綠色能源 低碳清潔

陸劍谷 陳蘇伍

摘 要：介紹了寧波北侖巖東水務有限公司的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，利用污水處理廠的構(gòu)筑物上方的有效空間，安裝光伏發(fā)電太陽能光伏板，既滿足了污水處理廠白天用電高峰期的電力供應，又在一定程度上控制了污水池的蒸發(fā)量和溫度，同時光伏板對污水池的遮擋，能有效抑制池內(nèi)水體藻類生長，一定程度上提高了污水處理效率及污水處理能力。

關(guān)鍵詞：污水處理廠;光伏發(fā)電;綠色清潔能源

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）09-0009-02

0 引言

“寧波北侖巖東水務有限公司”前身為“寧波經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)巖東污水處理廠”，公司承擔著北侖區(qū)域614平方公里納入市政管網(wǎng)范圍內(nèi)的生活污水和生產(chǎn)廢水處理。其中巖東污水處理廠服務于北侖城區(qū)中片區(qū)，服務面積為125平方公里，總污水處理能力28萬噸/日;巖東再生水廠生產(chǎn)能力達到10萬噸/日，是化解區(qū)域發(fā)展與水資源短缺瓶頸的有效途徑。公司以“保護環(huán)境、凈化水質(zhì)、服務社會、促進發(fā)展”為宗旨，厲行節(jié)能減排，持續(xù)改進區(qū)域生態(tài)環(huán)境。

作為國有企業(yè)，我們既要做環(huán)保產(chǎn)業(yè)的‘帶頭人，也應該成為節(jié)能減排的‘模范生;節(jié)能減排、清潔發(fā)展，可以促進公司的可持續(xù)發(fā)展，公司用電成本占到公司運行總成本的40%，我們亟待降本增效。分布式光伏發(fā)電項目作為當前國家鼓勵和大力扶持的新能源產(chǎn)業(yè)，光伏發(fā)電可以提供綠色清潔能源，除了能夠節(jié)能減排還能降本增效。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)選擇

1.1 選擇原則

（1）在滿足污水處理廠污水處理工藝的前提下，合理建設并網(wǎng)光伏太陽能電站。（2）在滿足污水處理廠設備檢修的前提下，合理安裝太陽能電板。（3）保證電氣配電系統(tǒng)的供電可靠性，并輸出高品質(zhì)的光伏電能。

1.2 項目場地與系統(tǒng)的選擇

巖東污水處理廠占地面積比較大的區(qū)域主要包括：初沉池、二沉池、氧化溝以及再生水生產(chǎn)區(qū)域等，由于再生水生產(chǎn)區(qū)域面積分散，初沉池、氧化溝區(qū)域本身頂部已加蓋，考慮到二沉池為敞開式結(jié)構(gòu)，污水池的蒸發(fā)量比較大，陽光直射容易造成池內(nèi)水體藻類生長，溫度變化大，根據(jù)生產(chǎn)實際需求以及多次現(xiàn)場實地勘察、技術(shù)分析，確定分布式并網(wǎng)光伏電站建造在二沉池頂部。

“污水處理是高耗能產(chǎn)業(yè)，巖東污水處理廠的用電負荷約為3100kW，每年處理污水的耗電量達到2700萬千瓦時，平均電費單價達到每度0.731元。二沉池區(qū)域主要包括六個二沉池，其中四個為直徑50米的二沉池和兩個直徑57米的二沉池，總占地面積22000平方米，根據(jù)二沉池的構(gòu)筑物的可利用面積、太陽能電池板的總面積、光電轉(zhuǎn)換效率等，計算得到光伏電站的總裝機容量為2950kW，共可安裝10820片光伏電池組件。

