淺談地下污水處理廠(chǎng)電氣特點(diǎn)和能效管理系統的實(shí)際應用

摘要：近年來(lái),隨著(zhù)自然環(huán)境的改善，越來(lái)越多的城市開(kāi)始建設地下污水廠(chǎng)。地下水廠(chǎng)將部分或所有處理構筑物置于地下箱體內，而廠(chǎng)區地上部分則做成了景觀(guān)綠地或公園。這樣不僅合利利用了土地,完善了基礎設施,也是營(yíng)造城市舒適環(huán)境的一個(gè)發(fā)展趨勢。而地下污水廠(chǎng)的電氣設計與地上不同，本文從供配電、防雷接地 、照明等方面闡述地下污水處理廠(chǎng)的特點(diǎn)，介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能源管理解決方案來(lái)提高污水廠(chǎng)的安全穩定運行、節能降耗和高效運維。

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

       近年來(lái)，隨著(zhù)自然環(huán)境的改善，越來(lái)越多的城市開(kāi)始建設地下污水廠(chǎng)。地下水廠(chǎng)將部分或所有處理構筑物置于地下箱體內，而廠(chǎng)區地上部分則做成了景觀(guān)綠地或公園。這樣不僅合利利用了土地,完善了基礎設施,也是營(yíng)造城市舒適環(huán)境的一個(gè)發(fā)展趨勢。而地下污水廠(chǎng)的電氣設計與地上不同，本文從供配電、防雷接地 、照明等方面闡述地下污水處理廠(chǎng)設計的特點(diǎn)。污水廠(chǎng)設備要求供電可靠性，一般不允許停電，中斷供電將造成重大的經(jīng)濟損失，因污水廠(chǎng)供電負荷等級為二級，應采用兩路電源供電，同時(shí)為保證電源可靠性，備用一臺柴油發(fā)電機，至少滿(mǎn)足廠(chǎng)內應急通風(fēng)換氣、消防、應急照明等用電。地下式污水廠(chǎng)和地上廠(chǎng)相比，對配電系統的安全性、可靠性要求更高。例如，地下式污水廠(chǎng)采用速閉閘或速閉閥保證進(jìn)水安全，若這些設備的供電出現問(wèn)題，則可能突然停止進(jìn)水，影響正常生產(chǎn);也可能無(wú)法停止。

1.變配電室布置

       污水廠(chǎng)的主要大功率設備包括曝氣風(fēng)機、提升泵、污泥脫水以及干化成套設備等。變配電室應充分考慮工藝布局特點(diǎn)，靠近負荷中心，并且變壓器供電半徑不宜太大，同時(shí)考慮設備運輸的方便，盡量靠近地下箱體通道布置。

2.供配電系統

       污水廠(chǎng)負荷等級一般為二級，宜采用兩回 10kV線(xiàn)路供電。10kV 配電系統采用單母線(xiàn)分段結線(xiàn)，放射式供電。各變壓器均勻布置在10kV兩段母線(xiàn)上。如有分變配室，分配電室10kV 宜采用線(xiàn)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(xiàn)處設負荷開(kāi)關(guān)作為變壓器檢修時(shí)的斷開(kāi)點(diǎn)。配電室0.4kV系統宜采用單母線(xiàn)分段方式。工藝設備中負荷重要的設備(重要工段的水泵、鼓風(fēng)機等)和設備組(污泥脫水及干化系統 、加藥系統等)均由變配電室 0.4kV系統放射式供電。小容量設備如刮泥機、電動(dòng)閘門(mén)、排水泵等，采用動(dòng)力配電箱及設備現場(chǎng)電控箱的兩級配電方式，既保證了主要設備的供電可靠I生，又減少了電纜數量。

