淺析城鎮(zhèn)污水處理廠供配電系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計

任運業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：通過分析城鎮(zhèn)污水處理廠的基本能耗,對城鎮(zhèn)污水處理廠供配電系統(tǒng)的節(jié)能價值進行簡要概述，同時提出一系列城鎮(zhèn)污 水處理廠供配電系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計的措施，以及節(jié)能減排導(dǎo)向下該系統(tǒng)的優(yōu)化方法。通過研究可知，供配電系統(tǒng)需要根據(jù)自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計，從電氣設(shè)備、電纜線路的節(jié)能設(shè)計中控制電力資源損耗，以此促進城鎮(zhèn)污水處理廠的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：供配電系統(tǒng)；節(jié)能設(shè)計；優(yōu)化措施；污水處理廠

引言

為了在促進社會經(jīng)濟發(fā)展的同時減少資源損耗，城鎮(zhèn)污水處理廠建設(shè)時應(yīng)從供配電系統(tǒng)入手，對廠區(qū)的供配電系統(tǒng) 進行節(jié)能設(shè)計,減少電能損耗,控制運行成本。為實現(xiàn)城鎮(zhèn)污水處理廠供配電系統(tǒng)的節(jié)能目標,還應(yīng)從系統(tǒng)電氣設(shè)計、設(shè)備選型等方面入手，多層次地控制系統(tǒng)能耗。一、城鎮(zhèn)污水處理廠能耗分析

城鎮(zhèn)污水處理廠是城市文明建設(shè)中處理城市污水、凈化 水資源的重要工具。但在污水處理廠實際運行期間會損耗大量的電力資源、水資源和其他資源，其中，電力消耗是污水處理廠的主要能耗類型。據(jù)了解，我國一線城市的污水處理廠每處理1 m3的水會耗電0.07 kW-h,普通二線城市每處理1 m3 的水會耗電0.3 kW-ho污水處理廠在處理污水時需要借助脫水機、沖擊裝置,這類污水處理設(shè)備會損耗大量的水資源，且各類設(shè)備運行過程中同樣需要消耗一定量的電力資源，而資源的損耗又會增加城市污水處理廠的運行成本。

二、城鎮(zhèn)污水處理廠供配電系統(tǒng)的節(jié)能價值

某城鎮(zhèn)污水處理廠一年的電費成本為5 123萬元,占污水處理廠總成本的15%,水資源成本為357元，各類電氣設(shè)備的 運維管理及基本維護約為3 567元。由此可見,城鎮(zhèn)污水處理廠在運行過程中為減少成本支出、預(yù)防能源損耗，還應(yīng)多層次地控制廠區(qū)生產(chǎn)中的能源消耗費用。供配電系統(tǒng)作為城鎮(zhèn)污水處理廠的核心結(jié)構(gòu),支撐著污水處理廠的整體運作。因此,只有quan方位地優(yōu)化污水處理廠的供配電系統(tǒng)設(shè)計，將節(jié)能減排理念融入供配電設(shè)計系統(tǒng)中，才能減少污水處理廠的電力資源損耗,為污水處理廠的可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造有利條件。 1） 城鎮(zhèn)污水處理廠供配電系統(tǒng)的節(jié)能處理，可通過電纜線路設(shè)計、變壓器的選型減少電力資源損耗、控制城鎮(zhèn)污水處理廠的整體能耗。 2） 優(yōu)化城鎮(zhèn)污水處理廠供配電系統(tǒng)設(shè)計,有利于提升各類電氣設(shè)備的運行效率，使其在高效運作的過程中保證城鎮(zhèn)污水處理廠的生產(chǎn)效益,控制污水處理時間,節(jié)省污水處理成本，使污水處理廠能夠健康發(fā)展。

三、城鎮(zhèn)污水處理廠供配電系統(tǒng)設(shè)計節(jié)能措施

1電纜線路的節(jié)能設(shè)計

變壓器是城鎮(zhèn)污水處理廠供配電系統(tǒng)的核心裝置，由于 系統(tǒng)運行中變壓器的有功損耗較大,所以,在城鎮(zhèn)污水處理項目中,各類變壓設(shè)備所需的電線、電纜較多,且線纜波動范圍較大。因此，節(jié)能設(shè)計供配電系統(tǒng)時，相關(guān)人員可通過電纜線路的節(jié)能設(shè)計減少電能損耗，節(jié)約電力資源。具體而言,城鎮(zhèn)污水處理廠供配電系統(tǒng)中,不同導(dǎo)體的電阻、電氣設(shè)備的電阻率與電纜、線路的長度息息相關(guān),所以,為節(jié)約電纜線路能耗，可通過控制電阻率的方式節(jié)約電力資源。

