韓歡慶

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：通過(guò)分析城鎮污水處理廠(chǎng)的基本能耗,對城鎮污水處理廠(chǎng)供配電系統的節能價(jià)值進(jìn)行簡(jiǎn)要概述，同時(shí)提出一系列城鎮污 水處理廠(chǎng)供配電系統節能設計的措施，以及節能減排導向下該系統的優(yōu)化方法。通過(guò)研究可知，供配電系統需要根據自身的結構設計，從電氣設備、電纜線(xiàn)路的節能設計中控制電力資源損耗，以此促進(jìn)城鎮污水處理廠(chǎng)的可持續發(fā)展。

關(guān)鍵詞：供配電系統；節能設計；優(yōu)化措施；污水處理廠(chǎng)

引言

為了在促進(jìn)社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展的同時(shí)減少資源損耗，城鎮污水處理廠(chǎng)建設時(shí)應從供配電系統入手，對廠(chǎng)區的供配電系統 進(jìn)行節能設計,減少電能損耗,控制運行成本。為實(shí)現城鎮污水處理廠(chǎng)供配電系統的節能目標,還應從系統電氣設計、設備選型等方面入手，多層次地控制系統能耗。一、城鎮污水處理廠(chǎng)能耗分析

城鎮污水處理廠(chǎng)是城市文明建設中處理城市污水、凈化 水資源的重要工具。但在污水處理廠(chǎng)實(shí)際運行期間會(huì )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(chǎng)的主要能耗類(lèi)型。據了解，我國一線(xiàn)城市的污水處理廠(chǎng)每處理1 m3的水會(huì )耗電0.07 kW-h,普通二線(xiàn)城市每處理1 m3 的水會(huì )耗電0.3 kW-ho污水處理廠(chǎng)在處理污水時(shí)需要借助脫水機、沖擊裝置,這類(lèi)污水處理設備會(huì )損耗大量的水資源，且各類(lèi)設備運行過(guò)程中同樣需要消耗一定量的電力資源，而資源的損耗又會(huì )增加城市污水處理廠(chǎng)的運行成本。

二、城鎮污水處理廠(chǎng)供配電系統的節能價(jià)值

某城鎮污水處理廠(chǎng)一年的電費成本為5 123萬(wàn)元,占污水處理廠(chǎng)總成本的15%,水資源成本為357元，各類(lèi)電氣設備的 運維管理及基本維護約為3 567元。由此可見(jiàn),城鎮污水處理廠(chǎng)在運行過(guò)程中為減少成本支出、預防能源損耗，還應多層次地控制廠(chǎng)區生產(chǎn)中的能源消耗費用。供配電系統作為城鎮污水處理廠(chǎng)的核心結構,支撐著(zhù)污水處理廠(chǎng)的整體運作。因此,只有地優(yōu)化污水處理廠(chǎng)的供配電系統設計，將節能減排理念融入供配電設計系統中，才能減少污水處理廠(chǎng)的電力資源損耗,為污水處理廠(chǎng)的可持續發(fā)展創(chuàng )造有利條件。 1） 城鎮污水處理廠(chǎng)供配電系統的節能處理，可通過(guò)電纜線(xiàn)路設計、變壓器的選型減少電力資源損耗、控制城鎮污水處理廠(chǎng)的整體能耗。 2） 優(yōu)化城鎮污水處理廠(chǎng)供配電系統設計,有利于提升各類(lèi)電氣設備的運行效率，使其在高效運作的過(guò)程中保證城鎮污水處理廠(chǎng)的生產(chǎn)效益,控制污水處理時(shí)間,節省污水處理成本，使污水處理廠(chǎng)能夠健康發(fā)展。

三、城鎮污水處理廠(chǎng)供配電系統設計節能措施

1電纜線(xiàn)路的節能設計

變壓器是城鎮污水處理廠(chǎng)供配電系統的核心裝置，由于 系統運行中變壓器的有功損耗較大,所以,在城鎮污水處理項目中,各類(lèi)變壓設備所需的電線(xiàn)、電纜較多,且線(xiàn)纜波動(dòng)范圍較大。因此，節能設計供配電系統時(shí)，相關(guān)人員可通過(guò)電纜線(xiàn)路的節能設計減少電能損耗，節約電力資源。具體而言,城鎮污水處理廠(chǎng)供配電系統中,不同導體的電阻、電氣設備的電阻率與電纜、線(xiàn)路的長(cháng)度息息相關(guān),所以,為節約電纜線(xiàn)路能耗，可通過(guò)控制電阻率的方式節約電力資源。

