智慧水務(wù)配電能效管理系統在污水處理廠(chǎng)的應用

摘要：文章主要研究污水處理廠(chǎng)的電氣節能設計。針對污水處理廠(chǎng)實(shí)際運行中耗電量高的問(wèn)題，需要從用電設備選型、配電回路設計、智慧水廠(chǎng)建設等方面進(jìn)行節能設計。通過(guò)在工程實(shí)際中的應用，證明了相關(guān)設計的可靠性與有效性。

關(guān)鍵詞：污水處理廠(chǎng)；電氣設計；節能設計；數字化；智慧水廠(chǎng)

0引言

污水處理廠(chǎng)是城鎮污水處理及資源化利用的主要場(chǎng)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(chǎng)的建設對改善城鎮人居環(huán)境、加快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(chǎng)電氣節能設計對污水處理廠(chǎng)的節能減排至關(guān)重要。

1、研究背景

2021年6月，國家印發(fā)《“十四五"城鎮污水處理及資源化利用發(fā)展規劃》，指出“十四五"期間，我國要基本消除城市建成區生活污水直排口和收集處理設施空白區，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(chǎng)的能耗特點(diǎn)

污水處理廠(chǎng)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(chǎng)總能耗的占比超過(guò)70%。同時(shí)，在污水處理廠(chǎng)投資中，電氣部分投資占比為12%左右。因此，加強污水處理廠(chǎng)的電氣節能設計對污水處理廠(chǎng)減少能耗與投資具有重要意義。

在污水處理廠(chǎng)中需要用到大量的用電設備，如在預處理系統中需要用到排污泵、閘門(mén)、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、除臭等系統也需要消耗大量的電能。根據《城市污水處理工程項目建設標準》的有關(guān)規定，達到B排放標準的污水處理廠(chǎng)處理每立方米污水的電耗是0.15～0.28kW·h，達到A排放標準的污水處理廠(chǎng)處理每立方米污水的電耗是0.28～0.4kW·h。

在污水處理廠(chǎng)的電氣設計中，節能優(yōu)化需要考慮的問(wèn)題。在節能設計前，需要針對《城市污水處理工程項目建設標準》中污水處理廠(chǎng)電耗的“硬指標"，分析污水處理廠(chǎng)的能耗特點(diǎn)。污水處理廠(chǎng)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(huì )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(chǎng)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(fēng)機等。由此可見(jiàn)，污水處理廠(chǎng)的電能消耗分布相對集中，呈現“大集中，小分散"的特點(diǎn)。

3、污水處理廠(chǎng)的電氣節能設計

污水處理廠(chǎng)中有大量的用電設備，包括鼓風(fēng)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(wèn)題，針對污水處理廠(chǎng)的高耗能問(wèn)題，還需要在設計階段考慮用電設備的節能與優(yōu)化問(wèn)題。常用的電氣節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(xiàn)、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，在大多數的廠(chǎng)站設計中都用到了相關(guān)的方法。隨著(zhù)科技的進(jìn)步，特別是數字化、智能化技術(shù)的發(fā)展，污水處理廠(chǎng)電氣節能設計的新技術(shù)、新方法也慢慢得到普及。

3.1常規節能方法

（1）合理選擇變電所位置。小型污水處理廠(chǎng)規模較小、工藝簡(jiǎn)單，用電設備比較少、負荷比較集中。針對小型污水處理廠(chǎng)，在條件允許情況下可設置1個(gè)變電所，并深入負荷中心，使變電所離用電點(diǎn)的總距離較小，進(jìn)而實(shí)現低壓配電距離的*小化，減少配電回路中纜線(xiàn)、管線(xiàn)、溝槽等的消耗與開(kāi)挖。大型污水處理廠(chǎng)的面積和規模比較大，用電設備布局較為分散，用電負荷呈現“分散式集中"的特點(diǎn)。在設計階段，可以采用多變電中心的模式，設置1個(gè)總的變電中心，外加多個(gè)分散的分變電所，實(shí)現放射式的供電布局。一方面，可以減少電氣設備過(guò)于集中導致的電房面積過(guò)大和電氣設備的噪聲、散熱等問(wèn)題；另一方面，可以減少纜線(xiàn)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(gè)供配電系統具有決定性的影響，若變壓器容量過(guò)大，會(huì )產(chǎn)生變壓器負荷率降低、工程建設費用加大、變壓器損耗加大等問(wèn)題。因此，在設計階段，要選擇容量合適的變壓器。在新版規范《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(shí)現節能。