1） 鋁制的線纜、銅制的線纜電阻率有明顯差異。城鎮(zhèn)污水處理廠在建設(shè)供配電系統(tǒng)時，設(shè)計人員可選擇電阻率較小的銅芯電纜，確定該線纜材料后,還應(yīng)在控制線纜內(nèi)電流大小的基礎(chǔ)上，適當?shù)卦黾泳€纜面積，以減少電纜線路能耗。

2） 正式布設(shè)電纜時，還應(yīng)優(yōu)化線纜敷設(shè)方案:盡量縮短城鎮(zhèn)污水處理廠負荷中心、供配電系統(tǒng)變壓器之間的間距;合理控制線纜長度，使電纜"少走彎路"。

3） 整體設(shè)計電纜線路時,其長度、分布、材質(zhì)、規(guī)格應(yīng)符合供配電系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計及安全設(shè)計要求，且線纜承載電流量能力應(yīng)大于線路所需的電流。

2引進PLC節(jié)能控制技術(shù)

城鎮(zhèn)現(xiàn)代化建設(shè)對污水處理廠的監(jiān)測控制提出了更多的要求。PLC節(jié)能技術(shù)可應(yīng)用在污水處理廠的供配電系統(tǒng)中，監(jiān)測污水處理廠處理污水時的電力負荷?；赑LC節(jié)能技術(shù)的前后反饋理論、自適應(yīng)技術(shù)優(yōu)化控制供配電系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，污水處理廠可以在污水處理活動中自動化地調(diào)節(jié)供配電系統(tǒng)的運營管理方案,控制系統(tǒng)電流大小。同時基于供配電系統(tǒng)的節(jié)能控制,能夠監(jiān)測整合污水處理工藝,quan方位地控制污水處理各環(huán)節(jié)中的能源損耗，如藥劑添加、供養(yǎng)強度、電力投入等叫基于PLC節(jié)能控制技術(shù)可使供配電系統(tǒng)高效運行，減少系統(tǒng)響應(yīng)時間,進一步減少系統(tǒng)電能損耗,控制碳排放量,實現(xiàn)節(jié)能減排的基本目標。因此,在設(shè)計城鎮(zhèn)污水處理廠內(nèi)部的供配電系統(tǒng)時，還應(yīng)結(jié)合PLC節(jié)能控制技術(shù)建立以以太網(wǎng)為核心的節(jié)能通信監(jiān)測平臺，實時監(jiān)控城鎮(zhèn)污水處理廠運營期間的工藝參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)，針對性地控制系統(tǒng)的電力資源損耗。

3靈活設(shè)計變電站

電能是城鎮(zhèn)污水處理廠的主要損耗能源。設(shè)計廠區(qū)內(nèi)的供配電系統(tǒng)時，需要靈活設(shè)計變電站，利用變電站的結(jié)構(gòu)設(shè)計降低城鎮(zhèn)污水處理廠供配電系統(tǒng)的供配電級。對于城鎮(zhèn)污水處理廠，變電站有著不可忽視的作用。設(shè)計變電站時,相關(guān)人員可根據(jù)污水處理廠內(nèi)電力資源的主要負荷中心是污水處理廠電力需求較大的區(qū)域，對該區(qū)域的供配電裝置、變電設(shè)備進行節(jié)能設(shè)計時，不僅可以控制電力資源,還能減少供配電成本,確保城鎮(zhèn)污水處理廠供配電系統(tǒng)的安全性和可靠性。此外，降低城鎮(zhèn)污水處理廠的供配電級時，應(yīng)根據(jù)污水處理廠所需的電負荷范圍，使配電級數(shù)符合1 000-10 000 kW的用電負荷需求，盡量控制配電級數(shù)，預(yù)防電力資源損失。

4節(jié)能設(shè)計電氣控制系統(tǒng)

對污水處理廠供配電系統(tǒng)進行節(jié)能設(shè)計時，還應(yīng)針對電氣控制設(shè)計節(jié)能方案,具體思路如下:

