安全供电与电气节能在净水厂中的实际应用

赵 申

（北京市市政工程设计研究总院，北京 100082）

天津经济技术开发区净水厂一、二期工程建于1995-1999年，设计规模分别为7.5 万m3/d 和10万m3/d。由于一二期现况水厂建设年代久、对原水适应性差、设计标准低、出水标准低、设备陈旧，面对未来水源的不确定性和日趋严重的微生物污染水源特性以及更加严格的出水水质标准，现有处理工艺不能满足要求。目前为达到出水标准，水厂不得不降负荷运行，实际供水能力只能达到 15 万m3/d。随着设计规模15 万m3/d 的净水厂三期工程在2009年8月的投产运行，一、二期与三期工程设计标准的差异显现出来。为提高开发区净水厂整体设计标准，天津泰达自来水公司提出对水厂一、二期工程进行改造。

在水行业的发展过程中，伴随而生的电力问题日益引起人们的重视。保证安全供电、提高供电的电能质量、保护用电设备和供电线路在规定的参数范围内安全可靠运行是安全供水的要求和保证。同时电气节能已经成为制约水厂生存和发展的要素之一，综合利用电气节能措施是大势所趋，符合国家节能减排的要求。

1 安全供电

1.1 优化供电方案

1）原供电方案

净水厂一、二期10kV 系统由供电部门引来两路电源，三期10kV 系统也由供电部门引来两路电源，因此水厂一、二、三期共申请了4 路10kV 电源。

图1 供电方案优化前的电气接线示意图

一、二期配水泵房作为负荷中心设10kV 系统和6kV 系统，10kV 系统接两台10/0.4kV 变压器为0.4kV 设备提供电源，并接两台10/6kV 变压器为4台6kV 配水泵提供电源。

2）优化后供电方案

净水厂一、二期10kV 系统只需由供电部门引来一路电源，另一路 10kV 电源由三期配水泵房10KV 系统环网引来，水厂一、二、三期申请3 路10kV 电源即可，节省供电部门的供电资源，同时节省水厂的电力外线投资及运行成本。

图2 供电方案优化后的电气接线示意图

一、二期配水泵房原设10kV 系统和6kV 系统，考虑到两套供电系统属于一个电压等级，改造中取消6kV 系统，将两台6kV 水泵电机换为10kV 水泵电机接到10kV 系统，另两台6kV 水泵电机换为0.4kV 变频电机接到0.4kV 系统。改造后可减少两台10/6kV变压器及10 面6kV 配电柜。减少6kV 系统除节省投资也减少工作人员日常设备维护工作量。

1.2 配电系统运行方式

10kV 系统为单母线分段接线方式，两路10kV进线为一用一备，正常运行时母联闭合，两路进线断路器电气互锁，每路进线均能承担100%运行负荷。

配水泵房作为负荷中心需保证供电安全性，该0.4kV 系统为两路电源同时工作，接线方式为单母线分段，两台进线断路器和母联断路器采用3 合2的联锁方式。

1.3 压降计算

当地供电部门最终确定净水厂一、二期10kV 系统一路10kV 电源引自海晶路35kV 站10kV 母线，另一路10kV 电源由学院路35kV 站10kV 母线引至水厂三期后环网引来。一、二期工程中只有配水泵房设置有两台10kV水泵电机，其余用电设备均为0.4kV等级。两台10kV 水泵电机容量不大，单台电机容量为400kW，因此考虑采用10kV电动机全压起动方式，但需进行10kV 电动机全压起动压降计算。

