安全供電與電氣節(jié)能在凈水廠中的實(shí)際應(yīng)用

趙 申

（北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院，北京 100082）

天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)凈水廠一、二期工程建于1995-1999年，設(shè)計(jì)規(guī)模分別為7.5 萬m3/d 和10萬m3/d。由于一二期現(xiàn)況水廠建設(shè)年代久、對(duì)原水適應(yīng)性差、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低、出水標(biāo)準(zhǔn)低、設(shè)備陳舊，面對(duì)未來水源的不確定性和日趨嚴(yán)重的微生物污染水源特性以及更加嚴(yán)格的出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有處理工藝不能滿足要求。目前為達(dá)到出水標(biāo)準(zhǔn)，水廠不得不降負(fù)荷運(yùn)行，實(shí)際供水能力只能達(dá)到 15 萬m3/d。隨著設(shè)計(jì)規(guī)模15 萬m3/d 的凈水廠三期工程在2009年8月的投產(chǎn)運(yùn)行，一、二期與三期工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的差異顯現(xiàn)出來。為提高開發(fā)區(qū)凈水廠整體設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，天津泰達(dá)自來水公司提出對(duì)水廠一、二期工程進(jìn)行改造。

在水行業(yè)的發(fā)展過程中，伴隨而生的電力問題日益引起人們的重視。保證安全供電、提高供電的電能質(zhì)量、保護(hù)用電設(shè)備和供電線路在規(guī)定的參數(shù)范圍內(nèi)安全可靠運(yùn)行是安全供水的要求和保證。同時(shí)電氣節(jié)能已經(jīng)成為制約水廠生存和發(fā)展的要素之一，綜合利用電氣節(jié)能措施是大勢(shì)所趨，符合國家節(jié)能減排的要求。

1 安全供電

1.1 優(yōu)化供電方案

1）原供電方案

凈水廠一、二期10kV 系統(tǒng)由供電部門引來兩路電源，三期10kV 系統(tǒng)也由供電部門引來兩路電源，因此水廠一、二、三期共申請(qǐng)了4 路10kV 電源。

圖1 供電方案優(yōu)化前的電氣接線示意圖

一、二期配水泵房作為負(fù)荷中心設(shè)10kV 系統(tǒng)和6kV 系統(tǒng)，10kV 系統(tǒng)接兩臺(tái)10/0.4kV 變壓器為0.4kV 設(shè)備提供電源，并接兩臺(tái)10/6kV 變壓器為4臺(tái)6kV 配水泵提供電源。

2）優(yōu)化后供電方案

凈水廠一、二期10kV 系統(tǒng)只需由供電部門引來一路電源，另一路 10kV 電源由三期配水泵房10KV 系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)引來，水廠一、二、三期申請(qǐng)3 路10kV 電源即可，節(jié)省供電部門的供電資源，同時(shí)節(jié)省水廠的電力外線投資及運(yùn)行成本。

圖2 供電方案優(yōu)化后的電氣接線示意圖

一、二期配水泵房原設(shè)10kV 系統(tǒng)和6kV 系統(tǒng)，考慮到兩套供電系統(tǒng)屬于一個(gè)電壓等級(jí)，改造中取消6kV 系統(tǒng)，將兩臺(tái)6kV 水泵電機(jī)換為10kV 水泵電機(jī)接到10kV 系統(tǒng)，另兩臺(tái)6kV 水泵電機(jī)換為0.4kV 變頻電機(jī)接到0.4kV 系統(tǒng)。改造后可減少兩臺(tái)10/6kV變壓器及10 面6kV 配電柜。減少6kV 系統(tǒng)除節(jié)省投資也減少工作人員日常設(shè)備維護(hù)工作量。

1.2 配電系統(tǒng)運(yùn)行方式

10kV 系統(tǒng)為單母線分段接線方式，兩路10kV進(jìn)線為一用一備，正常運(yùn)行時(shí)母聯(lián)閉合，兩路進(jìn)線斷路器電氣互鎖，每路進(jìn)線均能承擔(dān)100%運(yùn)行負(fù)荷。

配水泵房作為負(fù)荷中心需保證供電安全性，該0.4kV 系統(tǒng)為兩路電源同時(shí)工作，接線方式為單母線分段，兩臺(tái)進(jìn)線斷路器和母聯(lián)斷路器采用3 合2的聯(lián)鎖方式。

