上海白龍港城市污水處理廠工程電氣設(shè)計(jì)體會(huì)

王敏

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

1 工程簡(jiǎn)介

上海白龍港城市污水處理廠是一座特大型的污水處理廠，近期處理污水量為200×104m3/d，遠(yuǎn)期處理污水量將達(dá)350×104m3/d，出水水質(zhì)達(dá)到國(guó)家二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，2010年上海白龍港污水處理廠升級(jí)改造及擴(kuò)建工程已建成通水。該工程是上海市第三輪環(huán)保三年行動(dòng)計(jì)劃的重大工程之一，投資22億元，目前是亞洲最大的污水處理廠，每年可處理上海中心城區(qū)1/3的工業(yè)和生活污水，使上海城鎮(zhèn)污水處理率提高到75%，每年削減化學(xué)耗氧量（COD）約16萬(wàn)t，約占當(dāng)年上海中心城區(qū)COD減排任務(wù)的96%，受益人口達(dá)720萬(wàn)，減排環(huán)保效果明顯。

白龍港污水處理廠位于上海浦東新區(qū)川沙縣合慶鄉(xiāng)內(nèi)人民塘西，規(guī)劃張家浜南長(zhǎng)江灘涂，離吳淞口約27 km，離川沙鎮(zhèn)約7 km。附近電網(wǎng)只能提供35 kV電壓等級(jí)的電源。從建成以來(lái)經(jīng)過(guò)兩次較大規(guī)模的改擴(kuò)建。第一次是在2000～2002年，其間主要改擴(kuò)建的是將處理深度從預(yù)處理提高到一級(jí)強(qiáng)化處理，提高標(biāo)準(zhǔn)的水量為120×104m3/d，這樣大的水量即使一級(jí)強(qiáng)化處理，負(fù)荷容量增加還是較多的。第二次是2006～2008年，主要改擴(kuò)建內(nèi)容是將廠內(nèi)水處理深度由一級(jí)強(qiáng)化提高為二級(jí)處理，水量達(dá)到200×104m3/d；泥處理規(guī)模隨之增加，同時(shí)實(shí)施污泥的消化和干化處理；遠(yuǎn)期要求達(dá)到350×104m3/d的處理水量，從這個(gè)水量可以預(yù)測(cè)全廠的負(fù)荷容量將是數(shù)量級(jí)的增加，遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有電氣系統(tǒng)的承受能力。

以下將就本廠歷經(jīng)的兩次擴(kuò)建談?wù)劥笮臀鬯畯S電氣設(shè)計(jì)的體會(huì)。

2 上海市白龍港城市污水處理廠第一次改擴(kuò)建

2.1 第一次擴(kuò)建前廠內(nèi)電氣系統(tǒng)情況

工程設(shè)計(jì)負(fù)荷為二級(jí)負(fù)荷，外線為兩路35 kV電源供電。

廠內(nèi)已建有預(yù)處理站和出水泵站等設(shè)施，出水泵站處合建有1座35/6.3 kV總降壓站，2臺(tái)6 300 kV·A的主變，運(yùn)行方式為兩臺(tái)常用，互為備用。35 kV系統(tǒng)采用的是全橋接線，單母線分段帶母聯(lián)。6 kV系統(tǒng)采用單母線分段帶母聯(lián)的接線形式。6 kV饋線柜已沒(méi)有多余的回路，土建空間只能多安裝2臺(tái)6 kV開(kāi)關(guān)柜。

原35 kV總降的6 kV饋線回路共6路，分別引至出水泵站第二級(jí)6 kV電動(dòng)機(jī)配電系統(tǒng)、雨水泵站變電所、預(yù)處理設(shè)施變電所這3處負(fù)荷。每處為2路6 kV電源供電，前兩處的用電負(fù)荷均在出水泵站內(nèi)，距離總降較近，預(yù)處理設(shè)施變電所距離總降較遠(yuǎn)，位于南側(cè)的廠前區(qū)大門處，與北側(cè)的總降相距約1.6 km，可參見(jiàn)圖1。

