“双碳”目标下污水处理厂电气设计的低碳化研究

摘要：以深圳市某新建污水处理厂为例，基于“双碳”目标对其电气系统低碳化设计进行研究。通过科学的负荷计算和合理的变压器容量选择，优化供配电系统配置，提升能效；采用变频调速控制技术降低关键设备能耗，通过动态无功补偿和有源滤波装置改善电能质量，减少电能损耗和谐波影响；引入光伏发电系统，实现“自发自用，余电上网”，进一步降低能耗和碳排放。效益评估结果显示，采用低碳化措施能够有效节约电费，减少碳排放，为污水处理厂低碳化发展提供了有力支持。

关键词：污水处理厂；低碳化；变频调速；光伏发电

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1008-9500（2024）09-0-04

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Research on Low-Carbon Electrical Design in Sewage Treatment Plants under the “Double Carbon” Goal

XIE Wei

（Shenzhen Yuanqing Environmental Technology Service Co.， Ltd.， Shenzhen 518000， China）

Abstract： Taking a newly constructed sewage treatment plant in Shenzhen as an example， this study explores low-carbon electrical design based on the “Double Carbon” goal. By scientifically calculating load and selecting appropriate transformer capacity， the power distribution system is optimized to enhance energy efficiency. Variable frequency drive technology significantly reduces energy consumption of key equipment， while dynamic reactive power compensation and active filtering devices improve power quality， reducing energy loss and harmonic impact. The integration of a photovoltaic power generation system achieves “self-generation for self-use with excess power fed to the grid，” further lowering energy consumption and carbon emissions. The benefit evaluation results show that adopting low-carbon measures can effectively save electricity costs， reduce carbon emissions， and provide strong support for the low-carbon development of sewage treatment plants.

Keywords： sewage treatment plant; low-carbon; variable frequency drive; photovoltaic power generation

在全球气候变化和环境污染日益加剧的背景下，减少碳排放已成为各国政府的重要目标。2020年，我国政府提出了“双碳”目标，即到2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和[1]。污水处理厂作为能源消耗和碳排放的重要来源之一，其低碳化设计对实现“双碳”目标具有重要意义[2]。以新建污水处理厂为对象，对电气系统进行低碳化设计，降低污水处理过程中的碳排放，促进环境保护和可持续发展。该研究可为污水处理厂低碳化建设提供参考，推动污水处理行业的绿色低碳发展[3]。

1 工程概况

深圳市某新建污水处理厂的占地面积约为5万m2，日处理污水量为20 000 m3。新建污水处理厂供配电系统设有一座10/0.4 kV总变电所和一座10/0.4 kV回用中水分变电所。总变电所内配置2台1 250 kVA干式变压器，一用一备，负荷率为77%。回用中水变电所内配置2台630 kVA干式变压器，一用一备，负荷率为72%。

为实现“双碳”目标，降低能耗和碳排放，提升能源利用率，该污水处理厂对电气系统进行低碳化设计。结合污水处理厂的高耗能和占地大面积等特点，综合运用高效节能设备、先进电气控制技术和可再生能源技术，旨在实现污水处理厂的低碳化运行。

2 供配电系统设置

从负荷计算及变压器容量选择、电机的变频调速控制、电能质量治理3个方面分析供配电系统设置。

2.1 负荷计算及变压器容量选择

2.1.1 变电所选址及配置方案

该污水处理厂使用了低压设备。其中，污水处理单元有189台380 V电机，总装机容量为2 282.51 kW；回用中水处理单元有60台380 V电机，总装机容量为926.34 kW。

根据计算结果，污水处理单元的常用设备功率为1 630.36 kW，备用设备功率为652.15 kW，有功功率为883.04 kW，无功功率为370.71 kVar，视在功率为957.70 kVA。回用中水处理单元的常用设备功率为648.24 kW，备用设备功率为278.1 kW，有功功率为422.26 kW，无功功率为161.13 kVar，视在功率为451.96 kVA[4]。

