基于某污水厂变压器经济性选择的探讨

2022-07-02刘国壮刘发明李伯伟

现代建筑电气 2022年5期

刘国壮, 刘发明, 李伯伟, 施皓

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司, 广东东莞 523000)

0 引言

随着人类社会快速发展、城市建设的迅速推进,污水产生量逐年攀升,水污染也日趋严重,解决水污染问题已刻不容缓。解决水污染问题一方面应提高各单位污水的排放标准,另一方面则应对污水进行净化处理。污水厂作为污水处理最集中、最有效的途径,其建设投资成本及运行成本一直是政府及相关部门最为关注的问题之一,其中药耗和能耗是污水厂最为突出的运行成本[1]。然而,设计院在污水厂设计过程中重点关注了工艺设备的可行性和节能性,有时会忽略电气设备的高能耗成本对后续运营带来压力,导致许多污水处理厂建成后给当地财政造成不良影响。变压器作为污水厂中最为关键的电气设备之一,其建设成本和运行成本占电气设备总投资很大比重,因此对于污水厂变压器的经济性选择值得深入探讨。

1 项目概况

该项目位于东莞市,新建污水处理厂处理规模为5万m3/d,总变化系数取1.38。工艺设备均为380/220 V负荷。根据厂区平面布置及负荷分布情况,全厂设置一座变配电中心,与鼓风机房合建。厂区效果图如图1所示。

图1 厂区效果图

高压配电装置选用10 kV中置柜,10 kV配电系统采用放射式配电方式,接线方式为单母线分段,10 kV进线柜和分段柜采用三合二的互锁方式。正常运行时,主供电源供电,分段柜联络开关合上,备供电源进线开关断开;主供电源失压时,备供电源投入。

低压配电装置选用MNS抽屉式低压开关柜,低压配电系统采用放射式配电方式,接线方式为单母线分段。从低压配电中心馈出0.4 kV电源至各构筑物,再由构筑物各自的配电柜(箱)承担构筑物内低压设备用电。

依据GB 50052—2009《供配电系统设计规范》,该工程主要用电负荷为二级负荷,设计采用两路10 kV电源供电,互为备用。经计算,近期最大运行方式下380 V侧计算负荷约为1 130 kVA(补偿后),均按二级负荷考虑。

本文主要讨论该污水厂变压器选择的相关内容。

2 变压器选择要点

2.1 变压器种类

配电变压器分类方式众多,应根据不同的应用场景选择合适的变压器。

(1) 根据绝缘介质不同,分为油浸式变压器和干式变压器;油浸式变压器多应用于室外,适用于湿闷热地区,冷却及绝缘介质是变压器油。干式变压器多应用在综合建筑内(地下室、楼层中、楼顶等)和人员密集场所,价格比油变贵,靠自然风冷,大容量靠风机冷却。

(2) 根据调压方式的不同,分为无励磁调压变压器和有载调压变压器。在电压偏差不能满足要求时,35 kV及以上降压变电所的主变压器应采用有载调压变压器。10(6) kV配电变压器不宜采用有载调压变压器,但在当地10(6) kV电源电压偏差不能满足要求,且用电单位有对电压要求特别严格的设备,单独设置调压装置在技术经济上不合理时,也可采用10(6) kV有载调压变压器。

(3) 根据铁芯材料不同,分为电工钢带变压器(硅钢片铁芯变压器)和非晶合金铁芯变压器;非晶合金铁芯变压器相比于硅钢片铁芯变压器,空载损耗可下降60%～70%,是一种新型节能变压器,但价格高于硅钢片铁芯变压器。

(4) 根据能效等级不同,变压器分为1级、2级、3级能效等级变压器,1级能耗最低,3级最高[2]。

(5) 根据变压器绕组绝缘等级不同,分为A、E、B、F、H级,性能参考温度分别为A(80 ℃)、E(95 ℃)、B(100 ℃)、F(120 ℃)、H(145 ℃)。

2.2 变压器选用

该工程为新建污水厂项目,对环境要求高,且有专用的变压器室,故在室内采用干式变压器。并且10 kV供电点距离该变配电室较近,无需进行有载调压,采用无载调压变压器即可。

