，两厂平均电耗(N)与阳澄湖水厂电耗(Ny)无明显相关性，也无规律可循。

图8 两厂平均电耗(N)与阳澄湖水厂电耗(Ny)的关系Fig.8 Relationship between Average Power Consumption of Two WTPs and Power Consumption of Yangchenghu WTP

3.3.3 两厂平均电耗(N)与阳澄湖水量在总供水量的占比(S)的关系

两厂平均电耗与阳澄湖水厂电耗的关系如图9所示，两者的相关系数为0.481 4，表明两厂平均电耗与阳澄湖水厂电耗无明显关系，但与阳澄湖水量在总供水量的占比关系较大。

图9 两厂平均电耗与阳澄湖水量在总供水量的占比的关系Fig.9 Relationship between Average Power Consumption of Two WTPs and Proportion of Yangchenghu WTP in Total Water Supply Quantity

当S超过30%时，N维持在较低水平；反之，当S低于30%时，N较高。基本遵循的规律：N与S负相关，S越高，N越低。要降低用电成本，需尽可能提高阳澄湖水厂供水量。

4 能耗的影响因素

节约电耗成本需综合考虑以下条件，需比较水厂不同的调度方案，选择电耗最小的运行方式，从而达到节能降耗的目的。

(1)阳澄湖水厂

处理1 km3水，星港街水厂比阳澄湖水厂多耗电47 kW·h/km3。降低用电成本，要从降低星港街水厂的电耗入手；阳澄湖水厂日供水量为18万m3/d时，运行比较经济，该厂电耗(Ny)在195.0±5.0 kW·h/km3；阳澄湖水厂供水量占总供水量的百分比超过30%时，运行较经济。

(2)星港街水厂

当供水量在20～145万m3时，取水电耗在60～110 kW·h/km3变化，供水量越大，取水电耗越高。已知供水量，可计算出取水电耗，如果实际值与计算值相差±3.0 kW·h/km3，那么运行正常；如果超过这个变化范围，则需要对运行情况进行分析，查找是否存在异常用电情况[3]。降低星港街水厂电耗最有效的方法是降低取水电耗，减少该厂供水量，保持供水量在低于45万m3情况下运行，两根浑水管同时使用。出厂压力直接影响电耗，出厂压力越高，电耗越大。

(3)多因素影响水厂电耗

由图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为28.8%，N为219.5 kW·h/km3，电耗增加了4.5 kW·h/km3，7月S为28.7%，N为237.3 kW·h/km3，电耗增加了22.3 kW·h/km3。 5月和7月阳澄湖水厂水量占比(S)几乎相等，但是两厂平均电耗(N)却相差很大。这说明，阳澄湖水厂水量占比(S)单一的一个因素并不能决定电耗的大小，还受其他因素的制约。

图10 2017年1月～7月两厂平均电耗(N)与阳澄湖水厂水量占比(S)关系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、出厂压力对电耗成本的影响Tab.3 Impacts of Water Supply Quantity and Finished Water Pressure on Cost of Electricity Consumption

由表3可知：在S相等的情况下，7月两厂平均电耗比5月增加8.1%，电耗增加的原因是供水量增加了21.9%，星港街出厂压力增加了10.5%，这说明两厂平均电耗随供水量的增加而增加，随出厂压力的升高而增大；星港街水厂电耗增加了10.3%，阳澄湖水厂电耗只增加了1.7%，说明两厂平均电耗受星港街水厂电耗的影响较大；阳澄湖水厂的出厂压力与星港街水厂压力同步增大。

5 结论

(1)星港街水厂的处理能耗比阳澄湖水厂大，降低用电成本，主要是降低星港街水厂的电耗。供水量不同，两水厂的出厂压力也不同，所以实际供水时，要根据每个时间段的实际需水量合理分配。

(2)利用回归分析法判断星港街水厂和阳澄湖水厂的能耗。一方面需要降低水厂的能耗；另一方面还应考虑原水水质和水厂长期安全稳定运行等[4]水厂的实际情况。