3.照明設計

       地下箱體內設正常照明與應急照明裝置。采用智能照明控制系統,可以對不同工況(無(wú)人值守、正常巡視 、檢修、參觀(guān)等)下不同的照度進(jìn)行控制，把照明效率與節能發(fā)揮到較佳狀態(tài)，提高管理水平。由于對地下箱體內的照度和可靠性要求高，并且潮濕環(huán)境對燈具及線(xiàn)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(xiàn)槽下安裝,便于檢修。消防控制室、防煙及排煙控制區域、中央控制室等場(chǎng)所應設置備用照明；疏散樓梯間、箱體內疏散通道等區域設置疏散照明及疏散指示標志燈。應急照明可在現場(chǎng)手動(dòng)控制，也可由消防控制室控制,火災時(shí)或因故失電時(shí),應急照明應能強制點(diǎn)亮。廠(chǎng)區道路及景觀(guān)區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(chǎng)區綠化環(huán)境相諧調，襯托出舒適、優(yōu)美的氣氛，滿(mǎn)足人們對環(huán)境的美好愿望。

4.能耗分布

       污水處理廠(chǎng)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/m3，經(jīng)過(guò)對城鎮污水處理廠(chǎng)能耗狀況及其影響因素進(jìn)行分析，結果表明目前我國城市污水處理廠(chǎng)平均能耗為0.29kWh/m3，而美國污水處理廠(chǎng)平均能耗為0.2kWh/m3，日本為0.204~0.254kWh/m3?？傮w上看,我國在污水處理中的節能降耗、優(yōu)化運營(yíng)方面起步晚，還存在很大的節能降耗空間,而電能的消耗較大在污水提升泵、鼓風(fēng)曝氣和污泥處理環(huán)節，較高的能耗水平在一定程度上影響了污水處理的建設和發(fā)展。

1..變配電室的防水、防潮及防腐設計

         由于變配電室位于地下箱體負 1層,上部為地面景觀(guān)綠化種植,為避免變配電室頂部滯水,變配電室頂部應適當高于周?chē)斆?并采用鋼筋混凝土摻入高效抗裂防水劑的措施 ；變配電室內的墻面應采用防水涂料防水布等措施防滲水；變配電室內地面高于箱體負 1層底板，防止事故時(shí)污水進(jìn)入變配電室。地下變配電室面臨的另一個(gè)環(huán)境問(wèn)題就是潮濕。為保證電氣設備安全運行，本工程所有高壓開(kāi)關(guān)柜內均設溫濕度控制裝置,自動(dòng)調節柜內溫度及濕度；變配電室內還增設獨立的除濕裝置來(lái)改善變配電室內的環(huán)境濕度。地下污水廠(chǎng)還需要特別考慮腐蝕性氣體對電氣設備的腐蝕問(wèn)題。因此，變配電室內采用獨立的新風(fēng)系統，保證變配電室內始終處于正壓狀態(tài)，以防止腐蝕陛氣體侵入變配電室。

2.環(huán)境對電氣設備的影響

        全地下水廠(chǎng)因整個(gè)箱體是一個(gè)封閉空間，內部含有污水池體 、涉水管道及其內部的排水溝道等,整個(gè)箱體內比較潮濕,而且污水進(jìn)水前端、好氧消化段、污泥處理段均會(huì )產(chǎn)生硫化氫等氣體腐蝕電氣設備，雖然箱體內設有機械通風(fēng)及除臭裝置,但通過(guò)對多個(gè)類(lèi)似水廠(chǎng)的考察，未采取防潮防腐措施的電氣設備被腐蝕較嚴重，給運行和維護帶來(lái)了不便。因此,箱體內各單體上的配電柜(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(shí)也可在箱體內裝設電熱除濕裝置。同時(shí)，箱體內散熱較慢，選擇低壓電氣設備類(lèi)型時(shí),有必要考慮降容使用。成套裝置或配電柜內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。

      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(guò)在污水廠(chǎng)源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個(gè)關(guān)鍵節點(diǎn)安裝保護、監測、分析、治理裝置，用于監測污水廠(chǎng)能耗總量和能耗強度，重點(diǎn)監測主要用能設備能效，保護污水廠(chǎng)運行安全可靠，提高污水廠(chǎng)能效，為污水處理的能效管理提供科學(xué)、精細的解決方案。

