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王蘭
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201800
摘要：文章主要研究污水處理廠的電氣節(jié)能設計。針對污水處理廠實際運行中耗電量高的問題，需要從用電設備選型、配電回路設計、智慧水廠建設等方面進行節(jié)能設計。通過在工程實際中的應用，證明了相關設計的可靠性與有效性。
關鍵詞：污水處理廠；電氣設計；節(jié)能設計；數(shù)字化；智慧水廠
0引言
污水處理廠是城鎮(zhèn)污水處理及資源化利用的主要場所，處理產(chǎn)生的污泥等可以作為生物發(fā)電的燃料，污水處理廠的建設對改善城鎮(zhèn)人居環(huán)境、加快生態(tài)文明建設具有重要意義。但是，污水處理也是一項高耗能產(chǎn)業(yè)，其中電能消耗占很大的比例，因此，加強污水處理廠電氣節(jié)能設計對污水處理廠的節(jié)能減排至關重要。
1研究背景
2021年6月，國家印發(fā)《“十四五"城鎮(zhèn)污水處理及資源化利用發(fā)展規(guī)劃》，指出“十四五"期間，我國要基本消除城市建成區(qū)生活污水直排口和收集處理設施空白區(qū)，要新增污水處理能力2.000×107m3/d。到2025年，全國城市的生活污水集中收集率要力爭達到70%。2019—2020年我國污水處理情況如表1所示。
2污水處理廠的能耗特點
污水處理廠的消耗主要集中在電力、藥物、燃料等方面，電能在污水處理廠總能耗的占比超過70%。同時，在污水處理廠投資中，電氣部分投資占比為12%左右。因此，加強污水處理廠的電氣節(jié)能設計對污水處理廠減少能耗與投資具有重要意義。
在污水處理廠中需要用到大量的用電設備，如在預處理系統(tǒng)中需要用到排污泵、閘門、除污機等，在沉淀池中需要用到攪拌機、提升泵、排泥機等，在污泥處理系統(tǒng)中需要用到壓榨泵、清洗泵、螺桿泵等，這些用電設備需要消耗大量電能。此外，紫外消毒、照明、除臭等系統(tǒng)也需要消耗大量的電能。根據(jù)《城市污水處理工程項目建設標準》的有關規(guī)定，達到一級B排放標準的污水處理廠處理每立方米污水的電耗是0.15～0.28kW·h，達到一級A排放標準的污水處理廠處理每立方米污水的電耗是0.28～0.4kW·h。
在污水處理廠的電氣設計中，節(jié)能優(yōu)化需要考慮的問題。在節(jié)能設計前，需要針對《城市污水處理工程項目建設標準》中污水處理廠電耗的“硬指標"，分析污水處理廠的能耗特點。污水處理廠中的工藝處理單元大致可以分為預處理單元、生化處理單元和污泥處理單元，如圖1所示。其中，預處理單元中一般會有多臺大功率水泵；生化處理單元的電能消耗一般達到整廠工藝設備電能消耗的50%～70%，而生化處理單元中的曝氣處理能耗又在其中占很大比例，因為曝氣處理的用電設備主要是鼓風機等。由此可見，污水處理廠的電能消耗分布相對集中，呈現(xiàn)“大集中，小分散"的特點。
3污水處理廠的電氣節(jié)能設計
污水處理廠中有大量的用電設備，包括鼓風機、泵、攪拌器、照明設備等。作為設計人員，不僅要考慮用電設備的配電、選型與布局等問題，針對污水處理廠的高耗能問題，還需要在設計階段考慮用電設備的節(jié)能與優(yōu)化問題。常用的電氣節(jié)能手段包括選用能效等級高的變壓器、選用符合經(jīng)濟電流密度要求的纜線、變電所位置合理選址等，上述方法目前已經(jīng)發(fā)展較為成熟，在大多數(shù)的廠站設計中都用到了相關的方法。隨著科技的進步，特別是數(shù)字化、智能化技術的發(fā)展，污水處理廠電氣節(jié)能設計的新技術、新方法也慢慢得到普及。
3.1常規(guī)節(jié)能方法
（1）合理選擇變電所位置。小型污水處理廠規(guī)模較小、工藝簡單，用電設備比較少、負荷比較集中。針對小型污水處理廠，在條件允許情況下可設置1個變電所，并深入負荷中心，使變電所離用電點的總距離較小，進而實現(xiàn)低壓配電距離的*小化，減少配電回路中纜線、管線、溝槽等的消耗與開挖。大型污水處理廠的面積和規(guī)模比較大，用電設備布局較為分散，用電負荷呈現(xiàn)“分散式集中"的特點。在設計階段，可以采用多變電中心的模式，設置1個總的變電中心，外加多個分散的分變電所，實現(xiàn)放射式的供電布局。一方面，可以減少電氣設備過于集中導致的電房面積過大和電氣設備的噪聲、散熱等問題；另一方面，可以減少纜線電壓損失，提高電能質(zhì)量，有利于用電設備的正常運行。
（2）選擇能效等級較高的變壓器。變壓器容量的選擇對整個供配電系統(tǒng)具有決定性的影響，若變壓器容量過大，會產(chǎn)生變壓器負荷率降低、工程建設費用增大、變壓器損耗增大等問題。因此，在設計階段，要選擇容量合適的變壓器。在新版規(guī)范《電力變壓器能效限定值及能效等級》中，對變壓器的空載損耗和負載損耗的要求有所變化，如表2所示。以10kV干式變壓器為例，1級電工鋼帶變壓器的空載損耗相對于之前降低了25%左右，負載損耗針對大容量的變壓器也有較大程度的下降，因此在有條件的情況下，需要優(yōu)先選用能效等級較高的變壓器，有利于實現(xiàn)節(jié)能。
（3）采用低壓變頻器。在污水處理廠中，大功率的水泵和風機是“用電大戶"。理論上，電動機的轉(zhuǎn)速和流量成正比，同時轉(zhuǎn)速的立方與電動機功率成正比，因此合理調(diào)整進水流量和電動機轉(zhuǎn)速對污水處理廠電氣節(jié)能具有重要意義。應用變頻器可以滿足生產(chǎn)工藝過程中對電動機調(diào)速控制的要求，進而節(jié)約電能、降低生產(chǎn)成本。在實際設計過程中，針對大功率電動機選用變頻器時，要根據(jù)電動機的工作電壓選擇高壓（10kV）變頻器或低壓（0.4kV）變頻器。高壓變頻器具有費用較高、占地面積較大、維修煩瑣等劣勢，在有條件的情況下，應該優(yōu)先選用低壓變頻器。