选用2台1 600 kVA变压器，分别承担污水处理单元和回用中水处理单元的供电任务，留有裕度，保证供电的可靠性和经济性。合理的负荷计算和变压器容量选择可提高供配电系统的能效和可靠性，为污水处理厂的稳定运行和低碳化发展提供坚实基础。

根据负荷计算结果和综合因素考虑，厂区新建一座10/0.4 kV总变电所以及一座10/0.4 kV回用中水分变电所。总变电所配置2台1 250 kVA干式变压器，一用一备，变压器负荷率为77%，能够满足污水处理单元的负荷需求。回用中水分变电所配置2台630 kVA干式变压器，一用一备，变压器负荷率为72%，能够满足回用中水处理单元的电力需求。

2.1.2 效益评估

通过合理的负荷计算和变压器容量选择，以及科学的变电所选址和配置，污水处理厂可实现显著效益。第一，供电可靠性。通过配置2台1 600 kVA变压器，确保了供电连续性，保障污水处理单元和回用中水处理单元稳定运行。第二，能效提升。变压器负荷率分别为77%和72%，有效减少无功功率传输和分配损耗，提高电力系统整体效率。第三，经济效益。合理配置减少了设备投资和运行成本，年节约电费约12万元，初期投资回收期缩短。第四，环境效益。通过提升能效和减少损耗，间接减少碳排放，助力实现“双碳”目标。

2.2 电机的变频调速控制

2.2.1 变频调速控制方案

在该污水处理厂中，相关设备采用变频调速控制。调节进水提升泵的进水量，调节曝气风机的风量和风压，调节中间提升轴流泵的流量，调节污泥回流泵的污泥回流量，调节污泥排放泵的污泥排放量，优化污泥循环泵的污泥处理流量，调节混合液回流泵的混合液回流量，稳定超滤进水泵的进水流量，调节供水泵的供水量，优化超滤反洗泵的反洗水流量，控制超滤清洗泵的清洗液流量。通过变频调速技术，可显著降低设备的能耗，实现节能目标[5]。

2.2.2 效益评估

在污水处理厂关键设备上采用变频调速控制，可取得显著的节能效果。第一，节能效果。根据实际需求调整进水提升泵的泵速，可节能约25%；根据溶解氧需求动态调节曝气风机，可节能约30%；实时调节中间提升轴流泵流量，可节能约20%；根据处理需求调整污泥回流泵的流量，可节能约15%，调整污泥排放泵的流量，可节能约10%。第二，经济效益。总体节能效果显著，年节约电费约50万元，投资回收期为2～3年。设备运行更平稳，减少故障率和维护成本，提升经济效益。第三，环境效益。年减少碳排放量约150 t，有助于实现“双碳”目标。第四，通过精确调节电机转速，能够减少频繁启停和过载运行，延长设备使用寿命。

2.3 电能质量治理

2.3.1 电能质量问题及治理方案

污水处理厂广泛使用变频调速控制设备、发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）灯具及变频空调，产生大量谐波电流。厂区自然功率因数约为0.8，导致供配电系统电能损耗较大。因此，电能质量治理成为关键。

电能质量治理方案如下。第一，动态无功补偿装置。在两个变电所的0.4 kV侧设置动态无功补偿装置，实时调节补偿量，确保功率因数稳定在0.92以上，减少无功功率比例和电能损耗。第二，有源滤波装置。在各变电所的0.4 kV侧设置有源滤波装置，通过实时检测谐波成分，主动发出补偿电流，消除或减少谐波影响，降低谐波畸变率，减少电气设备谐波损耗，保护设备正常运行。

2.3.2 效益评估

污水处理厂实施电能质量治理措施后，取得显著效果。第一，功率因数提升。动态无功补偿装置将母线处功率因数从0.8提高到0.92以上，减少无功功率损耗，每年减少电能损耗约10万kW·h，节约电费约8万元。第二，谐波抑制。有源滤波装置将总谐波畸变率（Total Harmonics Distortion，THD）从10%降至3%以下，减少故障率和维护成本，设备寿命延长20%，维护成本减少约15%。第三，经济效益。降低配电线路和变压器的有功损耗，减少供电线缆截面和变压器容量，节约设备投资约10%，维护费用减少约20%。第四，环境效益。提高功率因数和抑制谐波，整体能耗降低，年减少碳排放量约50 t，助力实现低碳化目标。

