城鎮(zhèn)污水處理廠供配電系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)及優(yōu)化措施探究

何香壇

（中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司成都分公司，成都 610000）

1 引言

為了在促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)減少資源損耗，城鎮(zhèn)污水處理廠建設(shè)時(shí)應(yīng)從供配電系統(tǒng)入手，對(duì)廠區(qū)的供配電系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，減少電能損耗，控制運(yùn)行成本。為實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)污水處理廠供配電系統(tǒng)的節(jié)能目標(biāo)，還應(yīng)從系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)、設(shè)備選型等方面入手，多層次地控制系統(tǒng)能耗。

2 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(shí)際運(yùn)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的主要能耗類型。據(jù)了解，我國(guó)一線城市的污水處理廠每處理1 m3的水會(huì)耗電0.07 kW·h，普通二線城市每處理1 m3的水會(huì)耗電0.3 kW·h。污水處理廠在處理污水時(shí)需要借助脫水機(jī)、沖擊裝置，這類污水處理設(shè)備會(huì)損耗大量的水資源，且各類設(shè)備運(yùn)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的運(yùn)行成本[1]。

3 城鎮(zhèn)污水處理廠供配電系統(tǒng)的節(jié)能價(jià)值

某城鎮(zhèn)污水處理廠一年的電費(fèi)成本為5 123 萬(wàn)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(yùn)維管理及基本維護(hù)約為3 567 元。由此可見(jiàn)，城鎮(zhèn)污水處理廠在運(yùn)行過(guò)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(fèi)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(yùn)作。因此，只有全方位地優(yōu)化污水處理廠的供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將節(jié)能減排理念融入供配電設(shè)計(jì)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(guò)電纜線路設(shè)計(jì)、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(jì)，有利于提升各類電氣設(shè)備的運(yùn)行效率，使其在高效運(yùn)作的過(guò)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(shí)間，節(jié)省污水處理成本，使污水處理廠能夠健康發(fā)展。

4 城鎮(zhèn)污水處理廠供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)節(jié)能措施

4.1 電纜線路的節(jié)能設(shè)計(jì)

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(yùn)行中變壓器的有功損耗較大，所以，在城鎮(zhèn)污水處理項(xiàng)目中，各類變壓設(shè)備所需的電線、電纜較多，且線纜波動(dòng)范圍較大。因此，節(jié)能設(shè)計(jì)供配電系統(tǒng)時(shí)，相關(guān)人員可通過(guò)電纜線路的節(jié)能設(shè)計(jì)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(zhǎng)度息息相關(guān)，所以，為節(jié)約電纜線路能耗，可通過(guò)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(shí)，設(shè)計(jì)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(dāng)?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(shí)，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(fù)荷中心、供配電系統(tǒng)變壓器之間的間距；合理控制線纜長(zhǎng)度，使電纜“少走彎路”。

3）整體設(shè)計(jì)電纜線路時(shí)，其長(zhǎng)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(jì)及安全設(shè)計(jì)要求，且線纜承載電流量能力應(yīng)大于線路所需的電流。

4.2 引進(jìn)PLC 節(jié)能控制技術(shù)

城鎮(zhèn)現(xiàn)代化建設(shè)對(duì)污水處理廠的監(jiān)測(cè)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(cè)污水處理廠處理污水時(shí)的電力負(fù)荷。基于PLC 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(jì)參數(shù)，污水處理廠可以在污水處理活動(dòng)中自動(dòng)化地調(diào)節(jié)供配電系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)管理方案，控制系統(tǒng)電流大小。同時(shí)基于供配電系統(tǒng)的節(jié)能控制，能夠監(jiān)測(cè)整合污水處理工藝，全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(qiáng)度、電力投入等[2]。

基于PLC 節(jié)能控制技術(shù)可使供配電系統(tǒng)高效運(yùn)行，減少系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，進(jìn)一步減少系統(tǒng)電能損耗，控制碳排放量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的基本目標(biāo)。因此，在設(shè)計(jì)城鎮(zhèn)污水處理廠內(nèi)部的供配電系統(tǒng)時(shí)，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(cè)平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)控城鎮(zhèn)污水處理廠運(yùn)營(yíng)期間的工藝參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)，針對(duì)性地控制系統(tǒng)的電力資源損耗。

4.3 靈活設(shè)計(jì)變電站

電能是城鎮(zhèn)污水處理廠的主要損耗能源。設(shè)計(jì)廠區(qū)內(nèi)的供配電系統(tǒng)時(shí)，需要靈活設(shè)計(jì)變電站，利用變電站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)降低城鎮(zhèn)污水處理廠供配電系統(tǒng)的供配電級(jí)。對(duì)于城鎮(zhèn)污水處理廠，變電站有著不可忽視的作用。設(shè)計(jì)變電站時(shí)，相關(guān)人員可根據(jù)污水處理廠內(nèi)電力資源的主要負(fù)荷中心減少供配電系統(tǒng)的線路損耗和電能損耗。負(fù)荷中心是污水處理廠電力需求較大的區(qū)域，對(duì)該區(qū)域的供配電裝置、變電設(shè)備進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)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(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(jí)時(shí)，應(yīng)根據(jù)污水處理廠所需的電負(fù)荷范圍，使配電級(jí)數(shù)符合1 000～10 000 kW 的用電負(fù)荷需求，盡量控制配電級(jí)數(shù)，預(yù)防電力資源損失。