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(chǎng)配電系統中35kV、10kV電壓等級配置微機保護裝置及多功能儀表進(jìn)行保護和監控，對0.4kV配置多功能計量?jì)x表，用于監測各回路的電氣參數和用能情況，可實(shí)時(shí)監控高低壓供配電系統開(kāi)關(guān)柜、變壓器微機保護測控裝置、發(fā)電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。

       污水廠(chǎng)存在大量的非線(xiàn)性負載，通過(guò)監測其配電系統的諧波畸變、電壓波動(dòng)、閃變和容忍度指標分析其電能質(zhì)量，并配置對應的電能質(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(xiàn)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(guò)搭建計量體系，采集污水處理廠(chǎng)能源數據，顯示污水處理廠(chǎng)的能源流向和能源損耗，通過(guò)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域幫助其了解各工藝環(huán)節能源消耗量，并且可細化到樓層、車(chē)間、產(chǎn)線(xiàn)、班組、工序，計算產(chǎn)品單耗、單位面積能耗或萬(wàn)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.數據集抄并實(shí)時(shí)計量

      AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺提供自定義時(shí)間抄表功能，可以在任意時(shí)間，任意地點(diǎn)，完成對企業(yè)的三級計量體系數據閱覽，減少了人工投入。同時(shí)各類(lèi)保護、儀表主動(dòng)定時(shí)上傳數據，保證了能源時(shí)效性，為其節能降耗，提供了基礎數據支撐。

圖4 數據集抄報表

4. 優(yōu)化能源結構

      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，平臺接入BMS和PCS數據，支持充放電配置策略，并對電池管理系統提供實(shí)時(shí)預警，根據其負荷特點(diǎn)，削峰填谷，充分使用新能源，降低污水廠(chǎng)碳排放。

圖5 分布式光伏電站監測運維

5. 提升主要用能設備能效

       污水處理廠(chǎng)中有著(zhù)大量的電機、水泵，其中污水提升泵和鼓風(fēng)曝氣能耗占據了工藝能耗中的大多數，平臺針對這些工藝設備進(jìn)行監測分析，工藝之間橫向比較，尋找具調控潛力的用電設備、工藝單元，幫助用戶(hù)發(fā)現其能效提升空間并提供解決方案，找到運行區域，顯著(zhù)降低能源消耗

圖6 管網(wǎng)圖和能效監測

6. 報警及時(shí)推送

       平臺提供能源報警功能，一旦發(fā)現跑冒滴漏，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. 加強運維管理

       加強巡視維護工作，及時(shí)發(fā)現或消除設備隱患，提高供電可靠性。配置重要設備包括變壓器、電氣柜、高壓電纜、空調主機、水泵、鼓風(fēng)機等設備信息，配置二維碼，快速在移動(dòng)端獲取設備信息、設備維修歷史記錄以及解決問(wèn)題的常用辦法。

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

圖8 設備運維檔案

8. 典型硬件

     地下污水廠(chǎng)的建設,本著(zhù)安全可靠、經(jīng)濟合理 、運行管理的原則，通過(guò)合理運用能源管理平臺，利用先進(jìn)的大數據、云計算等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠提高污水廠(chǎng)的供電可靠性，找到節能降耗的實(shí)際方案，深入能耗分析，發(fā)掘節能潛力，為管理者提供準確化的管理手段，提高污水處理廠(chǎng)的能耗管理水平。

     [1] 董建明，孫展淺.談地下污水處理廠(chǎng)電氣設計的特點(diǎn).公用工程設計.2018-O1.25

     [2] 馬培對城市污水處理廠(chǎng)能耗分析與節能降耗途徑探討[J].城市建設理論研究(電子版).2018年06期

     [3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計應用手冊.2020.06版

 

柏為為，男，現任職于 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)的應用