2.2 第一次擴(kuò)建工程的用電負(fù)荷情況

廠內(nèi)第一次擴(kuò)建工程時(shí)是在總平面內(nèi)分區(qū)實(shí)施新建構(gòu)筑物，新增負(fù)荷基本上都在新的地塊內(nèi)，與原有電氣系統(tǒng)相隔較遠(yuǎn)，分布也較散，增加的總負(fù)荷計(jì)算容量約為2 532 kW，因此根據(jù)地塊分布和工藝流程考慮新建3座6/0.4 kV分變電所，分別為污泥處理設(shè)施（2＃變電所）、高效沉淀池及加藥間（1＃變電所）、再生水回用設(shè)施（3＃變電所）3部分負(fù)荷供電。

根據(jù)設(shè)計(jì)資料和歷年運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，原廠內(nèi)的設(shè)計(jì)負(fù)荷計(jì)算容量達(dá)5 744 kW，實(shí)際出現(xiàn)的最大運(yùn)行負(fù)荷為4 844 kW；另外廠內(nèi)與本次改擴(kuò)建工程同時(shí)建設(shè)的還有污泥碼頭和污泥填埋場(chǎng)兩個(gè)工程，容量分別為300 kW和100 kW，均設(shè)有單獨(dú)的變配電系統(tǒng)；并預(yù)留100 kW容量作為廠內(nèi)以后除臭設(shè)施的負(fù)荷容量。因此全廠總計(jì)算容量為8 074 kW，如表1所示。

表1 負(fù)荷計(jì)算容量表

根據(jù)以上計(jì)算，可以看到原35/6.3 kV總降2臺(tái)主變壓器的裕量較大，新增負(fù)荷容量不是很大，本階段也沒(méi)有對(duì)遠(yuǎn)期工程作規(guī)劃，若是對(duì)原總降的主變進(jìn)行擴(kuò)容，既不利于現(xiàn)有廠區(qū)正常運(yùn)行，也不能兼顧遠(yuǎn)期工程負(fù)荷。因此擬在確保可靠的事故保證率基礎(chǔ)上，利用已有兩臺(tái)主變的供電能力，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后兩臺(tái)主變能承擔(dān)廠內(nèi)所有新舊負(fù)荷，其負(fù)載率為70%，事故保證率為72%，原變壓器容量能夠滿足本廠原有和本次擴(kuò)建所需的負(fù)荷且滿足污水廠對(duì)供電可靠性的要求。廠區(qū)總平面布置圖如圖1所示。

原總降壓站內(nèi)6 kV開(kāi)關(guān)柜無(wú)預(yù)留饋線回路，如何解決新增3座變電所的6 kV電源而又不對(duì)原總降改造過(guò)大呢？從圖1中可以看到，原總降壓站位于廠區(qū)北側(cè)，外線從東南方向引入總降壓站降為6 kV等級(jí)在全廠放射式送電，預(yù)處理設(shè)施變電所則距離總降壓站較遠(yuǎn)，位于廠內(nèi)大門處的西南側(cè)附近，單回線路長(zhǎng)度達(dá)到1.6 km多。圖1中分別標(biāo)出了新建1～3＃6/0.4 kV變電所的位置。

新建3座變電所需要6路6 kV電源，總降無(wú)法提供，且受場(chǎng)地限制，即使實(shí)施擴(kuò)建，施工難度大、投資高、對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)影響較大。經(jīng)過(guò)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比選后確定了如下改造方案：在新建的2＃變電所增設(shè)1間6 kV配電間，設(shè)置第二級(jí)6 kV配電系統(tǒng)，將總降壓站原引至預(yù)處理設(shè)施變電所的2路6 kV電源改為引至新建的6 kV配電系統(tǒng)，再轉(zhuǎn)供預(yù)處理設(shè)施變電所，同時(shí)提供本次新建3座變電所的6路6 kV電源。新設(shè)的第二級(jí)6 kV配電系統(tǒng)位于原總降西南側(cè)，在預(yù)處理廠和原總降之間，而新增負(fù)荷和預(yù)處理廠變電所均在新建2#變電所的西南側(cè)。變配電系統(tǒng)框圖如圖2所示。設(shè)計(jì)方案統(tǒng)籌考慮新舊供配電網(wǎng)絡(luò)，合理分配6 kV送電線路，節(jié)省了工程投資，縮短了施工周期。

