精细化设计对水质自动监测站节能降碳贡献应用与思考

梁志锋

（佛山市顺德生态环境监测站，广东 佛山 528300）

在中国环境监测总站编制的《环境监测技术路线》中，关于地表水监测技术路线的描述为以地表水监测采用以流域为单元，优化断面为基础，连续自动监测分析技术为先导；以手工采样、实验室分析技术为主导；以移动式现场快速应急监测技术为辅助手段的自动监测、常规监测与应急监测相结合的监测技术路线。国内主要江河的各类控制断面相继建设了水质自动监测站，这些站点都是参照《地表水自动监测技术规范》（HJ915-2017）和行业例行的技术要求进行设计建设。

常规水质自动监测系统（以下简称常规系统）基本沿用十多年来的技术要求，冗余设计过多，例如采水量按照分析仪器测量实际需要量的3～4倍设计，预处理采用圆筒形过滤芯，反清洗需要高压气体等等，在硬件选取和运行模式上造成能耗较高。

本文以我区建设的潭洲水站为例，采用有别于常规水站的精细化设计和运行模式，通过对各组成部分结构和运行模式进行了精细化设计，形成了新的水质自动监测系统（以下简称新系统），设计内容包括：采水单元、预处理单元、样品杯、管路反冲洗、系统控制部件和仪器[1]等，实现了相当于常规系统约72.6%的能耗，为同行水质自动监测站建设提供了一种节能模式。

1 精细化设计的思路

响应党的十九届五中全会精神，在我们建设的水站通过技术创新，实现绿色转型，实现能耗的持续降低，实现效益增长与资源节约、排放减少和环境改善[2]。

碳中和碳达峰的要求背景下，在此次潭洲水站设计中，紧紧围绕节能降碳这一目标，对水质自动监测站各组成部分结构进行了有别于常规水质自动监测站（以下简称常规系统）的设计，在对常规系统进行研究后，发现有不少组成部分冗余设计过多，同时对一些运行方式进行了改变，对一些用电器尤其对耗电影响较大的如采水泵、分析仪等进行了重新选型，依据各部分能耗需求做更精准的电力供应，选用能耗更低满足要求的组件和设备，升级运行模式等。精细化设计后，水站按照新的运行模式运行更精确、更细微、更协同，功耗更低，从而在节能降碳方向上实现持续提升。

2 精细化设计的具体措施

2.1 采水单元设计

采水单元有采水浮筒、采样泵，采水管路、阀件等组成，其功能是确保水样到达沉砂池和五参数流通池，满足样品预处理的需要。在这个部分主要进行两个精细化设计：

2.1.1 减少采水量

常规水站仪表的实际需要样水量，按照整套系统有4个样品杯、每个样品杯1 L计算，最终仪器测量需要的样水是4 L。然而，按照行业例行的技术要求，采水量是达到沉砂池液位高点，通常是60 L。就算是需要沉砂后取上清液，60 L体积也是冗余太多。在潭洲水站中，缩小了沉砂池的体积，采水量达到沉砂池液位高点是25 L。这样按照采样泵功率是1.5 kW，额定流量是3 t/h。

常规系统中采水单元每个测量周期水样注满沉砂池消耗电量为：

新系统中采水单元每个测量周期水样注满沉砂池消耗电量为：

2.1.2 采用喷淋润洗方式

沉砂池经过润洗排放后再进入的水样才能作为待测水样，经过静止过滤后再输送给样水杯。常规系统中的润洗是注满沉砂池后排放，那么这个润洗需要的水量就是沉砂池的容量60（如图1所示）。而新系统采用喷淋沉砂池润洗方式，达到甚至优于同样的效果仅需要10 L水（如图2所示）。

图1 常规系统润洗过程示意图

图2 新系统润洗过程示意图

常规系统中采水单元每个测量周期水样注满沉砂池消耗电量为：

新系统中采水单元每个测量周期润洗消耗电量为：

2.2 预处理单元设计

预处理单元主要工作内容包括精密过滤和样品转移。常规系统中通常采用内径5 cm过滤芯（陶瓷或不锈钢材质，过水面积23.55 cm2）（如图3所示），水样经过增压后从过滤芯的内侧挤压到外侧，没有通过过滤芯的杂质被流水带走排放，一部分类似泥污、藻类和微生物的物质附着在内侧壁上，这部分附着通过反向的高压气体或自来水反冲洗，反冲洗高压气体或自来水压力应在0.5 MPa以上，以保持过滤芯的效能。

图3 过滤芯工作原理示意图

常规系统中要得到4 L的待测水样，通常采用增压泵（功率0.4 kW，流量5 L/min）从沉砂池转移出去30 L以上的水，因为有大量的水通过过滤芯的内筒流走排放掉了，一小部分通过过滤壁成了待测水样；过滤后采用高压气体反冲洗去除附在滤芯壁上的杂质。水站里通常采用1.2 kW，60 L气体容量的空气压缩机，10 min打满气缸，按反冲洗一次消耗掉10 L压缩气体，这部分每个测量周期的消耗电量为：