3 节能型设备选型研究

从电力变压器、电机及交流接触器、照明灯具3个方面分析节能型设备选型。

3.1 电力变压器

3.1.1 低损耗变压器的选择

变压器在电气系统中的损耗约占总损耗的40%，节能潜力巨大。低损耗变压器主要包括高效干式变压器和非晶合金变压器。其中，高效干式变压器采用了高效铁芯材料和优化结构，能够降低空载和负载损耗；非晶合金变压器采用了非晶合金铁芯，具有更低的空载损耗。

3.1.2 效益评估

使用低损耗变压器可显著降低电能损耗，提高系统能效。第一，损耗降低。空载损耗减少30%～40%，负载损耗减少20%～30%。第二，能效提升。整体能效比显著提高，年节约电能约20万kW·h。

第三，经济效益。年节约电费约16万元，初期投资回收期缩短。第四，环境效益。年减少碳排放量约150 t，有助于实现“双碳”目标。低损耗变压器提高了电力系统能效，降低了运行成本，支持污水处理厂的低碳化发展。

3.2 电机及交流接触器

3.2.1 电机及交流接触器选择

在污水处理厂中，选用三级能效及以上的高效节能电机，避免使用已淘汰的Y/YB系列电动机，确保电机符合现行能效标准。具体选型考虑以下因素。第一，效率等级。选择符合《电动机能效限定值及能效等级》（GB 18613—2020）的IE4高效电机。第二，设计优化。采用先进的电磁设计，减少铁芯和铜损耗，优化冷却系统。第三，材料选择。使用高磁导率硅钢片、高性能铜线和低损耗绝缘材料。

选择低碳化交流接触器，以降低能耗，提高系统效率。具体选型需考虑以下4方面。第一，低损耗设计。选择触点电阻小、接触压力适中的交流接触器。第二，高效电磁铁。采用高性能电磁铁材料和优化设计，减少线圈能耗和发热。第三，可靠性和耐用性。交流接触器应具备高可靠性和长使用寿命，适应频繁操作和恶劣工况。第四，智能控制。结合智能控制技术，实现远程监控和故障诊断。

3.2.2 效益评估

高效电机能效提高10%～15%，年节约电能约25万kW·h；低碳化交流接触器提高控制系统能效5%～10%。第一，经济效益。年节约电费约20万元，缩短投资回收期，降低运行维护成本。第二，环境效益。年减少碳排放量约200 t，助力实现“双碳”目标。第三，运行稳定性。高效电机和低碳化交流接触器提高了系统的可靠性和稳定性，减少故障率和维护频次。通过应用高效电机和低碳化交流接触器，实现了显著的节能和经济效益，为低碳化发展提供了支持。

3.3 照明灯具

3.3.1 LED灯具选择及照明系统设计优化

污水处理厂照明系统选择具备调光和感应控制功能的LED灯具，实现智能化管理。同时，从以下5方面优化照明系统设计：第一，通过合理配置和智能控制，提高照明系统能效；第二，根据功能区域和照明需求，制定定制化照明方案；第三，利用天窗和采光带，减少人工照明时间；第四，引入智能照明控制系统，自动调节照明强度；第五，合理布局灯具位置，避免光源重叠和照明盲区。

