某水廠電氣設(shè)計要點探討

0 引言

水廠電氣設(shè)計不僅關(guān)乎水廠的正常運行，還關(guān)系到社會生產(chǎn)和居民生活的正常進行。因此，科學(xué)、合理的電氣設(shè)計對于水廠的建設(shè)和運營至關(guān)重要。文獻[1]從負荷特點分析及負荷計算、供電電源、變電所設(shè)置及變壓器選擇、高低壓變配電系統(tǒng)、電機拖動、諧波治理、電氣節(jié)能等方面對水廠電氣設(shè)計進行了討論。而本文將以某水廠工程電氣設(shè)計為例，從供配電系統(tǒng)、設(shè)備選型、電纜敷設(shè)、節(jié)能措施及智慧化平臺等維度展開探討。

某水廠按5萬m/d規(guī)模建設(shè)，工藝流程如圖1所示。

1供配電系統(tǒng)設(shè)計要點分析

1.1供電電源及高低壓系統(tǒng)運行方式

水廠的正常運行離不開電力保障，斷電事故發(fā)生時，供水將會中斷，給水廠和社會帶來嚴(yán)重后果。因此，電氣設(shè)計時必須確保合理配置電源系統(tǒng)。根據(jù)規(guī)范GB55026—2022《城市給水工程項目規(guī)范》2中2.2.19規(guī)定“中等及以上城市主要廠站的供電負荷為一級負荷，中等及以上城市的次要廠站和小城市廠站的供電負荷均為二級負荷”，故確定水廠的供電負荷為二級，配置雙路電源供電系統(tǒng)，以確保能夠滿足水廠全部用電需求。配置兩路獨立的 10kV 供電線路，或者一路城市電網(wǎng)電源和一個自備電源，自備電源通常采用柴油發(fā)電機作為供電設(shè)備，以確保在主電源故障時能夠迅速切換，保障供電連續(xù)性。

10kV 高壓系統(tǒng)采用單母線分段接線型式，兩路10kV 電源一用一備運行。正常運行時，聯(lián)絡(luò)柜斷路器閉合，進線斷路器互鎖，每回線路均能承擔(dān)水廠100% 用電負荷[3]。低壓系統(tǒng)設(shè)有母聯(lián)開關(guān)（不自投），正常情況下母聯(lián)開關(guān)閉合，兩臺變壓器一用一備運行。當(dāng)其中一臺變壓器故障或檢修時，另一臺承擔(dān)供電任務(wù)。通過斷開母聯(lián)及進線主開關(guān)，可實現(xiàn)分段檢修。

1.2負荷計算及變配電所位置

負荷計算是電氣設(shè)計的關(guān)鍵，直接影響電氣設(shè)備的選型及電纜布設(shè)。主要負荷分布在送水泵房、反沖洗泵房、脫水車間等，同時還有其他生產(chǎn)用電和辦公用電。負荷計算應(yīng)采用科學(xué)方法，如需要系數(shù)法4]，并結(jié)合工藝設(shè)備分期投入的實際情況進行。

某水廠項目的送水泵房設(shè)有5個泵位，近期安裝2臺大泵和2臺小泵，大泵為 315kW ，小泵為 185kW 。高峰時，運行1臺大泵和2臺小泵，備用1臺大泵；或運行2臺大泵，備用2臺小泵。遠期按10萬m/d的規(guī)模考慮，增加1臺大泵。

送水泵房作為水廠主要用電區(qū)域，建議與變配電中心共建，在送水泵房內(nèi)設(shè)立總高低壓變配電中心，配備 10kV/0.4kV 變配電系統(tǒng)，供全廠380V低壓設(shè)備的配電與控制。

根據(jù)表1、表2負荷計算， 315kW 采用 10kV 高壓泵時，全廠低壓負荷為 564.69kVA ，高壓負荷為630kW 。低壓側(cè)選用兩臺 800kVA 變壓器，一用一備運行，負荷率 70.6% 。

通過表3負荷計算， 315kW 采用380V低壓泵時，P_js=1094.85kW . Q_js=298.82 kvar， S_js=1 134.9kVA。選用兩臺 1600kVA 變壓器，一用一備運行，變壓器負荷率 70.9% 。

方案對比如表4所示，考慮到遠期需增加一臺315kW 大泵，要在反沖洗泵房再新增變壓器，而送水泵房 1600kVA 變壓器遠期時不變，對整個供配電系統(tǒng)影響不大，對水廠運行影響較小。若采用方案一，需更換 800kVA 變壓器，同時需對無功補償、低壓母排、母線槽以及低壓進線柜等進行更換，對水廠運行影響較大。故與工藝專業(yè)協(xié)商采用低壓泵。

