利用回歸分析法進行水廠節能降耗

李曉華，周艷紅，馬 飛，姚 青，Paul Wermter，劉洪波

(1.蘇州工業園區清源華衍水務有限公司，江蘇蘇州 215000；2.上海理工大學環境與建筑學院，上海 200093；3. 亞琛工業大學水和固體廢棄物管理研究所，德國亞琛 52056)

蘇州工業園區清源華衍水務有兩座自來水廠，星港街水廠和陽澄湖水廠，負責園區278 km2的自來水供應，星港街水廠日供水能力為45萬m3/d，陽澄湖水廠日供水能力為20萬m3/d。兩座水廠運行工作中，電耗分布根據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，選擇更合適的聯合運行方式，降低生產成本，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，以東太湖為水源，采用常規+深度處理工藝，取水泵站位于30 km遠的太湖浦莊，屬于典型的遠距離取水水廠。原水通過兩根渾水管線輸送到凈水廠，渾水管的管徑分別為DN1400和DN2200；二級泵房安裝10臺水泵機組，其中2臺變頻機組，額定流量為1 250 m3/h，8臺定速機組的水泵額定流量為4 500 m3/h，水泵揚程為40 m。

陽澄湖水廠2014年投運并網供水，以陽澄東湖為水源，采用臭氧活性炭深度處理工藝，取水口距陽澄湖水廠600 m，屬于近距離取水水廠。二級泵房安裝4臺水泵機組，均為變頻機組，水泵額定揚程為41 m，單臺水泵額定流量為3 620 m3/h。

由于兩座水廠的生產能力、取水方式、水源水質、設備配置等不盡相同，在水量相同的條件下，電能消耗差別很大，要達到節能增效目的，就需要對水廠的生產歷史數據進行全面分析，找到影響各水廠電耗的主要因素，通過制定相應措施，實現節能降耗目標[1-2]。歷史數據顯示，水廠的生產中，自來水制水成本包括四部分：動力、藥劑、污泥處置和設備運行維護，其中動力(電費)成本占總制水成本的73%，因此如何控制好兩廠的平均電耗，是節約成本的關鍵。

1.2 管網概況

蘇州工業園區清源華衍水務供水服務面積為278 km2(含水域面積90 km2)，園區布水管徑DN75 mm以上的管網為1 028 km，具有完善的管網SCADA系統和GIS系統。管網配置壓力監測點56個，流量監測點48個，管網SCADA系統可實時/歷史查詢流量、壓力數據，也可實時監控水廠和管網的流量、壓力，完善的自控系統為數據分析提供了較全面的數據源。

1.3 園區用水特點

以年為單位分析，園區用水水量受季節影響很大，日變化系數為1.30。在春節期間供水量最??；夏季7月～9月這3個月屬于高峰供水期，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m3，7月28日供水量最大，為56.97萬m3，可以看出，2017年水廠最高日供水量是最低供水量的2倍。由歷史數據可知，水壓與水量的變化趨勢一致，水量大，壓力高，反之，壓力低。春節期間，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揚程，出廠壓力的高低直接影響電耗。

圖1 園區一日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為園區一日24 h用水變化。由圖1可知，一日內用水量分配不均勻，存在較大的峰谷變化，時變化系數為1.25。根據用水量一日可劃分為4個時段： 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、時變化，供水壓力也隨之變化，進而導致電耗存在較大差異。因此，根據水廠用水的實際變化規律，進行水量的合理調度對節能降耗工作十分必要。

2 專業名詞及電耗計算公式

(1)電耗：每處理1 km3自來水消耗的電量；能耗指標，用N來表示，計量單位kW·h/km3。

(2)回歸分析法：解釋性預測，假設一個系統的輸入和輸出存在某種因果關系，系統輸入變量的變化會引起輸出變量的變化，且兩者的關系是一個常數。

(3)兩廠平均電耗：星港街和陽澄湖兩座水廠的耗電量與供水量的比值，這個數值的大小是衡量是否節電的指標，用式(5)計算。

電耗計算如式(1)～式(5)。電量數據從電度表中獲取，供水量、壓力數據從管網SCADA中讀取。

陽澄湖水廠取水、配水電耗計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—陽澄湖水廠電量,kW·h；

Qy—陽澄湖水廠供水量,km3。

S=Qy÷(Qx+Qy) 100

(6)

其中：S—陽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澄湖水廠的電量、水量有關，換言之，與兩廠各自的電耗有關。星港街水廠的電耗(Nx)為 243 kW·h/km3，陽澄湖水廠的電耗(Ny)為196 kW·h/km3，同樣處理1 km3水，星港街水廠比陽澄湖水廠多耗電47 kW·h/km3。分析各廠的用電特點，合理分配水量，進而確定兩廠

的經濟運行方式十分必要。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)以及陽澄湖水廠的配水電耗(Nyp)與哪些因素有關。

圖2 星港街與陽澄湖水廠用電分布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)的關系

當供水量在20～45萬m3時，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系Fig.3 Relationship between Power Consumption of Intake Water and Water Supply Quantity in Xinggangjie WTP

由圖3可知：當供水量(Qx)在20～45萬m3時，取水電耗(Nxq)在60～110 kW·h/km3，供水量越大，取水電耗越高；當供水量超過45萬m3時，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。

原因分析：水廠供水量增加，取水量也隨之增加，當取水量增加時，以下因素導致取水電耗上升。①水泵開啟臺數增加，電耗上升；②變頻器頻率增大，電耗上升，因為軸功率與轉速的三次方成正比；③泵站出口壓力增加，水頭損失增大，電耗上升；④當供水量超過45萬m3時，泵站已不在最佳工況運行，所以取水電耗跳躍式上升，無規律可循。