1.3 壓降計(jì)算

當(dāng)?shù)毓╇姴块T最終確定凈水廠一、二期10kV 系統(tǒng)一路10kV 電源引自海晶路35kV 站10kV 母線，另一路10kV 電源由學(xué)院路35kV 站10kV 母線引至水廠三期后環(huán)網(wǎng)引來。一、二期工程中只有配水泵房設(shè)置有兩臺(tái)10kV水泵電機(jī)，其余用電設(shè)備均為0.4kV等級(jí)。兩臺(tái)10kV 水泵電機(jī)容量不大，單臺(tái)電機(jī)容量為400kW，因此考慮采用10kV電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)方式，但需進(jìn)行10kV 電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)壓降計(jì)算。

根據(jù)天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)供電部門提供的10kV 供電線路及上級(jí)電站的電氣參數(shù)，進(jìn)行10kV電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)壓降計(jì)算。

第1 路10kV 供電電源。海晶路35kV 站10kV母線：

最大運(yùn)行方式下的系統(tǒng)短路電抗標(biāo)幺值X*1max= 5.7011

最小運(yùn)行方式下的系統(tǒng)短路電抗標(biāo)幺值X*1min= 6.3446

電纜線路以3.2km 計(jì)，短路電抗標(biāo)幺值X*2=LXSjz/Up2= 2.32

系統(tǒng)基準(zhǔn)容量取1000MVA

第2 路10kV 供電電源。學(xué)院路35kV 站10kV母線：

最大運(yùn)行方式下的系統(tǒng)短路電抗標(biāo)幺值X*1max= 5.2671

最小運(yùn)行方式下的系統(tǒng)短路電抗標(biāo)幺值X*1min= 5.9174

電纜線路以2km 計(jì)，短路電抗標(biāo)幺值X*2=LXSjz/Up2= 1.45

系統(tǒng)基準(zhǔn)容量取1000MVA

1）線路壓降計(jì)算

從海晶路 35/10kV 變電站，以電纜 YJV-10 3×240mm2，長(zhǎng)度3.2km 送至水廠一、二期10kV 系統(tǒng)進(jìn)線柜。

（1）二期工程最大計(jì)算負(fù)荷

凈水廠0.4kV 設(shè)備：2270kW

凈水廠10kV 設(shè)備：1x400kW 配水泵

合計(jì)： 2670kW= 2.67MW

（2）求最大負(fù)荷時(shí)，10kV 線路電壓損失

經(jīng)計(jì)算海晶路站供電時(shí)，凈水廠一、二期母線電壓等于98.86%的網(wǎng)絡(luò)額定電壓，符合規(guī)范要求。相同的計(jì)算方法可算出學(xué)院路站供電時(shí)，凈水廠一、二期母線電壓等于98.42%的網(wǎng)絡(luò)額定電壓，也符合規(guī)范要求。

2）電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)時(shí)壓降計(jì)算

海晶路35/10kV 站供電時(shí)起動(dòng)壓降

（1）400kW 電動(dòng)機(jī)額定容量（MVA）

（2）400kW 電動(dòng)機(jī)額定起動(dòng)容量（MVA）（電動(dòng)機(jī)額定起動(dòng)電流倍數(shù)Kq取6）

（3）400kW 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)回路的額定輸入容量（MVA）

（4）求水廠一、二期10kV 母線短路容量（MVA）

求供電網(wǎng)絡(luò)的短路阻抗標(biāo)么值

一、二期10kV 母線上口電抗

（5）求400kW 電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)時(shí)，母線電壓相對(duì)值

Qfh=Pfhtagφ= 0.88(Mvar) （Qfh為預(yù)接負(fù)荷無功功率）

經(jīng)計(jì)算，海晶路站供電時(shí)400kW 電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)，母線電壓水平符合規(guī)范要求。相同計(jì)算方法得出當(dāng)學(xué)院路站供電時(shí)，母線電壓水平也符合規(guī)范要求。

3）電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)時(shí)對(duì)上級(jí)電站10kV 出口母線的起動(dòng)壓降

海晶路35/10kV 站10kV 出口母線的起動(dòng)壓降

相同計(jì)算方法得出，400kW 電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)時(shí)，海晶路和學(xué)院路電站10kV 出口母線電壓水平均符合規(guī)范要求。