1.3 電氣接入系統(tǒng)選擇

巖東水務有限公司供電系統(tǒng)采用雙電源一主一備供電模式。主供電源來自110kV甬稅變，通過35kV甬巖3139線接入公司35kV配電系統(tǒng)，經(jīng)過35kV主變壓器供給全公司10kV主母線，再通過各出線間隔輸送至下級三個10kV配電系統(tǒng)，供電全公司各級用電負荷;備供電源來自110kV明珠變，直接通過10kV明水H238線，供給10kV主母線。公司的電力系統(tǒng)全部來自國家電網(wǎng)供給。

公司下級三個10kV系統(tǒng)分別為巖東三四期配電系統(tǒng)、巖東一二期配電系統(tǒng)以及再生水配電系統(tǒng)，可以安裝光伏電站的裝機容量為2950kW，接入電氣系統(tǒng)的電壓采用400的情況下，線路損耗大，需要選擇很大的電纜截面，而且單個下級配電系統(tǒng)無法對所發(fā)電量全部消耗，母線的容量無法保證供電安全的要求等;最終確定電氣接入系統(tǒng)采用10kV系統(tǒng)，接入公司35kV變電站10kV一段主母線。

1.4 結(jié)構(gòu)選擇

光伏支架主要有柔性懸掛支架和鋼結(jié)構(gòu)支架，柔性懸掛支架雖然有安裝靈活方便、成本低等優(yōu)點，但是一般離地高度比較低，整體布置的整齊程度差，海邊抗臺風能力較低等問題，鋼結(jié)構(gòu)支架剛好相反?？紤]到公司二沉池區(qū)域位置集中、整齊美觀以及抗臺等多方面原因，決定采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，鋼柱采用鋼方管200*6及鋼方管250*10，局部連系系桿為250*10方管，200*100*6方管.主桁架結(jié)構(gòu)為鋼絞線+C型鋼+支撐;鋼桁架覆蓋面積為22277.5m2，鋼桁架為平面桁架結(jié)構(gòu)，主桁架最大跨度65.042米;桁架離地面約9米;桁架長度方向用平面方管桁架連接;鋁包鋼絞線采用1*37-3.7-1475-JLB14的鋼絞線。考慮到正常運行檢修的需要，對于集配水井設備集中區(qū)域頂部不鋪設光伏板。

1.5 電氣選擇

太陽能電池組件的數(shù)量由逆變器的最高輸入電壓和最低工作電壓及太陽能組件允許的最大系統(tǒng)電壓確定，太陽能電池組件的并聯(lián)數(shù)量由逆變器的額大容量確定。經(jīng)過計算確定，光伏組件共有10820片，單塊板的功率為300wP，選用國內(nèi)知名品牌天合光伏的組件;組件按每串20-22片進行串聯(lián)連接，共計分為496串，為了減少故障發(fā)生率，每串組件均不經(jīng)過直流匯流箱，而是直接接入陽光逆變器，每臺逆變器共并聯(lián)接入14-15串組件，逆變器輸出為50HZ、540V交流三相電，36組80kW逆變器輸出經(jīng)過兩個交流低壓配電柜內(nèi)的獨立空開進行匯流，同時分別通過2000kVA與1250kVA升壓變進行升壓，升壓到10kV通過相應的高壓配電系統(tǒng)、電纜接入35kV變電站的并網(wǎng)柜。

并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)采用的并網(wǎng)逆變器的工作電源取自電網(wǎng)，逆變器本身會自動跟蹤調(diào)整輸出電源的頻率、相位和電壓等參數(shù)，能很好的滿足并網(wǎng)的相關(guān)要求，不會對電網(wǎng)造成影響。光伏發(fā)電站采用自發(fā)自、用余電上網(wǎng)的模式，正常情況下光伏發(fā)電量全部會被公司直接消耗掉，所以無需蓄電池儲能設備，當陰雨天氣時電能任由電網(wǎng)提供。