（3）采用低壓變頻器。在污水處理廠(chǎng)中，大功率的水泵和風(fēng)機是“用電大戶(hù)"。理論上，電動(dòng)機的轉速和流量成正比，同時(shí)轉速的立方與電動(dòng)機功率成正比，因此合理調整進(jìn)水流量和電動(dòng)機轉速對污水處理廠(chǎng)電氣節能具有重要意義。應用變頻器可以滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝過(guò)程中對電動(dòng)機調速控制的要求，進(jìn)而節約電能、降低生產(chǎn)成本。在實(shí)際設計過(guò)程中，針對大功率電動(dòng)機選用變頻器時(shí)，要根據電動(dòng)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）合理選擇電纜規格和型號。污水處理廠(chǎng)中各種電纜的消耗巨大，隨著(zhù)國際銅價(jià)的持續升，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(guò)大的問(wèn)題，在設計中較少根據經(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(shí)，可以先根據經(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、短路熱穩定等條件，在上述條件成立時(shí)，優(yōu)先選擇接近經(jīng)濟截面的電纜截面。同時(shí)在確定電纜走向和敷設過(guò)程中，做到“少走彎路，不走回頭路"，從而減少重復敷設帶來(lái)的電纜浪費。

3.2建設數字化、智能化的智慧水廠(chǎng)

近年來(lái)，伴隨著(zhù)我國“新基建"“碳達峰、碳中和"等理念的提出，我國智慧水廠(chǎng)的建設進(jìn)入高速發(fā)展期。建設智慧水廠(chǎng)是促進(jìn)數字經(jīng)濟與實(shí)體經(jīng)濟深度融合，賦能傳統產(chǎn)業(yè)轉型升級的重要途徑。智慧水廠(chǎng)中包含智能安防系統、智能藥料投加系統、生產(chǎn)監控管理系統等，這些系統的相關(guān)配合可以從根本上減少人力、物力的消耗，*終實(shí)現節能減排的效果。在國家大力發(fā)展數字經(jīng)濟的背景下，需要對傳統模式的污水處理廠(chǎng)進(jìn)行數字化、智能化的升級改造。需要在智慧水廠(chǎng)建設中以數字化為驅動(dòng)，可以通過(guò)數字化手段實(shí)現安防智慧防控、藥劑投加、泵站智能調度、能源智能監測等功能，從根本上實(shí)現電氣節能、提質(zhì)增效的目的。針對智慧水廠(chǎng)的建設，在設計階段可以從以下幾點(diǎn)著(zhù)手。

（1）采用電能能效管理系統。污水處理廠(chǎng)的生產(chǎn)設備種類(lèi)繁多，除了工藝設備，還有照明、通風(fēng)、視頻監控等輔助設備，在智慧水廠(chǎng)的建設中，需要采用電能能效管理系統實(shí)現對全廠(chǎng)用電設備及能源消耗的監測、評估和分析，進(jìn)而優(yōu)化生產(chǎn)運行中的用能過(guò)程。在設計階段，可以采用自帶監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(guān)信息傳遞至能效管理系統。利用微機綜合保護單元，通過(guò)網(wǎng)關(guān)將高壓柜連接到能效管理系統，同時(shí)將配電回路中的各種斷路器及低壓開(kāi)關(guān)柜通過(guò)相關(guān)網(wǎng)關(guān)連接至能效管理系統。通過(guò)系統的分析處理，實(shí)時(shí)掌握用電設備的運行狀態(tài)，對全廠(chǎng)各用電設備的用電狀態(tài)進(jìn)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(chǎng)的能效水平。

