浅析城镇污水处理厂供配电系统节能设计

程瑜

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：通过分析城镇污水处理厂的基本能耗,对城镇污水处理厂供配电系统的节能价值进行简要概述，同时提出一系列城镇污 水处理厂供配电系统节能设计的措施，以及节能减排导向下该系统的优化方法。通过研究可知，供配电系统需要根据自身的结构设计，从电气设备、电缆线路的节能设计中控制电力资源损耗，以此促进城镇污水处理厂的可持续发展。

关键词：供配电系统；节能设计；优化措施；污水处理厂

引言

为了在促进社会经济发展的同时减少资源损耗，城镇污水处理厂建设时应从供配电系统入手，对厂区的供配电系统 进行节能设计,减少电能损耗,控制运行成本。为实现城镇污水处理厂供配电系统的节能目标,还应从系统电气设计、设备选型等方面入手，多层次地控制系统能耗。一、城镇污水处理厂能耗分析

城镇污水处理厂是城市文明建设中处理城市污水、净化 水资源的重要工具。但在污水处理厂实际运行期间会损耗大量的电力资源、水资源和其他资源，其中，电力消耗是污水处理厂的主要能耗类型。据了解，我国一线城市的污水处理厂每处理1 m3的水会耗电0.07 kW-h,普通二线城市每处理1 m3 的水会耗电0.3 kW-ho污水处理厂在处理污水时需要借助脱水机、冲击装置,这类污水处理设备会损耗大量的水资源，且各类设备运行过程中同样需要消耗一定量的电力资源，而资源的损耗又会增加城市污水处理厂的运行成本。

二、城镇污水处理厂供配电系统的节能价值

某城镇污水处理厂一年的电费成本为5 123万元,占污水处理厂总成本的15%,水资源成本为357元，各类电气设备的 运维管理及基本维护约为3 567元。由此可见,城镇污水处理厂在运行过程中为减少成本支出、预防能源损耗，还应多层次地控制厂区生产中的能源消耗费用。供配电系统作为城镇污水处理厂的核心结构,支撑着污水处理厂的整体运作。因此,只有地优化污水处理厂的供配电系统设计，将节能减排理念融入供配电设计系统中，才能减少污水处理厂的电力资源损耗,为污水处理厂的可持续发展创造有利条件。 1） 城镇污水处理厂供配电系统的节能处理，可通过电缆线路设计、变压器的选型减少电力资源损耗、控制城镇污水处理厂的整体能耗。 2） 优化城镇污水处理厂供配电系统设计,有利于提升各类电气设备的运行效率，使其在高效运作的过程中保证城镇污水处理厂的生产效益,控制污水处理时间,节省污水处理成本，使污水处理厂能够健康发展。

三、城镇污水处理厂供配电系统设计节能措施

1电缆线路的节能设计

变压器是城镇污水处理厂供配电系统的核心装置，由于 系统运行中变压器的有功损耗较大,所以,在城镇污水处理项目中,各类变压设备所需的电线、电缆较多,且线缆波动范围较大。因此，节能设计供配电系统时，相关人员可通过电缆线路的节能设计减少电能损耗，节约电力资源。具体而言,城镇污水处理厂供配电系统中,不同导体的电阻、电气设备的电阻率与电缆、线路的长度息息相关,所以,为节约电缆线路能耗，可通过控制电阻率的方式节约电力资源。

1） 铝制的线缆、铜制的线缆电阻率有明显差异。城镇污水处理厂在建设供配电系统时，设计人员可选择电阻率较小的铜芯电缆，确定该线缆材料后,还应在控制线缆内电流大小的基础上，适当地增加线缆面积，以减少电缆线路能耗。

