城镇污水处理厂供配电系统节能降损方案研究

李晓嫣

（福建省环境保护设计院有限公司，福州 350000）

1 引言

国务院印发的《“十四五”节能减排综合工作方案》（国发〔2021〕33 号）要求，“十四五”时期，规模以上工业单位增加值能耗下降13.5%， 这对城镇污水处理厂的节能减排提出了新的要求。 污水处理过程用电约占社会总电耗的1%，老旧污水厂能源消耗量较大， 如何做好污水厂的节能设计变得尤为关键。 电能消耗是污水处理厂的重要能耗指标，如何提升能源利用率，降低损耗至关重要。 目前，关于污水厂的节能研究多集中在工艺设计方面， 供配电系统节能改造相关的文献数量较少。 本文围绕供配电系统的节能设计展开讨论，重点关注供配电方案、系统能源结构、智能化的设计与优化，通过一系列提升改造使供水厂的能耗有效降低，从而实现了节能减排[1]。

2 项目概况

以福建某污水厂为例，该厂采用二级主体处理工艺，处理生活污水及少量工业废水，建设规模为6.0 万m3/d。污水处理厂现有出水水质稳定达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级A 标准。该厂的工艺流程图如图1 所示。

图1 工艺流程图

减少能源损耗、降低运行成本，关键是要降低电能损耗，优化能源结构， 从而为污水厂的稳定、 持续发展奠定良好基础。 本文重点从配电方案优化、能源结构的优化、智能化控制3个角度进行分析[2]。

3 节能方案分析

3.1 供配电方案优化

3.1.1 变压器选型

变压器主要由输入侧（原始侧）和输出侧（次级侧）组成，可以通过电磁感应原理， 将输入侧的电能转换成输出侧的电能，合理运用变压器，能够提高能源利用效率，确保电力系统的稳定运行。 在设备选型过程中，变压器应尽量选择能耗较低的节能型变压器。 该工程目前现状变压器共4 台，变压器均容量为400 kV·A，1 台变压器型号为SCB13-400kV·A，3 台变压器容量为SCB10-400kV·A，变压器负载率约为85%。 双绕组变压器损耗计算公式为：

式中，ΔPT为有功功率的损耗，kW；SC为变压器计算负荷，kW；SR为变压器额定容量，kW；ΔP0为变压器空载有功损耗，kW；ΔPK为变压器短路有功损耗，kW。

由式（1）可知，变压器损耗与变压器自身损耗参数及负载率有关。 表1 列出了3 种型号的干式变压器的损耗参数，其中，SCB14 是近两年在节能减排的背景下新投入使用的新型变压器，随着SCB14 的逐步使用，SCB10 将逐步被淘汰[3]。

表1 变压器损耗参数对照表

研究发现，负荷率介于50%～60%时，变压器损耗最低。 因此，考虑将厂区内4 台变压器型号均更换为SCB14。更换变压器型号的同时，将变压器容量更换为630 kV·A，即4 台变压器均更换为SCB14-630 kV·A，此时变压器负载率约为54%。

经计算， 原有方案4 台变压器有功损耗为16 114 kW，经改造，变压器总有功损耗为6 592 kW，变压器损耗降低了59%。

3.1.2 低压配电方案

对于大功率电机， 考虑采用变频器控制与智能控制开关组合的方式，通过智能调控水泵转速，保证水泵在满足工艺要求的前提下，尽量在节能模式下运行，使电能损耗维持在较低水平[4]。

谐波不仅会对系统功率因数产生直接影响，同时，由于集肤效应和邻近效应，使线路电阻随频率增加而提高，造成电能的浪费；由于中性线正常时流过电流很小，故其导线较细，当大量的3 次谐波流过中性线时，会使导线过热、绝缘老化、寿命缩短以至损坏。 因此，谐波治理工作应引起足够的重视。 根据现场情况选择治理方法，在抑制谐波的前提下，提升系统功率因数，确保该系统能够承受污水厂正常运行所产生的负荷。考虑到该厂对污水进行净化和排放的工艺较为复杂， 系统需要承受较大的非线性负载，极易出现发热的情况，可对系统进行优化， 酌情接入滤波设备， 降低高次谐波对电网带来的影响，从而提升电能质量，保证设备运行在正常工况，提高设备使用寿命。