1） 鋁制的線(xiàn)纜、銅制的線(xiàn)纜電阻率有明顯差異。城鎮污水處理廠(chǎng)在建設供配電系統時(shí)，設計人員可選擇電阻率較小的銅芯電纜，確定該線(xiàn)纜材料后,還應在控制線(xiàn)纜內電流大小的基礎上，適當地增加線(xiàn)纜面積，以減少電纜線(xiàn)路能耗。

2） 正式布設電纜時(shí)，還應優(yōu)化線(xiàn)纜敷設方案:盡量縮短城鎮污水處理廠(chǎng)負荷中心、供配電系統變壓器之間的間距;合理控制線(xiàn)纜長(cháng)度，使電纜"少走彎路"。

3） 整體設計電纜線(xiàn)路時(shí),其長(cháng)度、分布、材質(zhì)、規格應符合供配電系統的節能設計及安全設計要求，且線(xiàn)纜承載電流量能力應大于線(xiàn)路所需的電流。

2引進(jìn)PLC節能控制技術(shù)

城鎮現代化建設對污水處理廠(chǎng)的監測控制提出了更多的要求。PLC節能技術(shù)可應用在污水處理廠(chǎng)的供配電系統中，監測污水處理廠(chǎng)處理污水時(shí)的電力負荷?；赑LC節能技術(shù)的前后反饋理論、自適應技術(shù)優(yōu)化控制供配電系統的設計參數，污水處理廠(chǎng)可以在污水處理活動(dòng)中自動(dòng)化地調節供配電系統的運營(yíng)管理方案,控制系統電流大小。同時(shí)基于供配電系統的節能控制,能夠監測整合污水處理工藝,地控制污水處理各環(huán)節中的能源損耗，如藥劑添加、供養強度、電力投入等叫基于PLC節能控制技術(shù)可使供配電系統高效運行，減少系統響應時(shí)間,進(jìn)一步減少系統電能損耗,控制碳排放量,實(shí)現節能減排的基本目標。因此,在設計城鎮污水處理廠(chǎng)內部的供配電系統時(shí)，還應結合PLC節能控制技術(shù)建立以以太網(wǎng)為核心的節能通信監測平臺，實(shí)時(shí)監控城鎮污水處理廠(chǎng)運營(yíng)期間的工藝參數、系統參數，針對性地控制系統的電力資源損耗。

3靈活設計變電站

電能是城鎮污水處理廠(chǎng)的主要損耗能源。設計廠(chǎng)區內的供配電系統時(shí)，需要靈活設計變電站，利用變電站的結構設計降低城鎮污水處理廠(chǎng)供配電系統的供配電級。對于城鎮污水處理廠(chǎng)，變電站有著(zhù)不可忽視的作用。設計變電站時(shí),相關(guān)人員可根據污水處理廠(chǎng)內電力資源的主要負荷中心是污水處理廠(chǎng)電力需求較大的區域，對該區域的供配電裝置、變電設備進(jìn)行節能設計時(shí)，不僅可以控制電力資源,還能減少供配電成本,確保城鎮污水處理廠(chǎng)供配電系統的安全性和可靠性。此外，降低城鎮污水處理廠(chǎng)的供配電級時(shí)，應根據污水處理廠(chǎng)所需的電負荷范圍，使配電級數符合1 000-10 000 kW的用電負荷需求，盡量控制配電級數，預防電力資源損失。

4節能設計電氣控制系統

對污水處理廠(chǎng)供配電系統進(jìn)行節能設計時(shí)，還應針對電氣控制設計節能方案,具體思路如下:

1） 科學(xué)選擇供配電系統中的變頻調速設備，通過(guò)此類(lèi)設備增強供配電系統的節能性。城鎮污水處理廠(chǎng)的電氣設計中,變頻調速設備本身具有較強的節能特點(diǎn)，采用該設計可在流體學(xué)定律的支持下,通過(guò)調整電流量、設備轉速之間的關(guān)系，保證城鎮污水處理廠(chǎng)供配電系統中的用電質(zhì)量，提升其節電率叫比如,在變頻調速設備的應用過(guò)程中,污水處理廠(chǎng)可使用智能化水平較高的供配電裝置，該類(lèi)裝置運行過(guò)程中可利用變頻調速技術(shù)智能調節處理裝置內的電流量，并根據污水處理廠(chǎng)處理過(guò)程中的設備負荷,節約電能消耗。

