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淺談地下污水處理廠電氣特點和能效管理系統(tǒng)的實際應(yīng)用

更新時間：2022-09-15

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吳柯霓

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定201800

摘要：近年來,隨著自然環(huán)境的改善，越來越多的城市開始建設(shè)地下污水廠。地下水廠將部分或所有處理構(gòu)筑物置于地下箱體內(nèi)，而廠區(qū)地上部分則做成了景觀綠地或公園。這樣不僅合利利用了土地,完善了基礎(chǔ)設(shè)施,也是營造城市舒適環(huán)境的一個發(fā)展趨勢。而地下污水廠的電氣設(shè)計與地上不同，本文從供配電、防雷接地、照明等方面闡述地下污水處理廠的特點，介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能源管理解決方案來提高污水廠的安全穩(wěn)定運行、節(jié)能降耗和高效運維。

關(guān)鍵詞：地下污水廠；安全穩(wěn)定；物聯(lián)網(wǎng)；能源管理；高效運維；

近年來，隨著自然環(huán)境的改善，越來越多的城市開始建設(shè)地下污水廠。地下水廠將部分或所有處理構(gòu)筑物置于地下箱體內(nèi)，而廠區(qū)地上部分則做成了景觀綠地或公園。這樣不僅合利利用了土地,完善了基礎(chǔ)設(shè)施,也是營造城市舒適環(huán)境的一個發(fā)展趨勢。而地下污水廠的電氣設(shè)計與地上不同，本文從供配電、防雷接地、照明等方面闡述地下污水處理廠設(shè)計的特點。污水廠設(shè)備要求供電可靠性，一般不允許停電，中斷供電將造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，因污水廠供電負(fù)荷等級為二級，應(yīng)采用兩路電源供電，同時為保證電源可靠性，備用一臺柴油發(fā)電機(jī)，至少滿足廠內(nèi)應(yīng)急通風(fēng)換氣、消防、應(yīng)急照明等用電。地下式污水廠和地上廠相比，對配電系統(tǒng)的安全性、可靠性要求更高。例如，地下式污水廠采用速閉閘或速閉閥保證進(jìn)水安全，若這些設(shè)備的供電出現(xiàn)問題，則可能突然停止進(jìn)水，影響正常生產(chǎn);也可能無法停止。

一、變配電室設(shè)置及供配電系統(tǒng)

1.變配電室布置

污水廠的主要大功率設(shè)備包括曝氣風(fēng)機(jī)、提升泵、污泥脫水以及干化成套設(shè)備等。變配電室應(yīng)充分考慮工藝布局特點，靠近負(fù)荷中心，并且變壓器供電半徑不宜太大，同時考慮設(shè)備運輸?shù)姆奖悖M量靠近地下箱體通道布置。

2.供配電系統(tǒng)

污水廠負(fù)荷等級一般為二級，宜采用兩回 10kV線路供電。10kV 配電系統(tǒng)采用單母線分段結(jié)線，放射式供電。各變壓器均勻布置在10kV兩段母線上。如有分變配室，分配電室10kV 宜采用線路變壓器組方式，電源一般引自主變配電室，在分變配電室進(jìn)線處設(shè)負(fù)荷開關(guān)作為變壓器檢修時的斷開點。配電室0.4kV系統(tǒng)宜采用單母線分段方式。工藝設(shè)備中負(fù)荷重要的設(shè)備(重要工段的水泵、鼓風(fēng)機(jī)等)和設(shè)備組(污泥脫水及干化系統(tǒng) 、加藥系統(tǒng)等)均由變配電室 0.4kV系統(tǒng)放射式供電。小容量設(shè)備如刮泥機(jī)、電動閘門、排水泵等，采用動力配電箱及設(shè)備現(xiàn)場電控箱的兩級配電方式，既保證了主要設(shè)備的供電可靠I生，又減少了電纜數(shù)量。

3.照明設(shè)計

地下箱體內(nèi)設(shè)正常照明與應(yīng)急照明裝置。采用智能照明控制系統(tǒng),可以對不同工況(無人值守、正常巡視、檢修、參觀等)下不同的照度進(jìn)行控制，把照明效率與節(jié)能發(fā)揮到狀態(tài)，提高管理水平。由于對地下箱體內(nèi)的照度和可靠性要求高，并且潮濕環(huán)境對燈具及線路的影響較大，箱體大空間宜采用高效防水防腐的LED工礦燈，LED工礦燈均于金屬線槽下安裝,便于檢修。消防控制室、防煙及排煙控制區(qū)域、控制室等場所應(yīng)設(shè)置備用照明；疏散樓梯間、箱體內(nèi)疏散通道等區(qū)域設(shè)置疏散照明及疏散指示標(biāo)志燈。應(yīng)急照明可在現(xiàn)場手動控制，也可由消防控制室控制,火災(zāi)時或因故失電時,應(yīng)急照明應(yīng)能強(qiáng)制點亮。廠區(qū)道路及景觀區(qū)域照明以裝飾庭院燈具為主，燈具形式于建筑物風(fēng)格與廠區(qū)綠化環(huán)境相諧調(diào)，襯托出舒適、優(yōu)美的氣氛，滿足人們對環(huán)境的美好愿望。