1） 科學(xué)選擇供配電系統(tǒng)中的變頻調(diào)速設(shè)備，通過此類設(shè)備增強供配電系統(tǒng)的節(jié)能性。城鎮(zhèn)污水處理廠的電氣設(shè)計中,變頻調(diào)速設(shè)備本身具有較強的節(jié)能特點，采用該設(shè)計可在流體學(xué)定律的支持下,通過調(diào)整電流量、設(shè)備轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，保證城鎮(zhèn)污水處理廠供配電系統(tǒng)中的用電質(zhì)量，提升其節(jié)電率叫比如,在變頻調(diào)速設(shè)備的應(yīng)用過程中,污水處理廠可使用智能化水平較高的供配電裝置，該類裝置運行過程中可利用變頻調(diào)速技術(shù)智能調(diào)節(jié)處理裝置內(nèi)的電流量，并根據(jù)污水處理廠處理過程中的設(shè)備負荷,節(jié)約電能消耗。

2）城鎮(zhèn)污水處理廠應(yīng)重視電氣控制方面的節(jié)能設(shè)計,選擇符合污水處理廠要求的電氣控制系統(tǒng)，優(yōu)化供配電系統(tǒng)的整體設(shè)計。具體而言，城鎮(zhèn)污水處理廠電氣設(shè)備較多、污水處理工藝復(fù)雜，在對污水處理廠電氣控制系統(tǒng)進行節(jié)能設(shè)計時,相關(guān)人員可依據(jù)計算機技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、BIM技術(shù)，建立污水處理過程中的數(shù)據(jù)模型，從而智能化控制污水處理廠的生產(chǎn)系統(tǒng)和電力系統(tǒng)。在各項技術(shù)支持下，使污水處理廠的電氣設(shè)備便于調(diào)試,并且節(jié)能效果良好，可以精準地控制污水處理廠運行中的電流量。

四、城鎮(zhèn)污水處理廠供配電系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化措施

1優(yōu)化變電所整體結(jié)構(gòu)

在對污水處理廠變電站進行節(jié)能設(shè)計的前提下，還應(yīng)優(yōu)化變電所的整體結(jié)構(gòu)。變電所節(jié)能目標的實現(xiàn)主要在于變電所的整體布置，對于距離污水處理廠變電站負荷中心附近的區(qū)域內(nèi),尤其對于電容量較大的供配電設(shè)備，更需要如此。

2科學(xué)選用變壓器

變壓器的選擇對城鎮(zhèn)污水處理廠的節(jié)能設(shè)計非常重要,所以，在優(yōu)化廠區(qū)的供配電系統(tǒng)時，應(yīng)合理確定變壓器的容量，科學(xué)選用變壓器。對此，相關(guān)人員可根據(jù)城鎮(zhèn)區(qū)域?qū)﹄姎庀到y(tǒng)的技術(shù)要求,分析城鎮(zhèn)污水處理廠的實際負荷，然后明確變壓器容量。通常情況下,為滿足污水處理廠穩(wěn)定運行與節(jié)能減排的基本要求,變壓器的負荷率保持在60%~70%,并且為確保變壓器可靠運行,應(yīng)布設(shè)兩臺或兩臺以上的變壓裝置,以保證其中一臺變壓器停止運行時，其他變壓裝置可滿足城鎮(zhèn)污水處理廠的負荷?，F(xiàn)階段，我國城鎮(zhèn)污水處理廠的變壓器配置方法主要有兩種：

1) 變壓器同時使用城鎮(zhèn)污水處理廠運行期間，變壓器的負荷率保持在60加70%，但在其中一臺變壓器出現(xiàn)故障后,另一臺變壓器可作為備用，可保障污水處理負荷的概率是85%。

2) 設(shè)置兩臺變壓器,其中一臺為備用變壓器,待使用中的變壓器出現(xiàn)故障時使用。不同變壓器配置方案,其電力資源損耗會有著明顯的差異性，兩臺變壓器同時運行配置方案能耗較低，變壓器的電能損耗符合節(jié)能設(shè)計要求，而變壓器為“一備一用"時,其運行能耗偏高。因此,優(yōu)化設(shè)計城鎮(zhèn)污水處理廠供配電系統(tǒng)的變壓器配置方案時，還應(yīng)根據(jù)方案實施中的保障率、能耗綜合分析各類方案的可行性。從節(jié)能角度出發(fā)，通過分析結(jié)果,同步運行變壓器的配置方案節(jié)能優(yōu)勢更為明顯。但由于該方案應(yīng)用時變壓器正常供電負荷，相關(guān)人員還應(yīng)在一臺變壓器故障后,合理減少非必要負荷，以此100%的維持污水處理廠的穩(wěn)定運行，滿足其生產(chǎn)所需的基本負荷。