2） 正式布设电缆时，还应优化线缆敷设方案:尽量缩短城镇污水处理厂负荷中心、供配电系统变压器之间的间距;合理控制线缆长度，使电缆"少走弯路”。

3） 整体设计电缆线路时,其长度、分布、材质、规格应符合供配电系统的节能设计及安全设计要求，且线缆承载电流量能力应大于线路所需的电流。

2引进PLC节能控制技术

城镇现代化建设对污水处理厂的监测控制提出了更多的要求。PLC节能技术可应用在污水处理厂的供配电系统中，监测污水处理厂处理污水时的电力负荷。基于PLC节能技术的前后反馈理论、自适应技术优化控制供配电系统的设计参数，污水处理厂可以在污水处理活动中自动化地调节供配电系统的运营管理方案,控制系统电流大小。同时基于供配电系统的节能控制,能够监测整合污水处理工艺,地控制污水处理各环节中的能源损耗，如药剂添加、供养强度、电力投入等叫基于PLC节能控制技术可使供配电系统高效运行，减少系统响应时间,进一步减少系统电能损耗,控制碳排放量,实现节能减排的基本目标。因此,在设计城镇污水处理厂内部的供配电系统时，还应结合PLC节能控制技术建立以以太网为核心的节能通信监测平台，实时监控城镇污水处理厂运营期间的工艺参数、系统参数，针对性地控制系统的电力资源损耗。

3灵活设计变电站

电能是城镇污水处理厂的主要损耗能源。设计厂区内的供配电系统时，需要灵活设计变电站，利用变电站的结构设计降低城镇污水处理厂供配电系统的供配电级。对于城镇污水处理厂，变电站有着不可忽视的作用。设计变电站时,相关人员可根据污水处理厂内电力资源的主要负荷中心是污水处理厂电力需求较大的区域，对该区域的供配电装置、变电设备进行节能设计时，不仅可以控制电力资源,还能减少供配电成本,确保城镇污水处理厂供配电系统的安全性和可靠性。此外，降低城镇污水处理厂的供配电级时，应根据污水处理厂所需的电负荷范围，使配电级数符合1 000-10 000 kW的用电负荷需求，尽量控制配电级数，预防电力资源损失。

4节能设计电气控制系统

对污水处理厂供配电系统进行节能设计时，还应针对电气控制设计节能方案,具体思路如下:

1） 科学选择供配电系统中的变频调速设备，通过此类设备增强供配电系统的节能性。城镇污水处理厂的电气设计中,变频调速设备本身具有较强的节能特点，采用该设计可在流体学定律的支持下,通过调整电流量、设备转速之间的关系，保证城镇污水处理厂供配电系统中的用电质量，提升其节电率叫比如,在变频调速设备的应用过程中,污水处理厂可使用智能化水平较高的供配电装置，该类装置运行过程中可利用变频调速技术智能调节处理装置内的电流量，并根据污水处理厂处理过程中的设备负荷,节约电能消耗。

2）城镇污水处理厂应重视电气控制方面的节能设计,选择符合污水处理厂要求的电气控制系统，优化供配电系统的整体设计。具体而言，城镇污水处理厂电气设备较多、污水处理工艺复杂，在对污水处理厂电气控制系统进行节能设计时,相关人员可依据计算机技术、大数据分析技术、BIM技术，建立污水处理过程中的数据模型，从而智能化控制污水处理厂的生产系统和电力系统。在各项技术支持下，使污水处理厂的电气设备便于调试,并且节能效果良好，可以精准地控制污水处理厂运行中的电流量。

四、城镇污水处理厂供配电系统设计优化措施

1优化变电所整体结构

在对污水处理厂变电站进行节能设计的前提下，还应优化变电所的整体结构。变电所节能目标的实现主要在于变电所的整体布置，对于距离污水处理厂变电站负荷中心附近的区域内,尤其对于电容量较大的供配电设备，更需要如此。

2科学选用变压器

变压器的选择对城镇污水处理厂的节能设计非常重要,所以，在优化厂区的供配电系统时，应合理确定变压器的容量，科学选用变压器。对此，相关人员可根据城镇区域对电气系统的技术要求,分析城镇污水处理厂的实际负荷，然后明确变压器容量。通常情况下,为满足污水处理厂稳定运行与节能减排的基本要求,变压器的负荷率保持在60%~70%,并且为确保变压器可靠运行,应布设两台或两台以上的变压装置,以保证其中一台变压器停止运行时，其他变压装置可满足城镇污水处理厂的负荷。现阶段，我国城镇污水处理厂的变压器配置方法主要有两种：