4.能耗分布

污水處理廠的能耗成本主要為電能、藥物、燃料，其中電能消耗占有60~90%，我國污水二級處理電能消耗為0.19~0.36 kWh/m?，經(jīng)過對城鎮(zhèn)污水處理廠能耗狀況及其影響因素進(jìn)行分析，結(jié)果表明目前我國城市污水處理廠平均能耗為0.29kWh/m?，而美國污水處理廠平均能耗為0.2kWh/m?，日本為0.204~0.254kWh/m?。總體上看,我國在污水處理中的節(jié)能降耗、優(yōu)化運營方面起步晚，還存在很大的節(jié)能降耗空間,而電能的消耗在污水提升泵、鼓風(fēng)曝氣和污泥處理環(huán)節(jié)，較高的能耗水平在一定程度上影響了污水處理的建設(shè)和發(fā)展。

二、地下環(huán)境對電氣設(shè)計的其他影響

1.變配電室的防水、防潮及防腐設(shè)計

由于變配電室位于地下箱體負(fù) 1層,上部為地面景觀綠化種植,為避免變配電室頂部滯水,變配電室頂部應(yīng)適當(dāng)高于周圍頂面,并采用鋼筋混凝土摻入高效抗裂防水劑的措施；變配電室內(nèi)的墻面應(yīng)采用防水涂料防水布等措施防滲水；變配電室內(nèi)地面高于箱體負(fù) 1層底板，防止事故時污水進(jìn)入變配電室。地下變配電室面臨的另一個環(huán)境問題就是潮濕。為保證電氣設(shè)備安全運行，本工程所有高壓開關(guān)柜內(nèi)均設(shè)溫濕度控制裝置,自動調(diào)節(jié)柜內(nèi)溫度及濕度；變配電室內(nèi)還增設(shè)獨立的除濕裝置來改善變配電室內(nèi)的環(huán)境濕度。地下污水廠還需要特別考慮腐蝕性氣體對電氣設(shè)備的腐蝕問題。因此，變配電室內(nèi)采用獨立的新風(fēng)系統(tǒng)，保證變配電室內(nèi)始終處于正壓狀態(tài)，以防止腐蝕陛氣體侵入變配電室。

2.環(huán)境對電氣設(shè)備的影響

全地下水廠因整個箱體是一個封閉空間，內(nèi)部含有污水池體、涉水管道及其內(nèi)部的排水溝道等,整個箱體內(nèi)比較潮濕,而且污水進(jìn)水前端、好氧消化段、污泥處理段均會產(chǎn)生硫化氫等氣體腐蝕電氣設(shè)備，雖然箱體內(nèi)設(shè)有機(jī)械通風(fēng)及除臭裝置,但通過對多個類似水廠的考察，未采取防潮防腐措施的電氣設(shè)備被腐蝕較嚴(yán)重，給運行和維護(hù)帶來了不便。因此,箱體內(nèi)各單體上的配電柜(箱)宜采用不銹鋼或聚碳酸酯材質(zhì),電纜橋架采用不銹鋼橋架。相對濕度較大時也可在箱體內(nèi)裝設(shè)電熱除濕裝置。同時，箱體內(nèi)散熱較慢，選擇低壓電氣設(shè)備類型時,有必要考慮降容使用。成套裝置或配電柜內(nèi)布置回路不宜太緊湊，尤其是有變頻器的回路,以防散熱不利。

三、能效管理解決方案--AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺

安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計算到能效管理平臺的產(chǎn)品生態(tài)體系，AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺通過在污水廠源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個關(guān)鍵節(jié)點安裝保護(hù)、監(jiān)測、分析、治理裝置，用于監(jiān)測污水廠能耗總量和能耗強(qiáng)度，重點監(jiān)測主要用能設(shè)備能效，保護(hù)污水廠運行安全可靠，提高污水廠能效，為污水處理的能效管理提供科學(xué)、精細(xì)的解決方案。