2）城鎮污水處理廠(chǎng)應重視電氣控制方面的節能設計,選擇符合污水處理廠(chǎng)要求的電氣控制系統，優(yōu)化供配電系統的整體設計。具體而言，城鎮污水處理廠(chǎng)電氣設備較多、污水處理工藝復雜，在對污水處理廠(chǎng)電氣控制系統進(jìn)行節能設計時(shí),相關(guān)人員可依據計算機技術(shù)、大數據分析技術(shù)、BIM技術(shù)，建立污水處理過(guò)程中的數據模型，從而智能化控制污水處理廠(chǎng)的生產(chǎn)系統和電力系統。在各項技術(shù)支持下，使污水處理廠(chǎng)的電氣設備便于調試,并且節能效果良好，可以精準地控制污水處理廠(chǎng)運行中的電流量。

四、城鎮污水處理廠(chǎng)供配電系統設計優(yōu)化措施

1優(yōu)化變電所整體結構

在對污水處理廠(chǎng)變電站進(jìn)行節能設計的前提下，還應優(yōu)化變電所的整體結構。變電所節能目標的實(shí)現主要在于變電所的整體布置，對于距離污水處理廠(chǎng)變電站負荷中心附近的區域內,尤其對于電容量較大的供配電設備，更需要如此。

2科學(xué)選用變壓器

變壓器的選擇對城鎮污水處理廠(chǎng)的節能設計非常重要,所以，在優(yōu)化廠(chǎng)區的供配電系統時(shí)，應合理確定變壓器的容量，科學(xué)選用變壓器。對此，相關(guān)人員可根據城鎮區域對電氣系統的技術(shù)要求,分析城鎮污水處理廠(chǎng)的實(shí)際負荷，然后明確變壓器容量。通常情況下,為滿(mǎn)足污水處理廠(chǎng)穩定運行與節能減排的基本要求,變壓器的負荷率保持在60%~70%,并且為確保變壓器可靠運行,應布設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(shí)，其他變壓裝置可滿(mǎn)足城鎮污水處理廠(chǎng)的負荷?，F階段，我國城鎮污水處理廠(chǎng)的變壓器配置方法主要有兩種：

1) 變壓器同時(shí)使用城鎮污水處理廠(chǎng)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故障時(shí)使用。不同變壓器配置方案,其電力資源損耗會(huì )有著(zhù)明顯的差異性，兩臺變壓器同時(shí)運行配置方案能耗較低，變壓器的電能損耗符合節能設計要求，而變壓器為“一備一用"時(shí),其運行能耗偏高。因此,優(yōu)化設計城鎮污水處理廠(chǎng)供配電系統的變壓器配置方案時(shí)，還應根據方案實(shí)施中的保障率、能耗綜合分析各類(lèi)方案的可行性。從節能角度出發(fā)，通過(guò)分析結果,同步運行變壓器的配置方案節能優(yōu)勢更為明顯。但由于該方案應用時(shí)變壓器正常供電負荷，相關(guān)人員還應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(chǎng)的穩定運行，滿(mǎn)足其生產(chǎn)所需的基本負荷。

3重視系統諧波治理

諧波治理是供配電系統節能設計、優(yōu)化管理的重要舉措。城鎮污水處理廠(chǎng)運行過(guò)程中，諧波的產(chǎn)生會(huì )影響供配電系統的功率因數,從而降低供配電系統運行中的電流傳輸效率,降低電力資源的利用率。甚至會(huì )誘發(fā)熱效應，使城鎮污水處理廠(chǎng)運行期間損失大量的電力資源。不僅如此,諧波還會(huì )增加銅芯電纜的電能損耗，使變壓器、其他電氣設施的工作溫度變高，電能損失嚴重。 因此,為全面優(yōu)化城鎮污水處理廠(chǎng)的供配電系統,滿(mǎn)足系統節能設計的要求,相關(guān)人員還應加強諧波治理，采用多種方式抑制諧波,提升供配電系統的功率因數，使其能夠在運行中穩定地承擔污水處理廠(chǎng)工藝活動(dòng)中的電能負荷。具體來(lái)說(shuō)，對于城鎮污水處理廠(chǎng)，因廠(chǎng)區處理污水的過(guò)程中凈化、排水工藝復雜,供配電系統的非線(xiàn)性負載多，會(huì )產(chǎn)生高次諧波引起的熱效應。污水處理廠(chǎng)需要及時(shí)處理供配電系統,抑制諧波,科學(xué)選擇系統交流設備、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(guò)在污水廠(chǎng)源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個(gè)關(guān)鍵節點(diǎn)安裝保護、監測、分析、治理裝置，用于監測污水廠(chǎng)能耗總量和能耗強度，重點(diǎn)監測主要用能設備能效，保護污水廠(chǎng)運行安全可靠，提高污水廠(chǎng)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)綜合能效管理系統由變電站綜合自動(dòng)化系統、電力監控及能效管理系統組成，涵蓋了水務(wù)中壓變配電系統、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(wù)能源流的始終，幫助運維管理人員通過(guò)一套平臺、一個(gè)APP實(shí)時(shí)了解水務(wù)配電系統運行狀況，并且根據權限可以適用于水務(wù)后勤部門(mén)管理需要。