1) 变压器同时使用城镇污水处理厂运行期间，变压器的负荷率保持在60加70%，但在其中一台变压器出现故障后,另一台变压器可作为备用，可保障污水处理负荷的概率是85%。

2) 设置两台变压器,其中一台为备用变压器,待使用中的变压器出现故障时使用。不同变压器配置方案,其电力资源损耗会有着明显的差异性，两台变压器同时运行配置方案能耗较低，变压器的电能损耗符合节能设计要求，而变压器为“一备一用”时,其运行能耗偏高。因此,优化设计城镇污水处理厂供配电系统的变压器配置方案时，还应根据方案实施中的保障率、能耗综合分析各类方案的可行性。从节能角度出发，通过分析结果,同步运行变压器的配置方案节能优势更为明显。但由于该方案应用时变压器正常供电负荷，相关人员还应在一台变压器故障后,合理减少非必要负荷，以此100%的维持污水处理厂的稳定运行，满足其生产所需的基本负荷。

3重视系统谐波治理

谐波治理是供配电系统节能设计、优化管理的重要举措。城镇污水处理厂运行过程中，谐波的产生会影响供配电系统的功率因数,从而降低供配电系统运行中的电流传输效率,降低电力资源的利用率。甚至会诱发热效应，使城镇污水处理厂运行期间损失大量的电力资源。不仅如此,谐波还会增加铜芯电缆的电能损耗，使变压器、其他电气设施的工作温度变高，电能损失严重。 因此,为全面优化城镇污水处理厂的供配电系统,满足系统节能设计的要求,相关人员还应加强谐波治理，采用多种方式抑制谐波,提升供配电系统的功率因数，使其能够在运行中稳定地承担污水处理厂工艺活动中的电能负荷。具体来说，对于城镇污水处理厂，因厂区处理污水的过程中净化、排水工艺复杂,供配电系统的非线性负载多，会产生高次谐波引起的热效应。污水处理厂需要及时处理供配电系统,抑制谐波,科学选择系统交流设备、滤波装置，控制高次谐波对电网产生的不利影响，减少电力资源损失。

1. AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台

1.平台概述

安科瑞电气具备从终端感知、边缘计算到能效管理平台的产品生态体系，AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台通过在污水厂源、网、荷、储、充的各个关键节点安装保护、监测、分析、治理装置，用于监测污水厂能耗总量和能耗强度，重点监测主要用能设备能效，保护污水厂运行安全可靠，提高污水厂能效，为污水处理的能效管理提供科学、精细的解决方案。

AcrelEMS智慧水务综合能效管理系统由变电站综合自动化系统、电力监控及能效管理系统组成，涵盖了水务中压变配电系统、电气安全、应急电源、能源管理、照明控制、设备运维等，贯穿水务能源流的始终，帮助运维管理人员通过一套平台、一个APP实时了解水务配电系统运行状况，并且根据权限可以适用于水务后勤部门管理需要。

2.平台拓扑图

3.平台子系统

（1）变电站综合自动化系统及电力监控

对水务配电系统中35kV、10kV电压等级配置继电保护和弧光保护，实现遥测、遥信、遥控、遥调等功能，对异常情况及时预警。

监测变压器、水泵、鼓风机的电流、电压、有功/无功功率、功率因数、负荷率、温度、三相平衡、异常报警等数据。

（2）电能质量监测与治理

水务中大量的大功率电机、水泵变频启动导致配电系统中存在大量谐波，通过监测其配电系统的谐波畸变、电压波动、闪变和容忍度指标分析其电能质量，并配置对应的电能质量治理措施提高供电电能质量。