2 設(shè)備選型設(shè)計要點分析

變壓器是電氣系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其選型應(yīng)根據(jù)實際需求（如容量、相數(shù)、變比等）和電能質(zhì)量（如電壓、電流、頻率等）綜合考慮。此外，還應(yīng)注意變壓器的可靠性和安全性，確保其能夠滿足水廠的長期運行需求。

2024年2月2日，國家發(fā)展改革委等部門發(fā)布了《關(guān)于印發(fā)lt;綠色低碳轉(zhuǎn)型產(chǎn)業(yè)指導(dǎo)目錄（2024年版）gt;的通知》（發(fā)改環(huán)資（2024）165號），目錄中指出“三相電力變壓器能效不低于GB20052—2020《電力變壓器能效限定值及能效等級》中1級能效水平”，現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《電力變壓器能效限定值及能效等級》中1級能效水平要求如表5所示。

3電纜敷設(shè)設(shè)計要點分析

電工鋼帶變壓器與非晶合金變壓器的主要區(qū)別體現(xiàn)在鐵芯材料、性能特點、應(yīng)用領(lǐng)域以及設(shè)計結(jié)構(gòu)等方面，詳細比較如表6所示。

綜上所述，電工鋼帶變壓器與非晶合金變壓器各有其優(yōu)勢和劣勢。在選擇變壓器時，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和需求進行綜合考慮。例如，在需要低頻、大功率的場景，電工鋼帶變壓器可能更優(yōu)；而在需要高頻、小功率、低損耗的場景，非晶合金變壓器則更具優(yōu)勢。在水廠變壓器的選擇上，為滿足能效等級及節(jié)能降耗要求，可選用SCB18電工鋼帶變壓器或是SCBH19非晶合金變壓器。

電纜是實現(xiàn)各個電氣設(shè)備間連接和電能傳輸?shù)闹饕侄危浞笤O(shè)方式應(yīng)根據(jù)電氣機組的具體情況進行綜合考慮。應(yīng)選擇電阻率低、截面大的導(dǎo)線，以降低線路電阻，減少電能在線路傳輸過程中的損耗。應(yīng)避免彎曲過度、長距離水平敷設(shè)和與其他金屬結(jié)構(gòu)物體的接觸，以保證電纜的使用壽命和電氣性能。GB55024—2022《建筑電氣與智能化通用規(guī)范》[5]（下稱《通規(guī)》）中規(guī)定：“不同電壓等級的電力線纜不應(yīng)共用同一導(dǎo)管或電纜橋架布線；電力線纜和智能化線纜不應(yīng)共用同一導(dǎo)管或電纜橋架布線；在有可燃物悶頂和吊頂內(nèi)敷設(shè)電力線纜時，應(yīng)采用不燃材料的導(dǎo)管或電纜槽盒保護。\"水廠電纜敷設(shè)時應(yīng)注意10kV 高壓電纜、 0.4kV 低壓電纜，動力電纜和控制電纜采用不同橋架敷設(shè)，橋架之間應(yīng)留有足夠的間距。線纜在室內(nèi)沿電纜溝或橋架敷設(shè)，至設(shè)備處采用埋管敷設(shè)。

《通規(guī)》第6.3.2條規(guī)定：“當(dāng)采用電纜排管布線時，在線路轉(zhuǎn)角、分支處以及變更敷設(shè)方式處，應(yīng)設(shè)電纜人（手）孔井。電纜人（手）孔井不應(yīng)設(shè)置在建筑物散水內(nèi)。\"故電纜在廠區(qū)采用埋管敷設(shè)時，考慮到檢修維護方便，應(yīng)注意電纜手孔井的布置。另外，《通規(guī)》6.3.1條還規(guī)定了：“室外埋地敷設(shè)的電力線纜、控制線纜和智能化線纜不應(yīng)平行布置在地下管道的正上方或正下方。\"水廠內(nèi)有很多管線（包括污水管、給水管、廢水管、排泥管）埋在地下，設(shè)計時，應(yīng)注意與工藝專業(yè)進行溝通，盡量避免管線與線纜的重疊。

4節(jié)能措施設(shè)計要點分析

所有電氣設(shè)備應(yīng)選用高效低損耗產(chǎn)品，尤其是節(jié)能型變壓器，如SCB18干式變壓器或SCBH19非晶合金變壓器，這些產(chǎn)品可顯著降低空載和負載損耗，提高能源利用效率。同時，應(yīng)合理選擇變壓器的容量與數(shù)量，尤其是在有季節(jié)性負荷存在的情況下，應(yīng)能靈活轉(zhuǎn)換變壓器，確保經(jīng)濟運行，并減少輕載時的不必要電能損耗。