根据天津经济技术开发区供电部门提供的10kV 供电线路及上级电站的电气参数，进行10kV电动机全压起动压降计算。

第1 路10kV 供电电源。海晶路35kV 站10kV母线：

最大运行方式下的系统短路电抗标幺值X*1max= 5.7011

最小运行方式下的系统短路电抗标幺值X*1min= 6.3446

电缆线路以3.2km 计，短路电抗标幺值X*2=LXSjz/Up2= 2.32

系统基准容量取1000MVA

第2 路10kV 供电电源。学院路35kV 站10kV母线：

最大运行方式下的系统短路电抗标幺值X*1max= 5.2671

最小运行方式下的系统短路电抗标幺值X*1min= 5.9174

电缆线路以2km 计，短路电抗标幺值X*2=LXSjz/Up2= 1.45

系统基准容量取1000MVA

1）线路压降计算

从海晶路 35/10kV 变电站，以电缆 YJV-10 3×240mm2，长度3.2km 送至水厂一、二期10kV 系统进线柜。

（1）二期工程最大计算负荷

净水厂0.4kV 设备：2270kW

净水厂10kV 设备：1x400kW 配水泵

合计： 2670kW= 2.67MW

（2）求最大负荷时，10kV 线路电压损失

经计算海晶路站供电时，净水厂一、二期母线电压等于98.86%的网络额定电压，符合规范要求。相同的计算方法可算出学院路站供电时，净水厂一、二期母线电压等于98.42%的网络额定电压，也符合规范要求。

2）电动机全压起动时压降计算

海晶路35/10kV 站供电时起动压降

（1）400kW 电动机额定容量（MVA）

（2）400kW 电动机额定起动容量（MVA）（电动机额定起动电流倍数Kq取6）

（3）400kW 电动机起动回路的额定输入容量（MVA）

（4）求水厂一、二期10kV 母线短路容量（MVA）

求供电网络的短路阻抗标么值

一、二期10kV 母线上口电抗

（5）求400kW 电动机全压起动时，母线电压相对值

Qfh=Pfhtagφ= 0.88(Mvar) （Qfh为预接负荷无功功率）

经计算，海晶路站供电时400kW 电动机全压起动，母线电压水平符合规范要求。相同计算方法得出当学院路站供电时，母线电压水平也符合规范要求。

3）电动机全压起动时对上级电站10kV 出口母线的起动压降

海晶路35/10kV 站10kV 出口母线的起动压降

相同计算方法得出，400kW 电动机全压起动时，海晶路和学院路电站10kV 出口母线电压水平均符合规范要求。

2 电气节能措施

净水厂的电能消耗占到供水成本的30%左右，电气节能措施是否全面、完善的应用直接影响着自来水生产企业的盈亏。目前我国供水行业非常重视电气节能措施的综合利用，在生产过程中积极采取节能新工艺、新技术、新设备，不断加大投入力度，取得了较好的经济效益和社会效益。具体措施主要体现在以下几个方面。

2.1 变电站的选址

天津经济技术开发区净水厂一、二期用电负荷约为2700kW，其中配水泵房设置有两台10kV 水泵电机，单机功率400kW，其余用电设备均为0.4kV 等级。

根据用电负荷情况及占地布置情况，变电站的位置要设置在负荷中心，这对电气节能非常重要。在净水厂设计过程中，考虑到主要用电负荷在配水泵房，并且配水泵房设置在净水厂中部，因此将10/0.4kV 变电站与配水泵房贴建。

滤池、加药间、紫外消毒间、絮凝沉淀池均为双路电源供电，两路电源分别引自配水泵房0.4kV系统两段母线。

2.2 变压器的选择

在供配电系统的电能损耗中，变压器损耗所占比重很大，降低损耗指标，对电气系统节能，提高系统可靠性具有重要的意义。净水厂配水泵房设置两台 SC(B)11-2000kVA/10/0.4kV 干式节能型变压器，此种变压器铁心无接缝，大大减少了磁阻，空载电流减少了60%～80%，提高了功率因数，降低了电网线损，节约电能并改善了电网的供电品质。

净水厂用电缴费按照二部电价，即基本电价和电度电价，以往设计中两台变压器为1 用1 备，变压器容量选的较大，基本电费相应提高。此次设计中调研了开发区电网质量，争取到了海晶路35/10kV 电站和学院路35/10kV 电站的两路专用电源，分析了变配电检修或故障的几率以及故障时保证主要负荷运行，切除次要负荷的管理措施，认为可将变压器运行方式确定为同时使用，降低变压器容量，以降低基本电价，经计算变压器共减少1000kVA，每年节省18 万元。