目前,污水厂内采用的干式变压器型号多为SCB13(环氧树脂干式变压器,铁芯材料为冷轧硅钢片)和SCBH15(环氧树脂干式变压器,铁芯材料为非晶合金)[3],SCB13和SCBH15型号变压器的空载损耗和负载损耗均应满足最新规范GB 20052—2020《电力变压器能效限定值及能效等级》中3级能效等级的限值。下面以这两种型号变压器为例,进行经济性选择计算。

3 变压器年运行费用计算

3.1 计算前提

该场站负荷均为二级负荷,计算负荷约为1 130 kVA(补偿后),变压器型号搭配方案共有以下几种:方案① 12×1 000 kVA(两用);方案② 22×1 250 kVA(两用);方案③ 32×1 250 kVA(一用一备);方案④ 42×1 600 kVA(两用);方案⑤ 52×1 600 kVA(一用一备)。

其中方案①,当一台变压器故障时,不能承担全部二级负荷,不满足规范要求,故不采用;方案③,单台变压器负荷率达到90.6%,负载率过大,会使变压器损耗增加,并且长期运行会对变压器造成损害,故不采用;方案④,若负荷平均分配,不考虑远期增加设备,则单台变压器的负荷率约为35%,效率过低,缺乏经济性。因此只需比较方案②和方案⑤。

因不同厂家所制造的变压器品质不同,故同型号变压器的空载损耗和负载损耗也不相同,因此,本文计算采用的空载损耗和负载损耗依据规范GB 20052—2020中3级能效等级的限值。选定变压器的耐热等级为F(120 ℃),规范(GB 20052—2020)中,SCB13(电工钢带变压器)损耗如表1所示,SCBH15(非晶合金变压器)损耗如表2所示。

表1 SCB13(电工钢带变压器)损耗

表2 SCBH15(非晶合金变压器)损耗

3.2 计算过程

计算变压器年运行费用应采用两部制电价,其中基本电费记取方式有两种,包括按照最大需量计算基本电费和按照变压器容量计算基本电费。

(1) 当按照变压器容量计算基本电费时,变压器年运行费用为[2]

(1)

式中:Cn——变压器年运行费用;

Hpy——变压器年带电小时数;

KQ——无功经济当量;

τ——最大负荷损耗时间;

β——负荷率;

Ee——企业支付的单位电量电费;

Ec——按变压器容量收取的基本电费。

(2) 计算条件如下:

① 单位电量电费Ee按0.638元/kWh。

② 变压器年带电时间8 760 h。

(3) 因低压侧带无功补偿装置,功率因数可以补偿到0.93,当功率因数已补偿到0.9及以上时,无功经济当量为0.04 kW/kvar。

(4) 给水排水行业中,最大负荷损耗时间为6 500 h。

(5) 变压器容量基本电费按23元/kVA。

根据以上数据计算,可得方案②和方案⑤年运行费用。SCB13年运行费用比较如表3所示。SCBH15年运行费用对比如表4所示。

表3 SCB13年运行费用比较

表4 SCBH15年运行费用对比

对照表3、表4可以看出,采用冷备用时,方案⑤年运行费用较方案②低,但采用冷备用运行方式,一台变压器出现故障,另外一台不能立即运行,须向南方电网进行报备,时间较长,可能造成环境污染问题;另外,采用SCBH15变压器比SCB13变压器年运行费用低,但前者购置费较高,增加的购置费可用节约运行费用来补偿,若采用SCBH15,成本回收年限在8年左右,一般变压器经济使用期按20年计算,增加的购置费用在回收期限年满后,即为少支出的费用。

(2) 当按照最大需量计算基本电费时,电网规定,两路及以上的进线用户,需要对各路进线分别计算最大需量,累加计收基本电费。因该项目10 kV进线采用一主一备供电方式,正常运行时,主供电源供电,联络开关合上,备供电源进线开关断开;主供电源失压时,备供电源自动投入。为保证安全运行,应多计算一路电源的最大需量。最大需量收取的基本电费为32元/kWh,最大需量按1 000 kVA计算,则每年需多上交的电费为78 000元。

故当项目中采用两路进线时,利用最大需量方法计算基本电费不够经济。