（2）采用智能照明系統。在地埋式的污水處理廠(chǎng)中，照明系統的耗電量遠遠大于常規水廠(chǎng)。因此針對地埋式的污水處理廠(chǎng)，需要設計智能照明系統。在燈具選型上，需要優(yōu)先選用發(fā)光效率高、節能的燈具，同時(shí)需要實(shí)現區域照度的調整，以節約電能，并減少照明系統的維護成本。

（3）采用智能化曝氣控制技術(shù)。曝氣環(huán)節對污水處理工藝有著(zhù)至關(guān)重要的作用。曝氣過(guò)多會(huì )導致溶解氧進(jìn)入生化池的缺氧區、厭氧區，影響反硝化效果，也會(huì )打碎污泥絮體，影響出水水質(zhì)，同時(shí)會(huì )使得電能消耗增加；曝氣過(guò)少，會(huì )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，采用控制技術(shù)實(shí)現曝氣的精確化、合理化。

相較于傳統的曝氣控制技術(shù)，智能化曝氣控制技術(shù)可以合理分配曝氣量、縮短工藝運行時(shí)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(shù)。

4、污水處理廠(chǎng)的電氣節能設計實(shí)踐

以廣州市某污水處理廠(chǎng)為例，該廠(chǎng)污水處理能力為2.5×105m3/d。在電氣節能設計中，采用10/0.4kV變配電中心、低壓配電房及二級低壓配電房的配電方式，減少了配電線(xiàn)路的損耗。同時(shí)設計了動(dòng)態(tài)有源濾波、智能變頻調速系統，應用了節能型燈具與電纜橋架等。在智慧水廠(chǎng)建設中，設計了智能照明系統、地下無(wú)線(xiàn)覆蓋系統、獨立生化池與曝氣自動(dòng)控制系統、自動(dòng)巡檢機器人系統、電能能效管理系統等。根據實(shí)際運行效果，相較于傳統污水處理廠(chǎng)，采用了節能設計的污水處理廠(chǎng)的能耗水平整體降低10%，達到了節能減排、提質(zhì)增效的目的。

5、安科瑞電氣針對智慧城市水務(wù)建設推出能效管理解決方案----AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺

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，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。

5.2平臺組成

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。

5.3平臺拓撲圖

5.4平臺子系統

5.4.1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。

5.4.2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。

5.4.3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)。

5.4.4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)/國家指標對標，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。

5.4.5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。

5.4.6電氣安全

（1）電氣火災監測

監測配電系統回路的漏電電流和線(xiàn)纜溫度，實(shí)現對污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站的電氣安全預警。

（2）消防應急照明和疏散指示

根據預先設置的應急預案快速啟動(dòng)疏散方案引導人員疏散。系統接入消防應急照明指示系統數據，通過(guò)平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態(tài)和異常情況。

（3）消防設備電源監測

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。

（4）防火門(mén)監控系統

防火門(mén)監控系統集中控制其各終端設備即防火門(mén)監控模塊、電動(dòng)閉門(mén)器、電磁釋放器的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)監測疏散通道防火門(mén)的開(kāi)啟、關(guān)閉及故障狀態(tài)，顯示終端設備開(kāi)路、短路等故障信號。系統采用消防二總線(xiàn)將具有通信功能的監控模塊相互連接起來(lái)，當終端設備發(fā)生短路、斷路等故障時(shí)，防火門(mén)監控器能發(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。

5.4.8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。

5.4.9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)。

5.5相關(guān)平臺部署硬件選型清單

5.5.1電力監控、電能質(zhì)量、電動(dòng)機管理及配電室環(huán)境監控系統

6、結束語(yǔ)

總體來(lái)說(shuō)，在污水處理廠(chǎng)電氣節能設計中，可以采用常規設計方法和建立指揮水廠(chǎng)等新方法、新技術(shù)。目前，污水處理廠(chǎng)的智慧化建設正在如火如荼地開(kāi)展，但同時(shí)存在許多問(wèn)題如缺乏統一的規劃和管理，操作人員對設備和系統不熟悉，部分功能過(guò)于復雜等。因此，針對智慧水廠(chǎng)的建設，還有很多工作要做。

參考文獻：

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[2]王*雨.污水處理廠(chǎng)電氣節能設計研究

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計應用手冊.2022.05版

作者簡(jiǎn)介：

魏健輝，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司