摘要：文章主要研究污水處理廠的電氣節能設計。針對污水處理廠實際運行中耗電量高的問題，需要從用電設備選型、配電回路設計、智慧水廠建設等方面進行節能設計。通過在工程實際中的應用，證明了相關設計的可靠性與有效性。
關鍵詞：污水處理廠；電氣設計；節能設計；數字化；智慧水廠
0引言
污水處理廠是城鎮污水處理及資源化利用的主要場所，處理產生的污泥等可以作為生物發電的燃料，污水處理廠的建設對改善城鎮人居環境、加快生態文明建設具有重要意義。但是，污水處理也是一項高耗能產業，其中電能消耗占很大的比例，因此，加強污水處理廠電氣節能設計對污水處理廠的節能減排至關重要。
1研究背景
2021年6月，國家印發《“十四五"城鎮污水處理及資源化利用發展規劃》，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污水處理廠的能耗特點
污水處理廠的消耗主要集中在電力、藥物、燃料等方面，電能在污水處理廠總能耗的占比超過70%。同時，在污水處理廠投資中，電氣部分投資占比為12%左右。因此，加強污水處理廠的電氣節能設計對污水處理廠減少能耗與投資具有重要意義。
在污水處理廠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、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》的有關規定，達到一級B排放標準的污水處理廠處理每立方米污水的電耗是0.15～0.28kW·h，達到一級A排放標準的污水處理廠處理每立方米污水的電耗是0.28～0.4kW·h。
在污水處理廠的電氣設計中，節能優化需要考慮的問題。在節能設計前，需要針對《城市污水處理工程項目建設標準》中污水處理廠電耗的“硬指標"，分析污水處理廠的能耗特點。污水處理廠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機等。由此可見，污水處理廠的電能消耗分布相對集中，呈現“大集中，小分散"的特點。
3污水處理廠的電氣節能設計
污水處理廠中有大量的用電設備，包括鼓風機、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、選型與布局等問題，針對污水處理廠的高耗能問題，還需要在設計階段考慮用電設備的節能與優化問題。常用的電氣節能手段包括選用能效等級高的變壓器、選用符合經濟電流密度要求的纜線、變電所位置合理選址等，上述方法目前已經發展較為成熟，在大多數的廠站設計中都用到了相關的方法。隨著科技的進步，特別是數字化、智能化技術的發展，污水處理廠電氣節能設計的新技術、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。小型污水處理廠規模較小、工藝簡單，用電設備比較少、負荷比較集中。針對小型污水處理廠，在條件允許情況下可設置1個變電所，并深入負荷中心，使變電所離用電點的總距離較小，進而實現低壓配電距離的*小化，減少配電回路中纜線、管線、溝槽等的消耗與開挖。大型污水處理廠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。在設計階段，可以采用多變電中心的模式，設置1個總的變電中心，外加多個分散的分變電所，實現放射式的供電布局。一方面，可以減少電氣設備過于集中導致的電房面積過大和電氣設備的噪聲、散熱等問題；另一方面，可以減少纜線電壓損失，提高電能質量，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供配電系統具有決定性的影響，若變壓器容量過大，會產生變壓器負荷率降低、工程建設費用增大、變壓器損耗增大等問題。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，需要優先選用能效等級較高的變壓器，有利于實現節能。
（3）采用低壓變頻器。在污水處理廠中，大功率的水泵和風機是“用電大戶"。理論上，電動機的轉速和流量成正比，同時轉速的立方與電動機功率成正比，因此合理調整進水流量和電動機轉速對污水處理廠電氣節能具有重要意義。應用變頻器可以滿足生產工藝過程中對電動機調速控制的要求，進而節約電能、降低生產成本。在實際設計過程中，針對大功率電動機選用變頻器時，要根據電動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。污水處理廠中各種電纜的消耗巨大，隨著國際銅價的持續升，電纜的費用也不斷創下新高。在設計中存在電纜截面選擇過大的問題，在設計中較少根據經濟電流密度選擇電纜截面，電纜的選擇較為“不經濟"。在選擇電纜型號時，可以先根據經濟電流密度計算經濟截面，然后以經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，優先選擇接近經濟截面的電纜截面。同時在確定電纜走向和敷設過程中，做到“少走彎路，不走回頭路"，從而減少重復敷設帶來的電纜浪費。
3.2建設數字化、智能化的智慧水廠