圖1 AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺

1.保障供電可靠性

對污水廠配電系統(tǒng)中35kV、10kV電壓等級配置微機(jī)保護(hù)裝置及多功能儀表進(jìn)行保護(hù)和監(jiān)控，對0.4kV配置多功能計量儀表，用于監(jiān)測各回路的電氣參數(shù)和用能情況，可實時監(jiān)控高低壓供配電系統(tǒng)開關(guān)柜、變壓器微機(jī)保護(hù)測控裝置、發(fā)電機(jī)控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調(diào)、事故報警及記錄等。

污水廠存在大量的非線性負(fù)載，通過監(jiān)測其配電系統(tǒng)的諧波畸變、電壓波動、閃變和容忍度指標(biāo)分析其電能質(zhì)量，并配置對應(yīng)的電能質(zhì)量治理措施進(jìn)一步提高供電可靠性。

圖2 AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺主接線圖

2.建立能源計量體系

AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺通過搭建計量體系，采集污水處理廠能源數(shù)據(jù)，顯示污水處理廠的能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助其分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區(qū)域幫助其了解各工藝環(huán)節(jié)能源消耗量，并且可細(xì)化到樓層、車間、產(chǎn)線、班組、工序，計算產(chǎn)品單耗、單位面積能耗或萬元產(chǎn)值能耗，從而計算出能耗總量和單位能耗。

圖3 能源流向圖

3.數(shù)據(jù)集抄并實時計量

AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺提供自定義時間抄表功能，可以在任意時間，任意地點，完成對企業(yè)的三級計量體系數(shù)據(jù)閱覽，減少了人工投入。同時各類保護(hù)、儀表主動定時上傳數(shù)據(jù)，保證了能源時效性，為其節(jié)能降耗，提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

圖4 數(shù)據(jù)集抄報表

4. 優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)

AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺支持接入分布式光伏電站以及風(fēng)力發(fā)電站，為企業(yè)提供分布式電站運行監(jiān)測和發(fā)電日/月/年/累計收益和減排分析，支持自發(fā)自用、余電上網(wǎng)。在儲能環(huán)節(jié)，平臺接入BMS和PCS數(shù)據(jù)，支持充放電配置策略，并對電池管理系統(tǒng)提供實時預(yù)警，根據(jù)其負(fù)荷特點，削峰填谷，充分使用新能源，降低污水廠碳排放。

圖5 分布式光伏電站監(jiān)測運維

5. 提升主要用能設(shè)備能效

污水處理廠中有著大量的電機(jī)、水泵，其中污水提升泵和鼓風(fēng)曝氣能耗占據(jù)了工藝能耗中的大多數(shù)，平臺針對這些工藝設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測分析，工藝之間橫向比較，尋找具有調(diào)控潛力的用電設(shè)備、工藝單元，幫助用戶發(fā)現(xiàn)其能效提升空間并提供解決方案，找到的運行區(qū)域，顯著降低能源消耗。

圖6 管網(wǎng)圖和能效監(jiān)測

6. 報警及時推送

平臺提供能源報警功能，一旦發(fā)現(xiàn)跑冒滴漏，能源消耗異常，電參量異常等情況，能提供多種方式的報警，包括但不限于郵件、短信、釘釘推送等。

圖7 報警記錄與管理

7. 加強(qiáng)運維管理

加強(qiáng)巡視維護(hù)工作，及時發(fā)現(xiàn)或消除設(shè)備隱患，提高供電可靠性。配置重要設(shè)備包括變壓器、電氣柜、高壓電纜、空調(diào)主機(jī)、水泵、鼓風(fēng)機(jī)等設(shè)備信息，配置二維碼，快速在移動端獲取設(shè)備信息、設(shè)備維修歷史記錄以及解決問題的常用辦法。

故障預(yù)判和快速診斷功能將以往出現(xiàn)問題再采取措施的被動檢修維護(hù)政為主動出擊、防患于未然的主動運維模式。既可以使運維管理工作更從容。還大大提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。

圖8 設(shè)備運維檔案

8. 典型硬件

四、結(jié)語

地下污水廠的建設(shè),本著安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、運行管理的原則，通過合理運用能源管理平臺，利用先進(jìn)的大數(shù)據(jù)、云計算等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠提高污水廠的供電可靠性，找到節(jié)能降耗的實際方案，深入能耗分析，發(fā)掘節(jié)能潛力，為管理者提供精準(zhǔn)化的管理手段，提高污水處理廠的能耗管理水平。

參考文獻(xiàn)

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[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計應(yīng)用手冊.2020.06版

作者簡介

吳柯霓，女，銷售工程師，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究智能配電在水利行業(yè)的應(yīng)用。