3重視系統(tǒng)諧波治理

諧波治理是供配電系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計、優(yōu)化管理的重要舉措。城鎮(zhèn)污水處理廠運行過程中，諧波的產(chǎn)生會影響供配電系統(tǒng)的功率因數(shù),從而降低供配電系統(tǒng)運行中的電流傳輸效率,降低電力資源的利用率。甚至?xí)T發(fā)熱效應(yīng)，使城鎮(zhèn)污水處理廠運行期間損失大量的電力資源。不僅如此,諧波還會增加銅芯電纜的電能損耗，使變壓器、其他電氣設(shè)施的工作溫度變高，電能損失嚴重。 因此,為全面優(yōu)化城鎮(zhèn)污水處理廠的供配電系統(tǒng),滿足系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計的要求,相關(guān)人員還應(yīng)加強諧波治理，采用多種方式抑制諧波,提升供配電系統(tǒng)的功率因數(shù)，使其能夠在運行中穩(wěn)定地承擔(dān)污水處理廠工藝活動中的電能負荷。具體來說，對于城鎮(zhèn)污水處理廠，因廠區(qū)處理污水的過程中凈化、排水工藝復(fù)雜,供配電系統(tǒng)的非線性負載多，會產(chǎn)生高次諧波引起的熱效應(yīng)。污水處理廠需要及時處理供配電系統(tǒng),抑制諧波,科學(xué)選擇系統(tǒng)交流設(shè)備、濾波裝置，控制高次諧波對電網(wǎng)產(chǎn)生的不利影響，減少電力資源損失。

1. AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺

1.平臺概述

安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計算到能效管理平臺的產(chǎn)品生態(tài)體系，AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺通過在污水廠源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個關(guān)鍵節(jié)點安裝保護、監(jiān)測、分析、治理裝置，用于監(jiān)測污水廠能耗總量和能耗強度，重點監(jiān)測主要用能設(shè)備能效，保護污水廠運行安全可靠，提高污水廠能效，為污水處理的能效管理提供科學(xué)、精細的解決方案。

AcrelEMS智慧水務(wù)綜合能效管理系統(tǒng)由變電站綜合自動化系統(tǒng)、電力監(jiān)控及能效管理系統(tǒng)組成，涵蓋了水務(wù)中壓變配電系統(tǒng)、電氣安全、應(yīng)急電源、能源管理、照明控制、設(shè)備運維等，貫穿水務(wù)能源流的始終，幫助運維管理人員通過一套平臺、一個APP實時了解水務(wù)配電系統(tǒng)運行狀況，并且根據(jù)權(quán)限可以適用于水務(wù)后勤部門管理需要。

2.平臺拓撲圖

3.平臺子系統(tǒng)

（1）變電站綜合自動化系統(tǒng)及電力監(jiān)控

對水務(wù)配電系統(tǒng)中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調(diào)等功能，對異常情況及時預(yù)警。

監(jiān)測變壓器、水泵、鼓風(fēng)機的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數(shù)、負荷率、溫度、三相平衡、異常報警等數(shù)據(jù)。

（2）電能質(zhì)量監(jiān)測與治理

水務(wù)中大量的大功率電機、水泵變頻啟動導(dǎo)致配電系統(tǒng)中存在大量諧波，通過監(jiān)測其配電系統(tǒng)的諧波畸變、電壓波動、閃變和容忍度指標分析其電能質(zhì)量，并配置對應(yīng)的電能質(zhì)量治理措施提高供電電能質(zhì)量。

（3）電動機管理

馬達監(jiān)控實現(xiàn)水務(wù)中電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，電動機保護器能對過載、短路、缺相、漏電等異常情況進行保護、監(jiān)測和報警。高效、準確地反映出故障狀態(tài)、故障時間、故障地點、及相關(guān)信息，對電機進行健康診斷和預(yù)防性維護。同時支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實現(xiàn)電動機自動或遠程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設(shè)備,保障正常生產(chǎn)。