3.1.2 取水電耗(Nxq)與渾水管運行方式的關系

星港街水廠的渾水管運行方式有以下3種，渾水管的運行方式對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系曲線，這段時間供水量在22～29萬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，主要是因為，這兩天DN1400渾水管施工，DN2200渾水管單獨運行，渾水管單獨運行與兩根同時運行相比，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行方式對取水電耗影響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系

圖5 星港街水廠配水電耗與供水量關系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：當出廠壓力在0.270 MPa左右時，配水電耗以125.0 kW·h/km3為中心線上下波動；當出廠壓力在0.290 MPa左右時，配水電耗以130.0 kW·h/km3為中心線上下波動。原因分析：出廠壓力升高，提升相同水量所需要的勢能增加，其直接表現形式是二級泵房的電量增加，配水電耗升高[2]。

3.1.4 星港街水廠電耗(Nx)與供水量(Qx)的關系

星港街水廠取水電耗與供水量呈正相關，配水電耗與供水量無相關性，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律。

3.2 陽澄湖水廠

由圖4可知，陽澄湖水廠配水電量與取水電量之和占總電量的73%。因此，陽澄湖水廠電耗主要取決于取、配水電耗，以此為依據確定水量調度優先級。

陽澄湖水廠取水泵房有6臺水泵機組，配水泵房有4臺水泵機組，全部為變頻機組，取水單臺水泵額定流量為2 188 m3/h，額定功率為90 kW；配水單臺水泵額定流量為3 620 m3/h,額定功率為550 kW，該廠日供水量與水泵開啟臺數及取配水電耗之間的關系如表2所示。

由表2可知，當供水量不同時，因運行的取水泵和配水泵數量不同，取配水理論電耗差別較大，當日供水量為18×104m3/d時，取配水理論電耗為155.7 kW·h/km3，屬于最經濟運行狀態。在陽澄湖原水水質正常的情況下，該廠日供水量最先考慮18×104m3/d運行，如果園區用水量整體下降，該廠日供水量可以降到15×104m3/d；如果發生星港街水廠改造或維修等特殊情況，需要陽澄湖水廠加大供水量，該廠則可以在20×104m3/d運行?？傊柍魏畯S日供水量應保持在15×104m3/d以上，低于這個數值屬于非經濟運行。

表2 陽澄湖水廠取、配水電耗與供水量的關系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系

3.3.1 兩廠平均電耗(N)與星港街水廠電耗(Nx)的關系

兩廠平均電耗(N)與星港街水廠電耗(Nx)的關系如圖7所示。兩者呈顯著的正相關，相關系數為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。主要是因為，受設計能力的影響，星港街水廠設計能力為45萬m3/d，而陽澄湖水廠只有20萬m3/d，在園區整個區域供水中，星港街水廠承擔著主要的供水任務。

秦安縣水土流失嚴重，生態環境惡劣，干旱缺水是制約經濟和社會發展的最大瓶頸。建立一個合理高效的生態系統，以可持續發展為目標，通過加大花椒產業基礎設施建設投入，引進先進花椒品種及栽培技術。增建節水灌溉設施、增施有機肥、改善土壤理化性狀等耕作技術，調整當地種植結構，建立科學合理的耕作制度，推廣地膜覆蓋、設施栽培技術，充分利用天然降雨，減少地下水的使用，制定立體高效生態林果業等一系列措施，控制生態系統的惡化，實現環境、經濟和社會的可持續發展。

圖7 兩廠平均電耗(N)與星港街水廠電耗(Nx)的關系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)與陽澄湖水廠電耗(Ny)的關系

由圖8可知，兩廠平均電耗(N)與陽澄湖水廠電耗(Ny)無明顯相關性，也無規律可循。

圖8 兩廠平均電耗(N)與陽澄湖水廠電耗(Ny)的關系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)與陽澄湖水量在總供水量的占比(S)的關系

兩廠平均電耗與陽澄湖水廠電耗的關系如圖9所示，兩者的相關系數為0.481 4，表明兩廠平均電耗與陽澄湖水廠電耗無明顯關系，但與陽澄湖水量在總供水量的占比關系較大。

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

當S超過30%時，N維持在較低水平；反之，當S低于30%時，N較高?；咀裱囊幝桑篘與S負相關，S越高，N越低。要降低用電成本，需盡可能提高陽澄湖水廠供水量。

4 能耗的影響因素

節約電耗成本需綜合考慮以下條件，需比較水廠不同的調度方案，選擇電耗最小的運行方式，從而達到節能降耗的目的。

(1)陽澄湖水廠

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

(2)星港街水廠

當供水量在20～145萬m3時，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，可計算出取水電耗，如果實際值與計算值相差±3.0 kW·h/km3，那么運行正常；如果超過這個變化范圍，則需要對運行情況進行分析，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m3情況下運行，兩根渾水管同時使用。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。這說明，陽澄湖水廠水量占比(S)單一的一個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)與陽澄湖水廠水量占比(S)關系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%，陽澄湖水廠電耗只增加了1.7%，說明兩廠平均電耗受星港街水廠電耗的影響較大；陽澄湖水廠的出廠壓力與星港街水廠壓力同步增大。

5 結論

(1)星港街水廠的處理能耗比陽澄湖水廠大，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，所以實際供水時，要根據每個時間段的實際需水量合理分配。

(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；另一方面還應考慮原水水質和水廠長期安全穩定運行等[4]水廠的實際情況。