圖2 第一次改擴(kuò)建工程變配電系統(tǒng)框圖

本方案充分利用了原總降壓站的供電能力，對(duì)原總降壓站的改造工作量較小，只需調(diào)換2臺(tái)6 kV饋線開(kāi)關(guān)柜的出線電流互感器、調(diào)整繼電保護(hù)整定值，就能滿足本次擴(kuò)建工程的需求。2#變電所的6 kV配電系統(tǒng)和配電間土建空間還預(yù)留了一些柜位和空間，為將來(lái)廠內(nèi)可能的擴(kuò)建預(yù)留了6 kV電源。

3 上海市白龍港城市污水處理廠第二次改擴(kuò)建

白龍港污水廠經(jīng)過(guò)幾年運(yùn)行，需要進(jìn)一步大規(guī)模改造和擴(kuò)建，原120×104m3/d的一級(jí)強(qiáng)化處理需要升級(jí)改造為二級(jí)處理，同時(shí)擴(kuò)建80×104m3/d規(guī)模的二級(jí)處理，使全廠達(dá)到200×104m3/d的二級(jí)處理規(guī)模；同步建設(shè)污泥處理工程；遠(yuǎn)期根據(jù)規(guī)劃規(guī)模，還預(yù)留140×104～170×104m3/d的處理能力。第二次改擴(kuò)建的規(guī)模遠(yuǎn)超過(guò)原廠處理水量，全廠近遠(yuǎn)期的負(fù)荷總計(jì)算容量約達(dá)到48 270 kW，負(fù)荷計(jì)算容量如表2所示。

表2 負(fù)荷計(jì)算容量表

從表2中可以看出，現(xiàn)有負(fù)荷7 223 kW，升級(jí)改造和擴(kuò)建后，將增加至29 522 kW，是現(xiàn)有負(fù)荷的二翻多，遠(yuǎn)期更將達(dá)到48 270 kW，其近期擴(kuò)建后負(fù)荷仍然在35 kV供電合理范圍內(nèi)，遠(yuǎn)期負(fù)荷考慮安全供電的裕量，已經(jīng)超出了兩路35 kV供電的合理范圍，因此本期工程首先需確定外線電源的電壓等級(jí)。經(jīng)過(guò)了解，現(xiàn)有兩路35 kV外線分別引自上級(jí)220 kV唐鎮(zhèn)變電站（線路長(zhǎng)度15 km）和220 kV周海變電站（線路長(zhǎng)度18 km）。目前唐鎮(zhèn)站35 kV外線線路負(fù)載率達(dá)90%，周海線雖略有富裕，但兩個(gè)變電站饋線回路已滿，無(wú)法提供兩路新35 kV用電，經(jīng)與電業(yè)部門協(xié)商，原兩路外線也無(wú)法進(jìn)行改造以滿足本期擴(kuò)建的增容需求。但附近另有一座220 kV王港變電站正在建設(shè)中，距離本廠約12 km，其建設(shè)周期可滿足本廠建設(shè)需要。根據(jù)當(dāng)?shù)毓┡潆娨?guī)則，該變電站可提供兩路35 kV電源，每路電源最大供電能力可達(dá)到20 MV·A，可以滿足近期增容需求，但仍然無(wú)法滿足遠(yuǎn)期需求。白龍港污水廠區(qū)周邊除了35 kV電源外，還有110 kV電源。因此，外線供電方案有近期35 kV，遠(yuǎn)期升級(jí)至110 kV的供電方案和近期即110 kV供電，遠(yuǎn)期增容的供電方案，但兩個(gè)方案均有投資大，遠(yuǎn)、近期變化大，不利于今后改造的缺點(diǎn)。經(jīng)調(diào)研，當(dāng)?shù)仉娏Σ块T針對(duì)特殊項(xiàng)目，有提供3路35 kV電源的供電方案的先例，而近期2路35 kV電源供電，遠(yuǎn)期增加1路35 kV電源，正好可滿足近遠(yuǎn)期的結(jié)合要求，遠(yuǎn)期除了增加1路35 kV電源所需的相應(yīng)變配電設(shè)備外，本期設(shè)置的主變壓器、開(kāi)關(guān)柜等均不需調(diào)整。因此，供電方案確定擬由建設(shè)中的王港站提供35 kV電源。廠區(qū)總平面布置如圖3所示。

