市政工程电气节能降耗关键技术研究

沈南

(中机国际工程设计研究院有限责任公司，江苏 南京210023)

在市政工程中，电气系统是不可或缺的重要组成部分之一，同时也是能耗大户。为促进城市发展，必须采取科学合理、行之有效的技术措施，降低市政工程的电气能耗。市政工程涉及的内容既多且杂，如城市路桥、地铁、给排水等等，在市政给排水工程中，污水处理厂的电气能耗相对较高。下面以某市的污水处理厂工程项目为例，对电气节能降耗的关键技术进行分析探讨。

1 市政污水处理厂工程项目概况

某市污水处理厂工程，采用当前较为先进的A2/O污水处理工艺，设计规模为4 万m3/d，出水水质需要达到一级A标准。为了降低污水处理过程中电气系统的总体能耗，需要在厂区电气系统设计中，采取有效的节能技术措施。下面就此展开详细论述。

2 市政污水处理厂电气节能关键技术

2.1 电气设计

2.1.1 变配电设计。该污水处理厂的变配电间10kV及0.4kV主结线采用的是单母线分段结线的方式，变压器选用的是油浸式变压器，绕组接线方式为Dyn11，变压器的额定电压为10±2×2.5%/0.4kV；继电保护为熔断器组合电器式保护，采用高供高计的方式进行计量，电能计量表安装在高压进线计量柜内；在0.4kV 侧通过低压静电电容器的方式进行集中自动补偿，经过补偿之后的功率因数达到0.95 以上；负控装置设置在变电所高压室中，接点分为四路，分别控制高压进线柜、低压进线柜、低压侧出线电流最大回路以及不属于二级负荷单体的进线回路。

2.1.2 照明设计。污水处理厂的照明设计如下：厂区内所有的荧光灯均配用功率因数在0.9 以上的高质量电子镇流器；LED灯具配用功率因数在0.9 以上的高质量直流驱动器；照明及插座分别采用不同的支路进行供电，安装高度在1.8m以下的插座回路设漏电断路器进行保护，这样能够在故障出现时，瞬间切断回路；在变配电间设置备用照明灯具，由照明电源和应急回路互投后供电；与可燃物距离较近的开关、插座及照明灯具应采取防火措施，如隔离、散热等。

2.1.3 线路敷设。污水处理厂中建筑物的室内电缆全部沿着电缆沟进行敷设，电缆与设备接线盒处通过金属材质的软管进行转接，在进出建筑物的部位，使用钢套管对电缆进行保护，穿墙的电缆用非易燃性材料对空隙进行填塞密实；应急照明系统的支线采用导线穿钢管沿墙体和屋面析暗敷的方式进行设置；非火灾配电线路的保护管覆盖层厚度应不小于15mm，塑料管使用难燃型的材料；爆炸危险场所内的电缆全部穿镀锌管，并沿墙或地面进行明敷。

2.2 电气节能降耗关键技术

2.2.1 变配电系统节能。在对污水处理厂变配电系统进行设计期间，应对整个系统的能耗问题进行充分考虑，并采取行之有效的节能降耗措施，具体如下：变配电间应当与负荷中心的距离越近越好，这样能够使电缆进线与出线的距离较短，可以达到缩短供电半径的目的；尽量选用能耗较低的电气设备，尤其是变压器，要以节能型为主，并按照厂区的实际负荷情况，对变压器的容量进行确定，从而保证容量与电力负荷相适应。同时，变压器的运行负荷应当尽可能低一些，由此可使损耗降低，平均负荷率在60-70%左右为宜。此外，由于污水处理厂在不同的季节负荷差异较大，为实现变压器的经济运行，可在专用负荷集中的情况下，设置专用的变压器，以此来实现节能的目标。

2.2.2 谐波治理。在变配电系统进行设计的过程中，为进一步提升系统的功率因数，除了要对电动机进行合理选择之外，还应当做好无功功率补偿，同时，应对谐波的治理予以重视，避免高次谐波导致线路能耗增加的情况发生。在污水处理厂的变电所内，可根据变频器的容量增加进、出线电抗器，由此能够减少整流单元产生的谐波。同时可在低压电源无功补偿电容柜内增设无源滤波器，通过该装置能够对谐波进行有效滤除，其优点是便于安装、造价低、谐波滤除能力强等。此外，由于厂区内的自动控制中心存在大量对谐波比较敏感的设备，所以可在主干线设置有源滤波器。