（4）合理選擇電纜規(guī)格和型號。污水處理廠中各種電纜的消耗巨大，隨著國際銅價的持續(xù)升，電纜的費用也不斷創(chuàng)下新高。在設計中存在電纜截面選擇過大的問題，在設計中較少根據(jù)經(jīng)濟電流密度選擇電纜截面，電纜的選擇較為“不經(jīng)濟"。在選擇電纜型號時，可以先根據(jù)經(jīng)濟電流密度計算經(jīng)濟截面，然后以經(jīng)濟截面為基礎校驗電纜允許溫升、電壓損失、短路熱穩(wěn)定等條件，在上述條件成立時，優(yōu)先選擇接近經(jīng)濟截面的電纜截面。同時在確定電纜走向和敷設過程中，做到“少走彎路，不走回頭路"，從而減少重復敷設帶來的電纜浪費。
3.2建設數(shù)字化、智能化的智慧水廠
近年來，伴隨著我國“新基建"“碳達峰、碳中和"等理念的提出，我國智慧水廠的建設進入高速發(fā)展期。建設智慧水廠是促進數(shù)字經(jīng)濟與實體經(jīng)濟深度融合，賦能傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要途徑。智慧水廠中包含智能安防系統(tǒng)、智能藥料投加系統(tǒng)、生產(chǎn)監(jiān)控管理系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)的相關配合可以從根本上減少人力、物力的消耗，*終實現(xiàn)節(jié)能減排的效果。在國家大力發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟的背景下，需要對傳統(tǒng)模式的污水處理廠進行數(shù)字化、智能化的升級改造。需要在智慧水廠建設中以數(shù)字化為驅(qū)動，可以通過數(shù)字化手段實現(xiàn)安防智慧防控、藥劑投加、泵站智能調(diào)度、能源智能監(jiān)測等功能，從根本上實現(xiàn)電氣節(jié)能、提質(zhì)增效的目的。針對智慧水廠的建設，在設計階段可以從以下幾點著手。
（1）采用電能能效管理系統(tǒng)。污水處理廠的生產(chǎn)設備種類繁多，除了工藝設備，還有照明、通風、視頻監(jiān)控等輔助設備，在智慧水廠的建設中，需要采用電能能效管理系統(tǒng)實現(xiàn)對全廠用電設備及能源消耗的全面監(jiān)測、評估和分析，進而優(yōu)化生產(chǎn)運行中的用能過程。在設計階段，可以采用自帶監(jiān)測器和通信功能的變壓器、直流柜及發(fā)電機組等，將設備相關信息傳遞至能效管理系統(tǒng)。利用微機綜合保護單元，通過網(wǎng)關將高壓柜連接到能效管理系統(tǒng)，同時將配電回路中的各種斷路器及低壓開關柜通過相關網(wǎng)關連接至能效管理系統(tǒng)。通過系統(tǒng)的分析處理，實時掌握用電設備的運行狀態(tài)，對全廠各用電設備的用電狀態(tài)進行優(yōu)化配置，對用電狀態(tài)異常的設備做到盡早檢修，使設備運行在*高效狀態(tài)，從而提高污水處理廠的能效水平。
（2）采用智能照明系統(tǒng)。在地埋式的污水處理廠中，照明系統(tǒng)的耗電量遠遠大于常規(guī)水廠。因此針對地埋式的污水處理廠，需要設計智能照明系統(tǒng)。在燈具選型上，需要優(yōu)先選用發(fā)光效率高、節(jié)能的燈具，同時需要實現(xiàn)區(qū)域照度的調(diào)整，以節(jié)約電能，并減少照明系統(tǒng)的維護成本。
（3）采用智能化曝氣控制技術。曝氣環(huán)節(jié)對污水處理工藝有著至關重要的作用。曝氣過多會導致溶解氧進入生化池的缺氧區(qū)、厭氧區(qū)，影響反硝化效果，也會打碎污泥絮體，影響出水水質(zhì)，同時會使得電能消耗增加；曝氣過少，會抑制生化池中的硝化反應，引起細菌繁殖，導致污泥膨脹等。因此，針對曝氣系統(tǒng)，采用控制技術實現(xiàn)曝氣的精確化、合理化。
相較于傳統(tǒng)的曝氣控制技術，智能化曝氣控制技術可以合理分配曝氣量、縮短工藝運行時間、減少電能消耗、提高生化處理效率，在有條件的情況下，需要優(yōu)先采用智能曝氣控制技術。
4污水處理廠的電氣節(jié)能設計實踐
以廣州市某污水處理廠為例，該廠污水處理能力為2.5×105m3/d。在電氣節(jié)能設計中，采用10/0.4kV變配電中心、一級低壓配電房及二級低壓配電房的配電方式，減少了配電線路的損耗。同時設計了動態(tài)有源濾波、智能變頻調(diào)速系統(tǒng)，應用了節(jié)能型燈具與電纜橋架等。在智慧水廠建設中，設計了智能照明系統(tǒng)、地下無線覆蓋系統(tǒng)、獨立生化池與曝氣自動控制系統(tǒng)、自動巡檢機器人系統(tǒng)、電能能效管理系統(tǒng)等。根據(jù)實際運行效果，相較于傳統(tǒng)污水處理廠，采用了節(jié)能設計的污水處理廠的能耗水平整體降低10%，達到了節(jié)能減排、提質(zhì)增效的目的。
5.1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智慧水務能效管理平臺通過在污水廠源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個關鍵節(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、精細的解決方案。
5.2平臺組成