2 電氣節(jié)能措施

凈水廠的電能消耗占到供水成本的30%左右，電氣節(jié)能措施是否全面、完善的應(yīng)用直接影響著自來水生產(chǎn)企業(yè)的盈虧。目前我國供水行業(yè)非常重視電氣節(jié)能措施的綜合利用，在生產(chǎn)過程中積極采取節(jié)能新工藝、新技術(shù)、新設(shè)備，不斷加大投入力度，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。具體措施主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 變電站的選址

天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)凈水廠一、二期用電負(fù)荷約為2700kW，其中配水泵房設(shè)置有兩臺(tái)10kV 水泵電機(jī)，單機(jī)功率400kW，其余用電設(shè)備均為0.4kV 等級(jí)。

根據(jù)用電負(fù)荷情況及占地布置情況，變電站的位置要設(shè)置在負(fù)荷中心，這對(duì)電氣節(jié)能非常重要。在凈水廠設(shè)計(jì)過程中，考慮到主要用電負(fù)荷在配水泵房，并且配水泵房設(shè)置在凈水廠中部，因此將10/0.4kV 變電站與配水泵房貼建。

濾池、加藥間、紫外消毒間、絮凝沉淀池均為雙路電源供電，兩路電源分別引自配水泵房0.4kV系統(tǒng)兩段母線。

2.2 變壓器的選擇

在供配電系統(tǒng)的電能損耗中，變壓器損耗所占比重很大，降低損耗指標(biāo)，對(duì)電氣系統(tǒng)節(jié)能，提高系統(tǒng)可靠性具有重要的意義。凈水廠配水泵房設(shè)置兩臺(tái) SC(B)11-2000kVA/10/0.4kV 干式節(jié)能型變壓器，此種變壓器鐵心無接縫，大大減少了磁阻，空載電流減少了60%～80%，提高了功率因數(shù)，降低了電網(wǎng)線損，節(jié)約電能并改善了電網(wǎng)的供電品質(zhì)。

凈水廠用電繳費(fèi)按照二部電價(jià)，即基本電價(jià)和電度電價(jià)，以往設(shè)計(jì)中兩臺(tái)變壓器為1 用1 備，變壓器容量選的較大，基本電費(fèi)相應(yīng)提高。此次設(shè)計(jì)中調(diào)研了開發(fā)區(qū)電網(wǎng)質(zhì)量，爭(zhēng)取到了海晶路35/10kV 電站和學(xué)院路35/10kV 電站的兩路專用電源，分析了變配電檢修或故障的幾率以及故障時(shí)保證主要負(fù)荷運(yùn)行，切除次要負(fù)荷的管理措施，認(rèn)為可將變壓器運(yùn)行方式確定為同時(shí)使用，降低變壓器容量，以降低基本電價(jià)，經(jīng)計(jì)算變壓器共減少1000kVA，每年節(jié)省18 萬元。

2.3 變頻設(shè)備的選擇

凈水廠在生產(chǎn)工藝的每個(gè)環(huán)節(jié)都選用了節(jié)能型電氣設(shè)備，以便在最大程度上發(fā)揮電氣節(jié)能的功效。

水處理環(huán)節(jié)中濾池的鼓風(fēng)機(jī)及反沖洗水泵、加藥間的硅酸投加泵、三氯化鐵投加泵及絮凝劑投加泵等設(shè)備均采用變頻調(diào)速器，使其在負(fù)載下降時(shí)，采用變頻的方式，自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使其與負(fù)載的變化相適應(yīng)。采用這種方式，可提高電機(jī)在輕載時(shí)的效率，達(dá)到節(jié)能的目的，可節(jié)約電量約20%左右。

配水環(huán)節(jié)中配水泵房設(shè)置了兩臺(tái)0.4kV 配水泵，為了保證供電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行及節(jié)能要求，兩臺(tái)0.4kV 配水泵采用0.4kV 變頻調(diào)速設(shè)備進(jìn)行控制。變頻器柜通過通信接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，接受控制系統(tǒng)的控制信號(hào)，反饋?zhàn)冾l器轉(zhuǎn)速信號(hào)。當(dāng)出廠水壓力遠(yuǎn)離高效區(qū)時(shí)應(yīng)用調(diào)速技術(shù)，改變工作點(diǎn)，提高機(jī)組效率，并聯(lián)工況下節(jié)能效率可達(dá)到15%左右，節(jié)能效果顯著。另兩臺(tái)配水泵為備用設(shè)備，采用直接運(yùn)行方式。