基于升級(jí)改造和擴(kuò)建工程的負(fù)荷增加遠(yuǎn)大于原有負(fù)荷，原總降壓站的主變壓器、6 kV開(kāi)關(guān)柜、配電間面積、變壓器室承重均不能滿足需要，原地改擴(kuò)建或重建，將引起原污水廠大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)；而且本次新增的負(fù)荷和遠(yuǎn)期規(guī)劃工程的負(fù)荷都遠(yuǎn)離現(xiàn)有總降，原作為主要負(fù)荷的出水泵站已不再是全廠負(fù)荷中心位置，因此采用原總降的改擴(kuò)建方案無(wú)論從其位置還是對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)的影響都是較為不利的，因此考慮在廠內(nèi)新設(shè)1座35/6.3 kV總降壓站，申請(qǐng)的2路35 kV電源引入新建總降壓站。曾經(jīng)考慮過(guò)保留已建的總降站，2路新的35 kV電源經(jīng)過(guò)支接后引入原總降，但是由于電業(yè)對(duì)35 kV電壓等級(jí)供電的用戶站限容為40 MV·A，因此想利用2路35 kV外線再多承擔(dān)原2臺(tái)6 300 kV·A的變壓器的設(shè)想無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

圖3 第二次擴(kuò)建時(shí)廠區(qū)變配電設(shè)施平面布置圖

新建總降站近期規(guī)模為2臺(tái)20 MV·A的常用主變，6 kV單母線分段的接線形式，土建按遠(yuǎn)期考慮，遠(yuǎn)期時(shí)可擴(kuò)展為“三電源、三變壓器、四分段”的接線形式。采用這種供配電方式，供電可靠性高且靈活，可以適應(yīng)大型污水廠分期建設(shè)的需求，節(jié)省投資，即使遠(yuǎn)期工程廠內(nèi)也僅需一座35 kV總降壓站就能滿足負(fù)荷的供電要求。遠(yuǎn)期時(shí)三電源、三變壓器和四分段的接線形式在保證主變負(fù)載率、備用率滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，使變壓器運(yùn)行于高效區(qū)，降低了變壓器損耗。新總降壓站建成后，原35 kV總降壓站改為配電站，35 kV配電設(shè)施和主變均停運(yùn)，6 kV配電系統(tǒng)的電源改由新建總降供電，饋電回路基本保持不變。

根據(jù)上級(jí)220 kV變電所的位置，新電源外線將由廠區(qū)西南方向引入，新建總降由此設(shè)置在廠區(qū)西南部升級(jí)改造和擴(kuò)建工程的負(fù)荷中心。另外120×104m3/d的升級(jí)改造工程還新建1座6 kV配電間和5座6/0.4 kV變電所；80×104m3/d的擴(kuò)建工程新建2座6 kV配電間和6座6/0.4 kV變電所。

總降位置確定后需要落實(shí)下級(jí)變配電系統(tǒng)，在圖3中可以看出，新建總降壓站后，廠區(qū)6 kV供電系統(tǒng)將從北向南供電改為南向北供電。因此有必要對(duì)廠內(nèi)6 kV線路進(jìn)行梳理和調(diào)整，為今后管理方便，廠內(nèi)原有負(fù)荷盡可能從新建總降壓站放射式取電，同時(shí)，兼顧現(xiàn)有供電網(wǎng)絡(luò)，減少工程量，全廠共設(shè)新舊5座第二級(jí)的6 kV配電系統(tǒng)，各從新建總降壓站取得兩路常用電源。5座6 kV配電系統(tǒng)分別為：