為提高系統(tǒng)的功率因數(shù)并降低線路損耗，應(yīng)采用無功功率補償裝置，如在各變配電室 0.4kV 側(cè)設(shè)置靜止無功發(fā)生器進行集中自動無功功率補償，補償后功率因數(shù)達到0.95以上[。

在設(shè)備方面，工藝專業(yè)要求提升泵、潛污泵、攪拌機、送水泵等設(shè)備采用變頻控制技術(shù)，調(diào)節(jié)設(shè)備轉(zhuǎn)速，以顯著減少能耗。

供電系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)基于負荷占比、供電半徑及設(shè)備特點等因素，合理規(guī)劃變配電中心位置。變配電所應(yīng)靠近負荷中心，減短供電距離，避免因線路過長引起的線損增大，從而為了達到壓降及靈敏度要求，增大供電電纜截面積。

線路設(shè)計應(yīng)盡量減短導(dǎo)線長度，并選擇電阻率低的銅芯導(dǎo)線。對于較長線路，應(yīng)確保滿足載流量、熱穩(wěn)定、保護配合及電壓降要求，并合理選擇電纜截面。

運用智能化平臺系統(tǒng)分析全廠能耗、藥耗等數(shù)據(jù)，同時結(jié)合自動化控制系統(tǒng)，實時監(jiān)測水量、水壓、水質(zhì)等參數(shù)，自動調(diào)節(jié)設(shè)備運行狀態(tài)，并合理規(guī)劃不同電價不同時間段的工藝調(diào)配。

5 智慧化平臺構(gòu)建設(shè)計要點分析

隨著科技的發(fā)展，智慧化平臺已成為水廠設(shè)備管理的重要手段。文獻[7]提出了電氣自動化控制系統(tǒng)在水廠建設(shè)中的應(yīng)用，某水廠擬在此基礎(chǔ)上運用“物聯(lián)網(wǎng) + 移動化 + 大數(shù)據(jù)\"先進技術(shù)，建立基于物聯(lián)網(wǎng)和移動化技術(shù)的綜合管理平臺，通過整合水廠核心業(yè)務(wù)流與信息流，打造覆蓋安全生產(chǎn)、工藝調(diào)控、水質(zhì)監(jiān)測、資產(chǎn)運維及行政協(xié)同的一體化數(shù)字管理體系。該平臺將以數(shù)據(jù)中樞為核心，實現(xiàn)對生產(chǎn)動態(tài)、設(shè)備工況、化驗結(jié)果及管理流程的全域感知與集成化管控；依托大數(shù)據(jù)分析引擎，將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、歷史運行參數(shù)及業(yè)務(wù)操作記錄轉(zhuǎn)化為可視化決策看板與趨勢預(yù)判模型；通過移動終端與云端協(xié)同，為管理層、執(zhí)行層提供精準(zhǔn)的業(yè)務(wù)洞察與敏捷響應(yīng)能力，助力企業(yè)優(yōu)化資源配置、降低能源消耗、提升工藝穩(wěn)定性，最終實現(xiàn)運營流程標(biāo)準(zhǔn)化、能效管控精細化、組織協(xié)同高效化的數(shù)字化轉(zhuǎn)型目標(biāo)。

某水廠智慧水務(wù)系統(tǒng)主要建設(shè)內(nèi)容具體包括數(shù)據(jù)可視化平臺、業(yè)務(wù)工作臺、綜合管理平臺、智慧生產(chǎn)運營管理平臺、水廠智能決策控制系統(tǒng)、移動端應(yīng)用平臺以及配套硬件設(shè)施設(shè)備等。其中水廠智能決策控制系統(tǒng)包含加藥智能控制系統(tǒng)、排泥智能控制系統(tǒng)、反沖洗智能控制系統(tǒng)、泵組智能控制系統(tǒng)、設(shè)備故障診斷系統(tǒng)。

6 結(jié)束語

水廠電氣設(shè)計是一個復(fù)雜而重要的過程，涉及供配電系統(tǒng)、負荷計算、設(shè)備選型、電纜敷設(shè)、智能化控制平臺構(gòu)建等多個方面。通過合理的電氣設(shè)計，可以確保水廠的供電穩(wěn)定性、設(shè)備可靠性、電氣系統(tǒng)安全性以及節(jié)能降耗，提高水廠的運行效率和管理水平。因此，在水廠建設(shè)中應(yīng)高度重視電氣設(shè)計工作，采用科學(xué)的方法和先進的技術(shù)手段，為水廠的正常運轉(zhuǎn)提供堅實的保障。

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