2.2.3 照明系统节能。在污水处理厂中，照明系统的能耗相对较大，所以应在具体设计中采取有效的节能降耗措施。

a. 保证厂区内所有工段及场所的照明功率密度与国家现行的GB50034 规范标准的规定要求相符，并按照不同场所的实际情况，对照明光源进行合理选用，在确保照度的前提下，以高光效光源作为首选；室内灯具的效率应当在70%以上，加装反射罩的灯具要保证反射罩的反射比足够高；灯具的设置高度尽可能不要太高，以免影响照度，造成能耗增加；对于局部区域内的照明系统进行合理设置，尤其是高大的空间；镇流器应当选用高功率因数的节能型产品，在对照明配电系统进行设计时，应当选用电阻率相对较小的线缆，并通过增大截面积和减少长度的方法，来达到降低线路阻抗的目的；厂区内的主照明电源线路应当以三相供电作为首选，这样能够使电压损失显著降低；设置智能照明控制系统，减少不必要的照明能耗。

b.在厂区照明系统设计中，灯具的选择与节能降耗的关系较为密切，为实现照明节能的目标，可采取如下技术措施：按照不同的场合，对照明光源进行选用，保证所选的光源具有较高的光效，从而达到节能的效果；减少厂区内白炽灯的数量；荧光灯可以T5、T8型作为首选。

2.2.4 电动机节能。在污水处理厂的电气设备中，电动机的能耗较大，通过高效节能型电动机的选用能够有效降低能耗。同时，以变频的方式控制电动机启动也能达到节能效果。在污水处理厂中，鼓风机房是较为重要的组成部分之一，它是厂区内用电负荷相对比较集中的场所，是污水处理流程中好氧微生物的处理工艺。由于污水需要在曝气池内停留较长的时间，加之污水池的容量比较大，配套的电动机要保持连续不间断地运行，以满足污水处理要求。因此，为进一步降低曝气系统的电能消耗量，可在污水处理厂电气设计中，采用变频调速系统。在变频调速系统中，变频器是核心部分，它的工作原理如下：通过对脉冲宽度的改变，对波形及输出量进行调节，从而使电动机的电压保持平滑的变化。变频器的控制方式相对较多，在各种控制方式中，电压空间矢量控制（SVPWM）的特点较为突出，如电路结构比较简单、造价低、机械硬度高、控制效果好等等，正因如此，使得这种控制方式的应用非常广泛。所以，可以采用该方式来实现电动机节能降耗的目标。在该控制方式下，变频器能够为风机提供运行所需的电源，这个电源的频率是可以变化的，利用PLC 与溶解氧联动，达到自动控制的目的，这样一来，当溶解氧出现变化时，鼓风机的运行工况也会随之变化，设备会始终处于高效区运行，不会造成电能浪费，可以达到节能降耗的效果。

2.3 借助自动控制系统实现节能目标

污水处理厂的自动控制系统采用的是当前较为流行的分层架构，整个系统由以下三层组成：信息层、控制层、设备层。通过自动控制系统的运用，可以实现污水处理厂节能降耗的目标，具体体现在如下几个方面：

2.3.1 调节池自动控制。在污水处理厂的调节池设置超声波液位计，从变配电间的PLC中引出仪表电源，通过超声波液位计可以对调节池的液位进行实时检测，并将信号发送给变配电间的PLC。在现场设置控制箱，共有三种控制方式可供选择，分别为手动、远程和PLC自动控制。采用PLC 进行自动控制时，PLC 会按照调节池的水位对潜水泵的运行台数进行调控，以此来实现潜水泵节能的目标。同时，在超声液位计上设定上下限报警，当调节池的水位达到上限或是下限时，液位计会自动发出报警提示，这样能够避免潜水泵出现干运转，导致浪费电能的情况发生。

2.3.2 鼓风机房节能控制。在鼓风机房采用就地手、自动控制与PLC远程控制三种方式。通过电控柜内的PLC，可对风机的电动机进行变频调控，从而降低电动机的运行能耗，达到节能的目的。

3 结论

综上所述，污水处理工程是市政工程的重要组成部分之一，同时，污水处理厂也是市政工程的能耗大户。为实现节能降耗的目标，可在市政污水处理厂电气设计中，采取科学合理、行之有效的节能降耗措施，降低污水处理的总体能耗，由此不仅能够给污水处理厂带来一定的经济效益，而且还能促进城市发展。未来一段时期，应当加大对电气节能技术的研究力度，除对现有的技术措施进行不断改进和完善之外，还应开发一些新的电气节能技术，从而使其更好地为市政工程电气节能服务。