（1）原總降站的6 kV配電系統(tǒng)，承擔(dān)原出水泵房的負(fù)荷；

（2）原2＃變電所的6 kV配電系統(tǒng)，承擔(dān)污泥處理設(shè)施的所有負(fù)荷。由于污泥設(shè)施離開(kāi)新建總降較遠(yuǎn)，工藝流程相對(duì)獨(dú)立，電氣系統(tǒng)包含有2～3座小容量的6/0.4 kV分變電所，不適合分別直接從總降取電，同時(shí)污泥設(shè)施區(qū)附近有第一次擴(kuò)建工程的6 kV配電系統(tǒng)（位于2#變電所），其6 kV饋線回路多已調(diào)整至總降供電（原由已建2＃變電所6 kV系統(tǒng)供電的1～3＃6/0.4 kV變電所、預(yù)處理設(shè)施6/0.4 kV變電所由于靠近總降壓站，改為從總降壓站直接引電），無(wú)需較大的改造就能滿足污泥設(shè)施的6 kV供電；

（3）升級(jí)改造工程鼓風(fēng)機(jī)房6 kV配電系統(tǒng)，承擔(dān)升級(jí)改造工程的鼓風(fēng)機(jī)房和生物反應(yīng)池的所有負(fù)荷；

（4）擴(kuò)建工程鼓風(fēng)機(jī)房6 kV配電系統(tǒng)，承擔(dān)擴(kuò)建工程的鼓風(fēng)機(jī)房和生物反應(yīng)池的所有負(fù)荷；

（5）擴(kuò)建工程的15#變電所的6 kV配電系統(tǒng)，主要承擔(dān)出水泵房和15＃變電所的變壓器。

通過(guò)以上電氣系統(tǒng)的改造，新建1座35/6.3 kV總降壓站，對(duì)廠內(nèi)的老負(fù)荷、近期和遠(yuǎn)期負(fù)荷作了供電規(guī)劃和調(diào)整，解決了近期大量新增負(fù)荷和原有負(fù)荷相差巨大的問(wèn)題，兼顧了遠(yuǎn)期還將增加的大量負(fù)荷，為遠(yuǎn)期的擴(kuò)展預(yù)留了較大的發(fā)展空間，方便了遠(yuǎn)期工程的擴(kuò)展設(shè)計(jì)。同時(shí)通過(guò)6 kV線路的合理調(diào)整，理順了廠內(nèi)多次系統(tǒng)改擴(kuò)建后較為復(fù)雜的接線，為廠內(nèi)今后的管理運(yùn)行提供了較為方便易行的操作運(yùn)行模式，變配電系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 第二次擴(kuò)建時(shí)廠內(nèi)供配電系統(tǒng)圖

本次改擴(kuò)建工程的水處理規(guī)模極大，廠內(nèi)作為主要水處理構(gòu)筑物的生物反應(yīng)池共有4座，每座水處理量達(dá)到40萬(wàn)t，每座反應(yīng)池又分為4條10萬(wàn)t的處理線。單池構(gòu)筑物長(zhǎng)300 m，寬250 m，單池的工藝及機(jī)械用電設(shè)備達(dá)到270臺(tái)，單池總?cè)萘考s為1 300 kW，單機(jī)容量小且分布極為分散。如何妥善地解決生物反應(yīng)池的配電和電纜敷設(shè)問(wèn)題是當(dāng)時(shí)電氣設(shè)計(jì)中被反復(fù)討論和研究的問(wèn)題。由于反應(yīng)池上屬于腐蝕性氣體硫化氫濃度較高的環(huán)境，池上設(shè)備的控制裝置不宜設(shè)置在戶外機(jī)旁，需要設(shè)MCC，最初考慮將分變電所設(shè)置池旁兩側(cè)300 m長(zhǎng)度的中間，較小尺寸的MCC配電間搭建在池上，每座反應(yīng)池共設(shè)2座分變電所和2座MCC。但構(gòu)筑物體量大，1座分變電所至MCC的供電距離約150m，而MCC再引出至電機(jī)的配電線路平均在200m。線路過(guò)長(zhǎng)壓降過(guò)大；電纜過(guò)多，在池上很難敷設(shè)。與主體專業(yè)協(xié)調(diào)溝通后，將每座反應(yīng)池中間的管廊位置空出2段空間，電氣則將分變電所和MCC結(jié)合為兩座變電所設(shè)置在工藝管廊空間，使變電所和MCC深入負(fù)荷中心，縮短了線路長(zhǎng)度。