（3）电动机管理

马达监控实现水务中电机的保护、遥测、遥信、遥控功能，电动机保护器能对过载、短路、缺相、漏电等异常情况进行保护、监测和报警。高效、准确地反映出故障状态、故障时间、故障地点、及相关信息，对电机进行健康诊断和预防性维护。同时支持与PLC、软启、变频器等配合，实现电动机自动或远程控制，监视、控制各个工艺设备,保障正常生产。

（4）能耗管理

为水务搭建计量体系，显示水务的能源流向和能源损耗，通过能源流向图帮助水务分析能源消耗去向，找出能源消耗异常区域。

将所有有关能源的参数集中在一个看板中，从多个维度对比分析，实现各个工艺环节的能耗对比，帮助领导掌控整个工厂的能源消耗，能源成本，标煤排放等的情况。

能耗数据统计采集水务中污水厂、自来水厂、水泵站等的用电、用水、燃气、冷热量消耗量，同环比对比分析，能耗总量和能耗强度计算，标煤计算和CO2排放统计趋势。

能效分析按三级计量架构，分别进行能效分析，契合能源管理体系要求，可对各车间/职能部门的能效水平进行分析，同比、环比、对标等。通过污水处理产量以及系统采集的能耗数据，在污水单耗中生成污水单耗趋势图，并进行同比和环比分析，同时将污水的单耗与行业/先进指标对标，以便企业能够根据产品单耗情况来调整生产工艺，从而降低能耗。

（5）智能照明控制

系统为污水厂、自来水厂、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持单控、区域控制、自动控制、感应控制、定时控制、场景控制、调光控制等多种控制方式，模块可根据经纬度自动识别日出日落时间实现自动控制功能，尽量利用自然光照，实现室内、厂区照明的智能控制达到安全、节能、舒适、高效的目的。

（6）电气安全

监测消防设备的工作电源是否正常，保障在发生火灾时消防设备可以正常投入使用。

（7）环境监测

污水厂、自来水厂、水泵站等场所温湿度、烟雾、积水浸水、视频、UPS电池间可燃气体浓度展示和预警，保障污水厂、自来水厂、水泵站等安全运行。当可燃气体或有害气体浓度超标可自动启动排风风机或新风系统，排除隐患，保持良好的水处理环境。

（8）分布式光伏监测

实时监测低压并网柜每路的电流、电压、功率等电气参数及断路器开关状态，逆变器运行监视，对逆变器直流侧每一光伏组串的输入直流电压、直流电流、直流功率，逆变器交流电压、交流电流、频率、功率因数、当前发电功率、累计发电量进行监测，以曲线方式绘制上述监测的各个参量的历史数据。

平台结合厂区实际分布情况，通过3D或2.5D平面图显示分布式光伏组件在屋顶、车棚的分布情况，显示汇流箱、并网点位置，各个屋顶的装机容量。

（9）工艺仿真监控

平台通过2D、3D方式实时监视粗格栅、污水提升、细格栅、曝气沉砂、改良生化处理、二沉、加氯接触消毒、污泥浓缩压滤、生物除臭等工艺设备运行状态。在格栅清渣机、污水提升泵、回流泵、曝气风机、加药泵、浓缩压滤机、吸沙泵、吸泥泵等低压电动机控制柜或低压馈电柜安装电动机保护，进行短路、过流、过载、起动超时、断相、不平衡、低功率、接地/漏电、te保护、堵转、逆序、温度等保护以及外部故障连锁停机，与PLC、软启、变频器等配合，实现电动机自动或远程控制，监视、控制各个工艺设备,保障正常生产。

1. 结语

综上所述,近年来各类能源缺失、损耗问题愈发严重，为缓解能源危机，满足社会可持续发展的基本要求，还应积极落实节能减排理念。因此，城镇污水处理厂在建设管理中，还应通过供配电系统的节能设计优化设计控制系统运行中的电力资源损耗,用较少的能源消耗处理城市污水,保护生态环境，为社会生产活动创造良好的环境。

参考文献

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[5]安科瑞企业微电网设计应用手册.2020.06版.

作者简介

程瑜，女，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要研究智能配电在水利行业的应用