（4）能耗管理

為水務(wù)搭建計量體系，顯示水務(wù)的能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助水務(wù)分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區(qū)域。

將所有有關(guān)能源的參數(shù)集中在一個看板中，從多個維度對比分析，實現(xiàn)各個工藝環(huán)節(jié)的能耗對比，幫助領(lǐng)導(dǎo)掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計采集水務(wù)中污水廠、自來水廠、水泵站等的用電、用水、燃氣、冷熱量消耗量，同環(huán)比對比分析，能耗總量和能耗強度計算，標煤計算和CO2排放統(tǒng)計趨勢。

能效分析按三級計量架構(gòu)，分別進行能效分析，契合能源管理體系要求，可對各車間/職能部門的能效水平進行分析，同比、環(huán)比、對標等。通過污水處理產(chǎn)量以及系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)，在污水單耗中生成污水單耗趨勢圖，并進行同比和環(huán)比分析，同時將污水的單耗與行業(yè)/先進指標對標，以便企業(yè)能夠根據(jù)產(chǎn)品單耗情況來調(diào)整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。

（5）智能照明控制

系統(tǒng)為污水廠、自來水廠、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區(qū)域控制、自動控制、感應(yīng)控制、定時控制、場景控制、調(diào)光控制等多種控制方式，模塊可根據(jù)經(jīng)緯度自動識別日出日落時間實現(xiàn)自動控制功能，盡量利用自然光照，實現(xiàn)室內(nèi)、廠區(qū)照明的智能控制達到安全、節(jié)能、舒適、高效的目的。

（6）電氣安全

監(jiān)測消防設(shè)備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災(zāi)時消防設(shè)備可以正常投入使用。

（7）環(huán)境監(jiān)測

污水廠、自來水廠、水泵站等場所溫濕度、煙霧、積水浸水、視頻、UPS電池間可燃氣體濃度展示和預(yù)警，保障污水廠、自來水廠、水泵站等安全運行。當可燃氣體或有害氣體濃度超標可自動啟動排風(fēng)風(fēng)機或新風(fēng)系統(tǒng)，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。

（8）分布式光伏監(jiān)測

實時監(jiān)測低壓并網(wǎng)柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數(shù)及斷路器開關(guān)狀態(tài)，逆變器運行監(jiān)視，對逆變器直流側(cè)每一光伏組串的輸入直流電壓、直流電流、直流功率，逆變器交流電壓、交流電流、頻率、功率因數(shù)、當前發(fā)電功率、累計發(fā)電量進行監(jiān)測，以曲線方式繪制上述監(jiān)測的各個參量的歷史數(shù)據(jù)。

平臺結(jié)合廠區(qū)實際分布情況，通過3D或2.5D平面圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車棚的分布情況，顯示匯流箱、并網(wǎng)點位置，各個屋頂?shù)难b機容量。

（9）工藝仿真監(jiān)控

平臺通過2D、3D方式實時監(jiān)視粗格柵、污水提升、細格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、加氯接觸消毒、污泥濃縮壓濾、生物除臭等工藝設(shè)備運行狀態(tài)。在格柵清渣機、污水提升泵、回流泵、曝氣風(fēng)機、加藥泵、濃縮壓濾機、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動機控制柜或低壓饋電柜安裝電動機保護，進行短路、過流、過載、起動超時、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護、堵轉(zhuǎn)、逆序、溫度等保護以及外部故障連鎖停機，與PLC、軟啟、變頻器等配合，實現(xiàn)電動機自動或遠程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設(shè)備,保障正常生產(chǎn)。

1. 結(jié)語

綜上所述,近年來各類能源缺失、損耗問題愈發(fā)嚴重，為緩解能源危機，滿足社會可持續(xù)發(fā)展的基本要求，還應(yīng)積極落實節(jié)能減排理念。因此，城鎮(zhèn)污水處理廠在建設(shè)管理中，還應(yīng)通過供配電系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計優(yōu)化設(shè)計控制系統(tǒng)運行中的電力資源損耗,用較少的能源消耗處理城市污水,保護生態(tài)環(huán)境，為社會生產(chǎn)活動創(chuàng)造良好的環(huán)境。

參考文獻

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作者簡介

任運業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。