近年來，伴隨著我國“新基建"“碳達峰、碳中和"等理念的提出，我國智慧水廠的建設進入高速發展期。建設智慧水廠是促進數字經濟與實體經濟深度融合，賦能傳統產業轉型升級的重要途徑。智慧水廠中包含智能安防系統、智能藥料投加系統、生產監控管理系統等，這些系統的相關配合可以從根本上減少人力、物力的消耗，*終實現節能減排的效果。在國家大力發展數字經濟的背景下，需要對傳統模式的污水處理廠進行數字化、智能化的升級改造。需要在智慧水廠建設中以數字化為驅動，可以通過數字化手段實現安防智慧防控、藥劑投加、泵站智能調度、能源智能監測等功能，從根本上實現電氣節能、提質增效的目的。針對智慧水廠的建設，在設計階段可以從以下幾點著手。
（1）采用電能能效管理系統。污水處理廠的生產設備種類繁多，除了工藝設備，還有照明、通風、視頻監控等輔助設備，在智慧水廠的建設中，需要采用電能能效管理系統實現對全廠用電設備及能源消耗的全面監測、評估和分析，進而優化生產運行中的用能過程。在設計階段，可以采用自帶監測器和通信功能的變壓器、直流柜及發電機組等，將設備相關信息傳遞至能效管理系統。利用微機綜合保護單元，通過網關將高壓柜連接到能效管理系統，同時將配電回路中的各種斷路器及低壓開關柜通過相關網關連接至能效管理系統。通過系統的分析處理，實時掌握用電設備的運行狀態，對全廠各用電設備的用電狀態進行優化配置，對用電狀態異常的設備做到盡早檢修，使設備運行在*高效狀態，從而提高污水處理廠的能效水平。
（2）采用智能照明系統。在地埋式的污水處理廠中，照明系統的耗電量遠遠大于常規水廠。因此針對地埋式的污水處理廠，需要設計智能照明系統。在燈具選型上，需要優先選用發光效率高、節能的燈具，同時需要實現區域照度的調整，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。曝氣環節對污水處理工藝有著至關重要的作用。曝氣過多會導致溶解氧進入生化池的缺氧區、厭氧區，影響反硝化效果，也會打碎污泥絮體，影響出水水質，同時會使得電能消耗增加；曝氣過少，會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，采用控制技術實現曝氣的精確化、合理化。
相較于傳統的曝氣控制技術，智能化曝氣控制技術可以合理分配曝氣量、縮短工藝運行時間、減少電能消耗、提高生化處理效率，在有條件的情況下，需要優先采用智能曝氣控制技術。
4污水處理廠的電氣節能設計實踐
以廣州市某污水處理廠為例，該廠污水處理能力為2.5×105m3/d。在電氣節能設計中，采用10/0.4kV變配電中心、一級低壓配電房及二級低壓配電房的配電方式，減少了配電線路的損耗。同時設計了動態有源濾波、智能變頻調速系統，應用了節能型燈具與電纜橋架等。在智慧水廠建設中，設計了智能照明系統、地下無線覆蓋系統、獨立生化池與曝氣自動控制系統、自動巡檢機器人系統、電能能效管理系統等。根據實際運行效果，相較于傳統污水處理廠，采用了節能設計的污水處理廠的能耗水平整體降低10%，達到了節能減排、提質增效的目的。
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品生態體系，AcrelEMS-SW智慧水處理能效管理平臺通過在污水廠源、網、荷、儲、充的各個關鍵節點安裝保護、監測、分析、治理裝置，用于監測污水廠能耗總量和能耗強度，重點監測主要用能設備能效，保護污水廠運行安全可靠，提高污水廠能效，為污水處理的能效管理提供科學、精細的解決方案。
5.2平臺組成
AcrelEMS智慧水處理綜合能效管理系統由變電站綜合自動化系統、電力監控及能效管理系統組成，涵蓋了水處理中壓變配電系統、電氣安全、應急電源、能源管理、照明控制、設備運維等，貫穿水處理能源流的始終，幫助運維管理人員通過一套平臺、一個APP實時了解水處理配電系統運行狀況，并且根據權限可以適用于水處理后勤部門管理需要。
5.3平臺拓撲圖
5.4平臺子系統
5.4.1變電站綜合自動化系統及電力監控
對水處理配電系統中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實現遙測、遙信、遙控、遙調等功能，對異常情況及時預警。
監測變壓器、水泵、鼓風機的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數、負荷率、溫度、三相平衡、異常報警等數據。
5.4.2電能質量監測與治理
水處理中大量的大功率電機、水泵變頻啟動導致配電系統中存在大量諧波，通過監測其配電系統的諧波畸變、電壓波動、閃變和容忍度指標分析其電能質量，并配置對應的電能質量治理措施提高供電電能質量。
5.4.3電動機管理
馬達監控實現水處理中電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，電動機保護器能對過載、短路、缺相、漏電等異常情況進行保護、監測和報警。高效、準確地反映出故障狀態、故障時間、故障地點、及相關信息，對電機進行健康診斷和預防性維護。同時支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實現電動機自動或遠程控制，監視、控制各個工藝設備,保障正常生產。