4.4 節(jié)能設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)

對(duì)污水處理廠供配電系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)針對(duì)電氣控制設(shè)計(jì)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(guò)此類設(shè)備增強(qiáng)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(jì)中，變頻調(diào)速設(shè)備本身具有較強(qiáng)的節(jié)能特點(diǎn)，采用該設(shè)計(jì)可在流體學(xué)定律的支持下，通過(guò)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[3]。比如，在變頻調(diào)速設(shè)備的應(yīng)用過(guò)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(yùn)行過(guò)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(guò)程中的設(shè)備負(fù)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(jì)，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(jì)。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(duì)污水處理廠電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，相關(guān)人員可依據(jù)計(jì)算機(jī)技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、BIM 技術(shù)，建立污水處理過(guò)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(xiàng)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(zhǔn)地控制污水處理廠運(yùn)行中的電流量。

5 城鎮(zhèn)污水處理廠供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

5.1 優(yōu)化變電所整體結(jié)構(gòu)

在對(duì)污水處理廠變電站進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)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(biāo)的實(shí)現(xiàn)主要在于變電所的整體布置，對(duì)于距離污水處理廠變電站負(fù)荷中心較近的區(qū)域，變電所可獨(dú)立布置節(jié)能裝置，并與配電系統(tǒng)的分變電所相互配合，將節(jié)能裝置布設(shè)在負(fù)荷中心附近的區(qū)域內(nèi)，尤其對(duì)于電容量較大的供配電設(shè)備，更需要如此。

5.2 科學(xué)選用變壓器

變壓器的選擇對(duì)城鎮(zhèn)污水處理廠的節(jié)能設(shè)計(jì)非常重要，所以，在優(yōu)化廠區(qū)的供配電系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)合理確定變壓器的容量，科學(xué)選用變壓器。對(duì)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(shí)際負(fù)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(yùn)行與節(jié)能減排的基本要求，變壓器的負(fù)荷率保持在60%～70%，并且為確保變壓器可靠運(yùn)行，應(yīng)布設(shè)兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的變壓裝置，以保證其中一臺(tái)變壓器停止運(yùn)行時(shí)，其他變壓裝置可滿足城鎮(zhèn)污水處理廠的負(fù)荷。

現(xiàn)階段，我國(guó)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(shí)使用城鎮(zhèn)污水處理廠運(yùn)行期間，變壓器的負(fù)荷率保持在60%～70%，但在其中一臺(tái)變壓器出現(xiàn)故障后，另一臺(tái)變壓器可作為備用，可保障污水處理負(fù)荷的概率是85%。

2）設(shè)置兩臺(tái)變壓器，其中一臺(tái)為備用變壓器，待使用中的變壓器出現(xiàn)故障時(shí)使用。不同變壓器配置方案，其電力資源損耗會(huì)有著明顯的差異性，兩臺(tái)變壓器同時(shí)運(yùn)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(jì)要求，而變壓器為“一備一用”時(shí)，其運(yùn)行能耗偏高。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)城鎮(zhèn)污水處理廠供配電系統(tǒng)的變壓器配置方案時(shí)，還應(yīng)根據(jù)方案實(shí)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(guò)分析結(jié)果，同步運(yùn)行變壓器的配置方案節(jié)能優(yōu)勢(shì)更為明顯。但由于該方案應(yīng)用時(shí)變壓器正常供電負(fù)荷，相關(guān)人員還應(yīng)在一臺(tái)變壓器故障后，合理減少非必要負(fù)荷，以此100%的維持污水處理廠的穩(wěn)定運(yùn)行，滿足其生產(chǎn)所需的基本負(fù)荷。

5.3 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(jì)、優(yōu)化管理的重要舉措。城鎮(zhèn)污水處理廠運(yùn)行過(guò)程中，諧波的產(chǎn)生會(huì)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(yùn)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(yùn)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(shè)施的工作溫度變高，電能損失嚴(yán)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(jì)的要求，相關(guān)人員還應(yīng)加強(qiáng)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(yùn)行中穩(wěn)定地承擔(dān)污水處理廠工藝活動(dòng)中的電能負(fù)荷。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)于城鎮(zhèn)污水處理廠，因廠區(qū)處理污水的過(guò)程中凈化、排水工藝復(fù)雜，供配電系統(tǒng)的非線性負(fù)載多，會(huì)產(chǎn)生高次諧波引起的熱效應(yīng)。污水處理廠需要及時(shí)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(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的不利影響，減少電力資源損失。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，近年來(lái)各類能源缺失、損耗問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重，為緩解能源危機(jī)，滿足社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基本要求，還應(yīng)積極落實(shí)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(guò)供配電系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)運(yùn)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(hù)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。