3.3.2 效益评估

LED灯具的能效比传统灯具高2～3倍，照明能耗降低约60%，能够有效减少不必要的能耗。第一，经济效益。年节约电费约10万元，投资回收期为2～3年。

第二，环境效益。年减少碳排放约80 t，采用环保型LED灯具，减少污染。第三，照明质量提升。通过采用智能控制方案能够使照明效果稳定。

4 光伏发电系统设计

4.1 光伏发电系统方案

该污水处理厂因其高能耗和大面积特性，非常适合应用光伏发电系统。该厂区所在地的年总辐射量为1 228.5 kW·h/m2，属于太阳能资源“资源丰富区”。利用该污水处理厂区的厌氧-缺氧-好氧（Anaerobic-Anoxic-Oxic，AAO）生化池、高效沉淀池、反硝化深床滤池、水解酸化池、二沉池、清水池、膜车间屋面及车棚等空闲区域设置光伏发电系统，光伏发电总占地面积约为1.17万m2。

具体方案如下。第一，组件选择。安装2 312块单晶硅高效组件，确保高转换效率和长使用寿命。第二，系统配置。配置8台100 kW、2台40 kW、1台50 kW、1台60 kW组串式逆变器，总装机容量为1 260.04 kW。第三，安装角度和方案。池顶支架安装倾角为5°，地面混凝土+支架安装倾角为27°，车棚安装倾角为5°，均朝南布置。第四，智能监控与管理。引入智能监控系统，实时监测和管理光伏系统。第五，安装防雷、防逆流和隔离装置，确保系统安全运行。

4.2 自发自用模式与余电上网模式

该光伏发电系统采用“自发自用，余电上网”的发电模式。自发自用模式指光伏电能优先供污水处理厂使用，剩余电量储存备用或送入储能系统，提高能源自给率，降低用电成本，确保供电可靠性。余电上网模式指剩余电量送入公共电网，获取补贴或售电收益，实现额外经济收益，减少碳排放，助力实现“双碳”目标。

4.3 效益评估

该污水处理厂光伏发电系统的配置和接入方案如图1所示。

光伏发电系统总装机容量为1 260.04 kW，分两期实施，一期装设594块545 WP组件，容量为323.73 kW。

系统并网方案采用0.4 kV电压等级，接入方案参照单点接入方案。光伏发电系统的配置和接入方案如图1所示。

膜车间、清水池、车棚接入2#并网点（630 kVA变压器），二期高效沉淀池、反硝化深床滤池接入2#并网点（630 kVA变压器），二期水解酸化池、改良AAO生化池接入1#并网点（1 250 kVA变压器）。

光伏发电系统应用后，年均发电量为34.06万kW·h，优先供厂内使用，剩余电量上网。第一，经济效益。年节约电费约20万元，售电收益为10万元，总经济收益约为30万元，投资回收期为5～6年。第二，环境效益。使用清洁能源，年减少碳排放约300 t，降低环境负荷。第三，社会效益。提升污水处理厂区绿色形象，增强公众对清洁能源的支持。光伏发电系统不仅带来显著的经济效益和环境效益，还为低碳化发展提供了支持，具有重要的推广和示范价值。

5 结论

通过优化电气系统设计，污水处理厂实现了显著的节能和低碳化目标。具体措施包括合理选择变压器容量、应用变频调速控制技术、动态无功补偿及电能质量治理等。此外，通过应用光伏发电系统进一步提高了能源自给率和经济效益。整体来看，这些低碳化措施不仅提升了系统能效和可靠性，还为实现国家“双碳”目标提供了重要的实践经验和示范效应。

参考文献

1 董 淼，富英杰，裘 亮，等.推进污水处理厂减污降碳协同增效的措施和建议[J].资源节约与环保，2024（6）：54-57.

2 涂倩倩，沈鹏飞，刘鸣燕，等.城镇污水处理厂碳排放核算方法及特征[J].净水技术，2024（6）：52-62.

3 李旭升，庞晓宇.“双碳”目标下城镇污水处理厂低碳化电气设计：以皖北某市污水处理厂为例[J].佛山陶瓷，2024（3）：87-89.

4 崔 程.“双碳”目标下工业污水低碳化处理技术研究[J].黑龙江环境通报，2024（3）：157-159.

5 郑思远.城镇污水处理厂碳排放研究[J].农业与技术，2023（1）：80-82.