污水厂用电设备功率因数多为0.75～0.85， 部分设备甚至低于0.5，导致水厂低压侧功率因数较低。 根据供电公司要求，用户侧功率因数低于0.9 将会面临功率因数处罚。 因此，需将保证用户高压侧功率因数维持在0.9 以上。对于紫外线消毒设备等低功率因数设备，可采用就地补偿的方式。 变压器低压侧应对无功补偿设备进行升级改造， 采用自动投切的无功补偿器，从而实现实时、自动化补偿，以提高厂区的功率因数。

3.2 能源结构的优化设计

室外道路已有灯具采用高压钠灯，高压钠灯存在启动慢、频闪强、耗电大、温升高、噪声大等缺点。 随着全球常规能源短缺情况的加剧， 风能和太阳能这两种清洁可再生的自然能源的利用将会普及，新能源路灯代表着未来路灯的发展方向，具有亮度高、安装简便、工作稳定可靠、不敷设电缆、不消耗常规能源、使用寿命长等优点，属于当今社会大力提倡推广的可再生能源产品。 风光互补路灯系统的成本同比低于太阳能路灯，且可靠性更高，市场前景广阔。 目前在各沿海城市和西部边远无电地区建设的风光互补电源及路灯示范项目， 已得到社会广泛的认可。 通过引入风光互补路灯系统，厂区照明用电不再依赖电网供电，可实现自给自足，从而大大降低了电力消耗。风光互补路灯220 V 交流系统原理见图2。

图2 风光互补路灯220 V交流系统原理图

3.3 智能管理控制

3.3.1 智能环境控制

传统水厂在照明的控制方式、照明光源的选择、通风设计等方面均存在不合理的地方，产生了严重的能源浪费。 通过对全厂照明、通风、空调等建立控制系统（见图3），针对不同设备、不同人员的不同需求，制定精准的控制策略，通过与其他系统的配合，在满足人员的舒适性、设备的安全性等前提下，达到节能、减排、减少污染的目的。

图3 智能环境管理系统结构图

针对路灯，可结合现场实际采用全光控、光时控、晚上两端控、白天两段控、全时控等多种方式。 通过通信接口，实现用户侧远程控制，从而实现高效控制，有效减少耗电量。 该厂区目前路灯均采用高压钠灯。与传统高压钠灯相比，LED 灯具有寿命长、启动快、显色指数高、无污染等优点。 该厂区目前使用小功率路灯（小于250 W），两者相比，高压钠灯的光源效率约为45～55 lm/W，而LED 灯的光源效率可达到100～120 lm/W。因此，采用LED 灯比钠灯可实现节能40%～75%。

在通风设计中，考虑采用通风设备监控系统，通过对室内环境的温度、 湿度等参数的实时监测以达到实时调控室内环境温、湿度的目的，从而增加环境舒适性，提高室内空气质量。同时，通过对设备进行能耗监控，将能耗进行统计和分析，为用户进行能源管理， 进一步进行设备分级和节能改造提供可靠的数据支撑。

3.3.2 水处理智能化控制

随着城镇化建设的推进， 国家对污水厂监控所提出的要求也变得更加严格。 该污水厂存在运行效率低，电能消耗大等问题。 引入智能化技术，通过搭建智能配电运维管理系统、能效管理平台等，实现从高压配电到终端设备、从平台至现场控制器的系统性管理。 通过对用电数据、设备状态、能耗数据的实时监测，不仅能确保水厂的安全可靠运行，也能实现更加高效、可靠的设备管理。 通过智能化管理，完善水厂生产自动化，建立能耗管理等系统，尽可能减少现场人工干预的需求，高效低耗、保质保量完成制水任务。

5 结语

综上所述，污水厂运行电能损耗较大、电力成本较高的问题，不利于落实节能减排发展理念，对供配电系统进行改造势在必行。 在城镇污水处理厂的改扩建过程中，应结合实际情况进行供配电系统的优化，使污水厂电能损耗得到有效降低。 未来，在污水厂的配电系统改造期间，有关人员应将节能环保设计理念应用在控制技术升级中，充分利用新技术与新理念，推动系统朝着数字化与智能化方向快速前进。