2.3 变频设备的选择

净水厂在生产工艺的每个环节都选用了节能型电气设备，以便在最大程度上发挥电气节能的功效。

水处理环节中滤池的鼓风机及反冲洗水泵、加药间的硅酸投加泵、三氯化铁投加泵及絮凝剂投加泵等设备均采用变频调速器，使其在负载下降时，采用变频的方式，自动调节转速，使其与负载的变化相适应。采用这种方式，可提高电机在轻载时的效率，达到节能的目的，可节约电量约20%左右。

配水环节中配水泵房设置了两台0.4kV 配水泵，为了保证供电系统的可靠运行及节能要求，两台0.4kV 配水泵采用0.4kV 变频调速设备进行控制。变频器柜通过通信接口与计算机进行通信，接受控制系统的控制信号，反馈变频器转速信号。当出厂水压力远离高效区时应用调速技术，改变工作点，提高机组效率，并联工况下节能效率可达到15%左右，节能效果显著。另两台配水泵为备用设备，采用直接运行方式。

系统增加变频调速装置后，会产生对电网有干扰的高次谐波，严重时会造成电网电压升高而损坏电气设备。因此在选用变频调速装置时必须考虑谐波污染问题，系统中配置滤波装置，以满足国家标准GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》的要求。

2.4 功率因数补偿

针对净水厂用电负荷即有10kV 中压负荷又有0.4kV 低压负荷的特点，所以功率因数补偿采用高、低压侧兼补的方式。

对10kV 定速电机，选用10kV 电容器就地补偿装置，该装置与10kV 定速电机同投入、同切除，减小电机回路的无功损耗，降低电能传输的损耗。

针对低压设备台数较多、容量不同、设置地点分散的特点，低压采用在0.4kV 配电系统母线上接入电容自动投切补偿装置，对0.4kV 母线进行无功功率补偿的方式，将0.4kV 系统功率因数提高至0.95。

2.5 照明

净水厂各构筑物内的照明功率密度按国家规范要求选取，同时选用节能型灯具，实施绿色照明工程。

照明线路采用铜心缆线；夜间人员走动较少的灯光照明处，采用声光开关控制照明。办公室、控制室等房间选用细管径荧光灯，T8、T5 直管型荧光灯配用电子镇流器；生产车间采用高压钠灯、金属卤化物灯配用节能型电感镇流器。光源显色指数Ra不小于80。

厂区照明选用LED 风光互补路灯，每套灯具配置时间、光感控制器，可预置或手动控制路灯的开关。

净水厂厂区照明设计过程中对常规路灯与风光互补路灯进行了对比。

表1 常规路灯与风光互补路灯对比

净水厂以10年做一个计费周期，风光互补路灯比常规路灯节省费用约100 万元。使用风光互补路灯符合国家提倡的节能减排政策，减少二氧化碳排放，施工方便，缩短施工周期，厂平照明维护简单，维护成本低。

3 结论

为保证供水可靠性，天津经济技术开发区净水厂一、二期工程分期进行改造，截稿之时，一期工程已经建设完毕，目前已经投入运行，业主及项目管理单位对于一期工程给与了我们好评与认可。在二期工程即将破土动工前，我们总结一期工程的不足，增加实践经验，更好的完成后续工程建设。

总之，供电安全和节能措施在天津经济技术开发区净水厂的应用，使水厂取得了较好的社会效益及经济效益。随着电气技术的不断进步、创新和发展，它将推动我国供水事业取得更大的进步。

[1] 给水排水设计手册(第8 册).电气与自控(第2版).北京:中国建筑工业出版社,2002.6.

[2] 工业与民用配电设计手册(第3版).北京:中国电力出版社,2005.10.