AcrelEMS智慧水務綜合能效管理系統(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，涵蓋了水務中壓變配電系統(tǒng)、電氣安全、應急電源、能源管理、照明控制、設備運維等，貫穿水務能源流的始終，幫助運維管理人員通過一套平臺、一個APP實時了解水務配電系統(tǒng)運行狀況，并且根據(jù)權限可以適用于水務后勤部門管理需要。
5.3平臺拓撲圖
5.4平臺子系統(tǒng)
5.4.1變電站綜合自動化系統(tǒng)及電力監(jiān)控
對水務配電系統(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，對異常情況及時預警。
監(jiān)測變壓器、水泵、鼓風機的電流、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)。
5.4.2電能質(zhì)量監(jiān)測與治理
水務中大量的大功率電機、水泵變頻啟動導致配電系統(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，并配置對應的電能質(zhì)量治理措施提高供電電能質(zhì)量。
5.4.3電動機管理
馬達監(jiān)控實現(xiàn)水務中電機的保護、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、及相關信息，對電機進行健康診斷和預防性維護。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、控制各個工藝設備,保障正常生產(chǎn)。
5.4.4能耗管理
為水務搭建計量體系，顯示水務的能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助水務分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區(qū)域。
將所有有關能源的參數(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，幫助領導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，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)/國家指標對標，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。
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。
監(jiān)測配電系統(tǒng)回路的漏電電流和線纜溫度，實現(xiàn)對污水廠、自來水廠、水泵站的電氣安全預警。
根據(jù)預先設置的應急預案快速啟動疏散方案引導人員疏散。系統(tǒng)接入消防應急照明指示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態(tài)和異常情況。
監(jiān)測消防設備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災時消防設備可以正常投入使用。
（4）防火門監(jiān)控系統(tǒng)
防火門監(jiān)控系統(tǒng)集中控制其各終端設備即防火門監(jiān)控模塊、電動閉門器、電磁釋放器的工作狀態(tài)，實時監(jiān)測疏散通道防火門的開啟、關閉及故障狀態(tài)，顯示終端設備開路、短路等故障信號。系統(tǒng)采用消防二總線將具有通信功能的監(jiān)控模塊相互連接起來，當終端設備發(fā)生短路、斷路等故障時，防火門監(jiān)控器能發(fā)出報警信號，能指示報警部位并保存報警信息，保障了電氣安全的可靠性。
5.4.7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風機或新風系統(tǒng)，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。
5.4.8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)及斷路器開關狀態(tài)，逆變器運行監(jiān)視，對逆變器直流側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。
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、生物除臭等工藝設備運行狀態(tài)。在格柵清渣機、污水提升泵、回流泵、曝氣風機、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、控制各個工藝設備,保障正常生產(chǎn)。
5.5.1電力監(jiān)控、電能質(zhì)量、電動機管理及配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)
6結束語
總體來說，在污水處理廠電氣節(jié)能設計中，可以采用常規(guī)設計方法和建立指揮水廠等新方法、新技術。目前，污水處理廠的智慧化建設正在如火如荼地開展，但同時存在許多問題如缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃和管理，操作人員對設備和系統(tǒng)不熟悉，部分功能過于復雜等。因此，針對智慧水廠的建設，還有很多工作要做。
參考文獻：
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