新系统采用烧结陶瓷材质平板过滤（如图4所示，规格20×20×10 cm（过水面积400 cm2），直接沉入沉砂池中，水样通过陶瓷板两边的压力差进行自行过滤，后端连接自吸转移泵（功率0.4 kW，流量5 L/min），可实现精确转移4 L水样到样水杯，反冲洗只需采用0.25 MPa自来水。

图4 烧结陶瓷过滤工作原理示意图

由于自来水的压力在市政供水管网中可以实现，本部分不计算自来水的功率消耗。在新系统中这部分每个测量周期的消耗电量为：

2.3 管路反清洗设计

水站中管路反清洗是指：自来水伴随高压空气，从监测站房内沉砂池处系统接口快速经过采样管路后，从采样口处排入待测水体如河流或湖泊等的过程。由于水体中泥污和微生物会玷污到管路壁上，造成采集到的水样发生变化，甚者堵塞采样管路。因此需要在每个测量周期前后清洗管路[3]，一般清洗时间是从河水取样前清洗10 min，完成对沉砂池的注满后清洗10 min。

常规系统中，这部分是由自来水管增压泵和压缩空气共同完成，由于通常接入的市政自来水压力在0.5 MPa以上，这部分设置的增压泵可以不工作，这里不考虑增压泵的功耗和管路中电磁阀的功耗，每次基本消耗掉一缸压缩气体。这部分每个测量周期的消耗电量为：

新系统中，这部分是由自来水管增压泵和空气共同完成，省去了空压机。自来水管接入采样管往采水泵的方向50 cm处，Y型三通导入空气，空气管上安装有电磁阀和单向阀。当采样时，电磁阀关闭，反清洗时，电磁阀打开，高压自来水反向冲往采样泵时，利用真空泵原理，空气被吸入管中，从而实现高压自来水在反冲洗中的空气震荡功能。这部分几乎不消耗电量，即W32≈0。

2 .4 系统电器部件选型

系统中电器的选型对功耗影响也是非常明显，主要体现在以下两个方面。

（1）采样泵的选型，这部分的选型差异性和可选空间很大，在常规的水站中，大多配置超额吸程和超大扬程的水泵，大量冗余的水样还没有进入沉砂池就被排放掉了，这样的设计就是增加了能耗，针对不同采样高程和采样距离选用刚好适合的水泵，就不会造成很多冗余，节约了能源。

常规系统中大多采用自吸泵，通常是按照吸程5 m，扬程20 m及以上进行的配置，满足这个要求以某S牌自吸泵为例，在满足吸程5 m的情况下，当扬程为20 m时，额定功率为2.2 kW，当扬程为10 m时，额定功率仅有0.55 kW。在实际应用中，绝大部分水站的采样距离都在100 m以内，因此采用扬程为10 m的采样泵完全满足需要。按每个测量周期采样时间为5 min，常规水站这部分每个测量周期消耗的电量为：

新系统的设计充分考察水站现场的采样距离和采样高度，按照实际需要针对性配置，这部分每个测量周期的消耗电量为：

（2）电磁阀的选型，在水站系统中各种电磁阀、气动阀数量在30个以上，常规水站还在采用气动阀，气动阀既使用电，又使用压缩空气，无疑会消耗更多的电能。在新系统中，全面采用电磁阀也能满足要求。这部分可以通过以下几个途径进一步节能降耗：

A将气动阀改用电磁阀，既减少购买成本又节能；

B采用低电压低功耗的电磁阀替代220 V高功耗的电磁阀；

C采用常开阀或常闭阀，避免长期带电工作减少耗电时间。

3 精细化设计的新系统与常规系统年耗电量对比

水站耗电量包括参与周期运行的各用电器电量总和，包括采水单元W1、预处理单元W2、管路反清洗单元W3、系统电器部件W4、分析仪器W5、沉沙池清洗W6、控制单元W7等。因各类阀件在系统中耗电占比小于2%，在此统计中暂不做考虑。

控制单元功率0.8 kW，在每个周期为4 h中待机2 h，待机功率为0.1 KP，这部分的每个测量周期消耗电量为：

以潭洲水站为例，按照常规系统设计，整套系统每个测量周期消耗电量为：

按照新系统设计，整套系统每个测量周期消耗电量为：

新系统消耗电量相当于常规系统的百分比为：

按照上面计算出的理论值，站点每天测量6个周期，新系统半年度实际用电量应该为：

这个半年理论耗电量与我单位实际交的电费耗电量相符合。常规系统半年度实际用电量为4 062（kWh）比较常规系统来说，半年实际节约用电1 114 kWh，每个水站每年节省用电2 228 kWh，按照一个水站的生命周期十年计算，共节省用电22 280 kWh。

4 结论

在满足规范和系统运行要求的情况下，针对水站运行的各个组成部分重新进行精细化设计，相比较常规系统来说，减少了太多的冗余设计，使用更低功耗的分析仪及设备，增加非动力结构。不断加强对水质自动监测系统的维护和优化，以便更好地发挥作用，提高经济、社会和生态环境效益[3]。从半年的实际运行效果看，新系统消耗电量只相当于常规系统的72.6%，节能效果明显。

潭洲水站精细化设计的成功案例，对多年采用常规系统设计方式的建设方提供了一种新的思路和借鉴，通过精细化设计，能实现更多节能降碳，在全球碳中和碳达峰的背景下，具有划时代意义。