2.平臺拓撲圖

3.平臺子系統

（1）變電站綜合自動(dòng)化系統及電力監控

對水務(wù)配電系統中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實(shí)現遙測、遙信、遙控、遙調等功能，對異常情況及時(shí)預警。

監測變壓器、水泵、鼓風(fēng)機的電流、電壓、有功/無(wú)功功率、功率因數、負荷率、溫度、三相平衡、異常報警等數據。

（2）電能質(zhì)量監測與治理

水務(wù)中大量的大功率電機、水泵變頻啟動(dòng)導致配電系統中存在大量諧波，通過(guò)監測其配電系統的諧波畸變、電壓波動(dòng)、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。

（3）電動(dòng)機管理

馬達監控實(shí)現水務(wù)中電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，電動(dòng)機保護器能對過(guò)載、短路、缺相、漏電等異常情況進(jìn)行保護、監測和報警。高效、準確地反映出故障狀態(tài)、故障時(shí)間、故障地點(diǎn)、及相關(guān)信息，對電機進(jìn)行健康診斷和預防性維護。同時(shí)支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現電動(dòng)機自動(dòng)或遠程控制，監視、控制各個(gè)工藝設備,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(guò)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域。

將所有有關(guān)能源的參數集中在一個(gè)看板中，從多個(gè)維度對比分析，實(shí)現各個(gè)工藝環(huán)節的能耗對比，幫助領(lǐng)導掌控整個(gè)工廠(chǎng)的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

能耗數據統計采集水務(wù)中污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、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排放統計趨勢。

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

（5）智能照明控制

系統為污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區域控制、自動(dòng)控制、感應控制、定時(shí)控制、場(chǎng)景控制、調光控制等多種控制方式，模塊可根據經(jīng)緯度自動(dòng)識別日出日落時(shí)間實(shí)現自動(dòng)控制功能，盡量利用自然光照，實(shí)現室內、廠(chǎng)區照明的智能控制達到安全、節能、舒適、高效的目的。

（6）電氣安全

監測消防設備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災時(shí)消防設備可以正常投入使用。

（7）環(huán)境監測

污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站等場(chǎng)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(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、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(dòng)啟動(dòng)排風(fēng)風(fēng)機或新風(fēng)系統，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。

（8）分布式光伏監測

實(shí)時(shí)監測低壓并網(wǎng)柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數及斷路器開(kāi)關(guān)狀態(tài)，逆變器運行監視，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、當前發(fā)電功率、累計發(fā)電量進(jìn)行監測，以曲線(xiàn)方式繪制上述監測的各個(gè)參量的歷史數據。

平臺結合廠(chǎng)區實(shí)際分布情況，通過(guò)3D或2.5D平面圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車(chē)棚的分布情況，顯示匯流箱、并網(wǎng)點(diǎn)位置，各個(gè)屋頂的裝機容量。

（9）工藝仿真監控

平臺通過(guò)2D、3D方式實(shí)時(shí)監視粗格柵、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(fēng)機、加藥泵、濃縮壓濾機、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動(dòng)機控制柜或低壓饋電柜安裝電動(dòng)機保護，進(jìn)行短路、過(guò)流、過(guò)載、起動(dòng)超時(shí)、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護、堵轉、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(shí)現電動(dòng)機自動(dòng)或遠程控制，監視、控制各個(gè)工藝設備,保障正常生產(chǎn)。

1. 結語(yǔ)

綜上所述,近年來(lái)各類(lèi)能源缺失、損耗問(wèn)題愈發(fā)嚴重，為緩解能源危機，滿(mǎn)足社會(huì )可持續發(fā)展的基本要求，還應積極落實(shí)節能減排理念。因此，城鎮污水處理廠(chǎng)在建設管理中，還應通過(guò)供配電系統的節能設計優(yōu)化設計控制系統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(huì )生產(chǎn)活動(dòng)創(chuàng )造良好的環(huán)境。

參考文獻

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作者簡(jiǎn)介

韓歡慶，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究智能配電在水利行業(yè)的應用