但是單池上的270臺(tái)電機(jī)的電力和控制電纜數(shù)量還是很多，放射型供電控制將有近千根電纜需要在池上敷設(shè)，池上走道板兩側(cè)還有很多空氣管的管廊，無(wú)法設(shè)置電纜溝。若全部采用橋架的話，需要幾層，反應(yīng)池的超高層較低，不太可能有空間設(shè)置多層橋架?？紤]到該工程的規(guī)模大，數(shù)量如此多的電動(dòng)機(jī)不可能單臺(tái)參與處理流程，必然是幾臺(tái)一組，同時(shí)參與一組流程的。因此與主體專業(yè)協(xié)商后，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型的低壓電動(dòng)機(jī)控制模式，將4～6臺(tái)一條流程中的電機(jī)組成1組可同時(shí)開(kāi)停的控制組，每組設(shè)1臺(tái)總控制箱和4～6臺(tái)分控制箱，從MCC總引出1路0.4 kV電源至總控制箱，總控制箱和分控制箱之間采用分支電纜連接，控制開(kāi)、停和短路保護(hù)由總控制箱完成，過(guò)載和缺相保護(hù)由各自的分控制箱完成，單臺(tái)電機(jī)的各種信號(hào)通過(guò)控制電纜上傳至總控制箱，在總控制箱內(nèi)合并為大芯數(shù)電纜后上傳信號(hào)至PLC。采用這種配電控制方式，減少了池上約40%左右的電纜。目前在廠內(nèi)運(yùn)行穩(wěn)定，這種低壓電機(jī)的控制方式已獲得國(guó)家專利授權(quán)。

每座生物反應(yīng)池上共有寬2.5 m的走道板，需要設(shè)置照明，若采用了常規(guī)低桿庭院燈的照明方式，每座池上需要設(shè)置250套燈具，4座反應(yīng)池共計(jì)1 000套。考慮到今后管理維修的燈具數(shù)量過(guò)多，因此擬采用高桿照明的方式，最初考慮燈具設(shè)置在池兩側(cè)向當(dāng)中照射，每座長(zhǎng)300 m的反應(yīng)池需要8套高桿燈，后在與主體協(xié)商將池中間的通道拉寬2 m，將燈桿安裝在池子中間，燈具向兩側(cè)照射，每池可以節(jié)省4套高桿燈，共節(jié)省了投資約150多萬(wàn)。

除了供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)外，針對(duì)污水處理工程中存在較強(qiáng)腐蝕性環(huán)境的特點(diǎn)，本次升級(jí)改造和擴(kuò)建工程在方案設(shè)計(jì)時(shí)就設(shè)備的選型、變電所的通風(fēng)、進(jìn)行了調(diào)研和方案的比較論證，主要考慮以下措施：

第一，變電所、配電間及其進(jìn)風(fēng)窗朝向等單體盡可能避開(kāi)廠內(nèi)腐蝕性氣體濃度較高的位置；

第二，電動(dòng)機(jī)控制設(shè)備盡可能設(shè)置在戶內(nèi)；

第三，除了MCC柜外，其它開(kāi)關(guān)柜均采用固定分隔抽出式，同時(shí)要求抽屜式結(jié)構(gòu)的MCC柜采用二次接插件導(dǎo)向定位裝置，并規(guī)定了其安裝的位置，所有裸露在空氣中的銅連接件均要求搪錫，明確了鍍層厚度；

第四，信號(hào)傳送全部采用無(wú)源觸點(diǎn)，不采用容易被腐蝕的通訊模塊；

第五，電氣設(shè)備盡可能安裝在戶內(nèi)，戶外采用的控制箱、按鈕箱和橋架等，均采用不銹鋼或新型節(jié)能防腐材質(zhì)，規(guī)定了設(shè)備的防腐等級(jí)。

白龍港城市污水處理廠這樣的特大型排水工程，在電氣系統(tǒng)和單體設(shè)計(jì)上與傳統(tǒng)規(guī)模污水廠相比，存在較為顯著的不同點(diǎn)，需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中不斷摸索和思考，將最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案應(yīng)用于其中。