城镇污水处理厂供配电系统节能设计及优化措施探究

2023-01-09何香坛

工程建设与设计 2022年9期

何香坛

（中国市政工程西北设计研究院有限公司成都分公司，成都 610000）

1 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。

2 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·h。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[1]。

3 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，只有全方位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。

4 城镇污水处理厂供配电系统设计节能措施

4.1 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。

4.2 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，全方位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[2]。

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。

4.3 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减少供配电系统的线路损耗和电能损耗。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。

4.4 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[3]。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。

5 城镇污水处理厂供配电系统设计优化措施

5.1 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较近的区域，变电所可独立布置节能装置，并与配电系统的分变电所相互配合，将节能装置布设在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。

5.2 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%～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。

5.3 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。