精細化設計對水質自動監測站節能降碳貢獻應用與思考

梁志鋒

（佛山市順德生態環境監測站，廣東 佛山 528300）

在中國環境監測總站編制的《環境監測技術路線》中，關于地表水監測技術路線的描述為以地表水監測采用以流域為單元，優化斷面為基礎，連續自動監測分析技術為先導；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測技術為輔助手段的自動監測、常規監測與應急監測相結合的監測技術路線。國內主要江河的各類控制斷面相繼建設了水質自動監測站，這些站點都是參照《地表水自動監測技術規范》（HJ915-2017）和行業例行的技術要求進行設計建設。

常規水質自動監測系統（以下簡稱常規系統）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。

本文以我區建設的潭洲水站為例，采用有別于常規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測系統（以下簡稱新系統），設計內容包括：采水單元、預處理單元、樣品杯、管路反沖洗、系統控制部件和儀器[1]等，實現了相當于常規系統約72.6%的能耗，為同行水質自動監測站建設提供了一種節能模式。

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新，實現綠色轉型，實現能耗的持續降低，實現效益增長與資源節約、排放減少和環境改善[2]。

碳中和碳達峰的要求背景下，在此次潭洲水站設計中，緊緊圍繞節能降碳這一目標，對水質自動監測站各組成部分結構進行了有別于常規水質自動監測站（以下簡稱常規系統）的設計，在對常規系統進行研究后，發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、更協同，功耗更低，從而在節能降碳方向上實現持續提升。

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

常規水站儀表的實際需要樣水量，按照整套系統有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。

常規系統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。常規系統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）。而新系統采用噴淋沉砂池潤洗方式，達到甚至優于同樣的效果僅需要10 L水（如圖2所示）。

圖1 常規系統潤洗過程示意圖

圖2 新系統潤洗過程示意圖

常規系統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。常規系統中通常采用內徑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

常規系統中要得到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：

新系統采用燒結陶瓷材質平板過濾（如圖4所示，規格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，從監測站房內沉砂池處系統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。

常規系統中，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 系統電器部件選型

系統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，節約了能源。

常規系統中大多采用自吸泵，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，常規水站這部分每個測量周期消耗的電量為：

新系統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，在水站系統中各種電磁閥、氣動閥數量在30個以上，常規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能降耗：

A將氣動閥改用電磁閥，既減少購買成本又節能；

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與常規系統年耗電量對比

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。因各類閥件在系統中耗電占比小于2%，在此統計中暫不做考慮。

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，按照常規系統設計，整套系統每個測量周期消耗電量為：

按照新系統設計，整套系統每個測量周期消耗電量為：

新系統消耗電量相當于常規系統的百分比為：

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。常規系統半年度實際用電量為4 062（kWh）比較常規系統來說，半年實際節約用電1 114 kWh，每個水站每年節省用電2 228 kWh，按照一個水站的生命周期十年計算，共節省用電22 280 kWh。

4 結論

在滿足規范和系統運行要求的情況下，針對水站運行的各個組成部分重新進行精細化設計，相比較常規系統來說，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測系統的維護和優化，以便更好地發揮作用，提高經濟、社會和生態環境效益[3]。從半年的實際運行效果看，新系統消耗電量只相當于常規系統的72.6%，節能效果明顯。

潭洲水站精細化設計的成功案例，對多年采用常規系統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，能實現更多節能降碳，在全球碳中和碳達峰的背景下，具有劃時代意義。