5.4.4能耗管理
為水處理搭建計量體系，顯示水處理的能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助水處理分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區域。
將所有有關能源的參數集中在一個看板中，從多個維度對比分析，實現各個工藝環節的能耗對比，幫助領導掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。
能耗數據統計采集水處理中污水廠、自來水廠、水泵站等的用電、用水、燃氣、冷熱量消耗量，同環比對比分析，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，分別進行能效分析，契合能源管理體系要求，可對各車間/職能部門的能效水平進行分析，同比、環比、對標等。通過污水處理產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，并進行同比和環比分析，同時將污水的單耗與行業/國家/指標對標，以便企業能夠根據產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。
系統為污水廠、自來水廠、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區域控制、自動控制、感應控制、定時控制、場景控制、調光控制等多種控制方式，模塊可根據經緯度自動識別日出日落時間實現自動控制功能，盡量利用自然光照，實現室內、廠區照明的智能控制達到安全、節能、舒適、高效的目的。
監測配電系統回路的漏電電流和線纜溫度，實現對污水廠、自來水廠、水泵站的電氣安全預警。
根據預先設置的應急預案快速啟動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，通過平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態和異常情況。
監測消防設備的工作電源是否正常，保障在發生火災時消防設備可以正常投入使用。
（4）防火門監控系統
防火門監控系統集中控制其各終端設備即防火門監控模塊、電動閉門器、電磁釋放器的工作狀態，實時監測疏散通道防火門的開啟、關閉及故障狀態，顯示終端設備開路、短路等故障信號。系統采用消防二總線將具有通信功能的監控模塊相互連接起來，當終端設備發生短路、斷路等故障時，防火門監控器能發出報警信號，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環境監測
污水廠、自來水廠、水泵站等場所溫濕度、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、自來水廠、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啟動排風風機或新風系統，排除隱患，保持良好的水處理環境。
5.4.8分布式光伏監測
實時監測低壓并網柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數及斷路器開關狀態，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、當前發電功率、累計發電量進行監測，以曲線方式繪制上述監測的各個參量的歷史數據。
平臺結合廠區實際分布情況，通過3D或2.5D平面圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車棚的分布情況，顯示匯流箱、并網點位置，各個屋頂的裝機容量。
平臺通過2D、3D方式實時監視粗格柵、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。在格柵清渣機、污水提升泵、回流泵、曝氣風機、加藥泵、濃縮壓濾機、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動機控制柜或低壓饋電柜安裝電動機保護，進行短路、過流、過載、起動超時、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，實現電動機自動或遠程控制，監視、控制各個工藝設備,保障正常生產。
5.5.1電力監控、電能質量、電動機管理及配電室環境監控系統
6結束語
總體來說，在污水處理廠電氣節能設計中，可以采用常規設計方法和建立指揮水廠等新方法、新技術。目前，污水處理廠的智慧化建設正在如火如荼地開展，但同時存在許多問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，部分功能過于復雜等。因此，針對智慧水廠的建設，還有很多工作要做。
參考文獻：
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