系統(tǒng)增加變頻調(diào)速裝置后，會(huì)產(chǎn)生對(duì)電網(wǎng)有干擾的高次諧波，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成電網(wǎng)電壓升高而損壞電氣設(shè)備。因此在選用變頻調(diào)速裝置時(shí)必須考慮諧波污染問題，系統(tǒng)中配置濾波裝置，以滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》的要求。

2.4 功率因數(shù)補(bǔ)償

針對(duì)凈水廠用電負(fù)荷即有10kV 中壓負(fù)荷又有0.4kV 低壓負(fù)荷的特點(diǎn)，所以功率因數(shù)補(bǔ)償采用高、低壓側(cè)兼補(bǔ)的方式。

對(duì)10kV 定速電機(jī)，選用10kV 電容器就地補(bǔ)償裝置，該裝置與10kV 定速電機(jī)同投入、同切除，減小電機(jī)回路的無功損耗，降低電能傳輸?shù)膿p耗。

針對(duì)低壓設(shè)備臺(tái)數(shù)較多、容量不同、設(shè)置地點(diǎn)分散的特點(diǎn)，低壓采用在0.4kV 配電系統(tǒng)母線上接入電容自動(dòng)投切補(bǔ)償裝置，對(duì)0.4kV 母線進(jìn)行無功功率補(bǔ)償?shù)姆绞?，?.4kV 系統(tǒng)功率因數(shù)提高至0.95。

2.5 照明

凈水廠各構(gòu)筑物內(nèi)的照明功率密度按國家規(guī)范要求選取，同時(shí)選用節(jié)能型燈具，實(shí)施綠色照明工程。

照明線路采用銅心纜線；夜間人員走動(dòng)較少的燈光照明處，采用聲光開關(guān)控制照明。辦公室、控制室等房間選用細(xì)管徑熒光燈，T8、T5 直管型熒光燈配用電子鎮(zhèn)流器；生產(chǎn)車間采用高壓鈉燈、金屬鹵化物燈配用節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器。光源顯色指數(shù)Ra不小于80。

廠區(qū)照明選用LED 風(fēng)光互補(bǔ)路燈，每套燈具配置時(shí)間、光感控制器，可預(yù)置或手動(dòng)控制路燈的開關(guān)。

凈水廠廠區(qū)照明設(shè)計(jì)過程中對(duì)常規(guī)路燈與風(fēng)光互補(bǔ)路燈進(jìn)行了對(duì)比。

表1 常規(guī)路燈與風(fēng)光互補(bǔ)路燈對(duì)比

凈水廠以10年做一個(gè)計(jì)費(fèi)周期，風(fēng)光互補(bǔ)路燈比常規(guī)路燈節(jié)省費(fèi)用約100 萬元。使用風(fēng)光互補(bǔ)路燈符合國家提倡的節(jié)能減排政策，減少二氧化碳排放，施工方便，縮短施工周期，廠平照明維護(hù)簡(jiǎn)單，維護(hù)成本低。

3 結(jié)論

為保證供水可靠性，天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)凈水廠一、二期工程分期進(jìn)行改造，截稿之時(shí)，一期工程已經(jīng)建設(shè)完畢，目前已經(jīng)投入運(yùn)行，業(yè)主及項(xiàng)目管理單位對(duì)于一期工程給與了我們好評(píng)與認(rèn)可。在二期工程即將破土動(dòng)工前，我們總結(jié)一期工程的不足，增加實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，更好的完成后續(xù)工程建設(shè)。

總之，供電安全和節(jié)能措施在天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)凈水廠的應(yīng)用，使水廠取得了較好的社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益。隨著電氣技術(shù)的不斷進(jìn)步、創(chuàng)新和發(fā)展，它將推動(dòng)我國供水事業(yè)取得更大的進(jìn)步。

[1] 給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)(第8 冊(cè)).電氣與自控(第2版).北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.6.

[2] 工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)(第3版).北京:中國電力出版社,2005.10.