2 難點及問題

2.1 施工難點

（1）本項目共需完成167個板式基礎、48個灌注樁制作，完成215個鋼立柱、25榀拉索、215榀桁架等的制作安裝，10820片光伏組件的安裝。這么大的跨越鋼結(jié)構(gòu)索桿支架為國內(nèi)首列，基礎制作精度要求高，鋼結(jié)構(gòu)材料和零配件加工準確性要求高，施工中對鋼索展放、張拉、調(diào)平等難度大。巖東公司、投資公司、施工單位、設計單位等技術(shù)人員重視工程前期和施工過程對工程中的每一個問題，反復探討研究并予以解決，在完成工程的同時也積累了不少寶貴經(jīng)驗。

（2）22000平方米光伏索桿鋼構(gòu)大棚下面分布著4個直徑50米的二沉池和2個直徑57米的二沉池，以及集配水井、污泥泵房等構(gòu)筑物。構(gòu)筑物之間地下密密麻麻地分布著每個二沉池進出水管、撇渣管、放空管以及污泥回流管、剩余污泥管、自來水管、再生水管等管道和諸多電纜。可以利用做基礎和打樁的作業(yè)空間十分有限。采用大跨越鋼結(jié)構(gòu)索桿支架很解決了分別跨越50米和57米直徑的二沉池建造鋼結(jié)構(gòu)主體的問題。只需在有限空地上避開工藝管道和電纜制作板式基礎和灌注樁就能支撐起大跨越鋼結(jié)構(gòu)索桿支架。

2.2 問題點

巖東污水處理廠正常情況下用電負荷是穩(wěn)定，負荷的性質(zhì)也基本穩(wěn)定，所以公司用電負荷實際需要的有功功率和無功功率基本恒定，在用電負荷的400V電壓側(cè)已經(jīng)有低壓電容補償器對無功功率進行了一定量的補償，所以在光伏電站不發(fā)電的情況下，公司從電網(wǎng)吸收的無功功率基本也是恒定的，功率因數(shù)滿足考核要求。

隨著光伏電站的并網(wǎng)發(fā)電，對于公司功率因數(shù)的考核造成了一定的困擾。比較光伏電站發(fā)出的電能基本上全部為有功功率，從而使公司從電網(wǎng)吸收的有功功率降低，而從電網(wǎng)吸收的無功功率不變，這就造成了功率因數(shù)的降低，低壓側(cè)的補償電容器無法監(jiān)測和調(diào)節(jié)到考核點的功率因數(shù)。為了解決這個問題，巖東公司協(xié)同設計單位，經(jīng)過創(chuàng)立模擬模型，仔細計算，決定投運公司35kV變電站的電容補償裝置，使用電容補償裝置自動跟蹤投切，雖然靜態(tài)電容補償裝置無法完美的解決該問題，但是也可以基本滿足要求。

3 效益分析

3.1 社會效益

光伏電站投運以后，電站每年可為巖東公司提供約258萬kWh的綠色清潔能源，相當于每年可節(jié)約標煤約874.3噸，每年減少SO2排放約17.58噸，氮氧化物約5.96噸，溫室氣體約2309噸，煙塵約6.28噸，灰渣排放約121噸。體現(xiàn)了公司的節(jié)能環(huán)保理念，同時體現(xiàn)了國有企業(yè)的社會責任感。

3.2 經(jīng)濟效益

一般情況下，公司的用電負荷大于光伏電站的發(fā)電量，所以發(fā)電電量全部被公司運行生產(chǎn)所消耗，經(jīng)濟效益即為光伏發(fā)電單價與國家電網(wǎng)工業(yè)用電單價的差值，由于光伏電站的生產(chǎn)運行周期長達25年，不考慮電價的國家政策的調(diào)整，則光伏電站的經(jīng)濟效益凈利潤達21萬元/年。

3.3 運行效益

二沉池為敞開式結(jié)構(gòu)，污水池的蒸發(fā)量比較大，陽光直射容易造成池內(nèi)水體藻類生長，溫度變化大。光伏電站的投產(chǎn)發(fā)電在一定程度上控制了污水池的蒸發(fā)量;同時光伏板對污水池的遮擋，能有效抑制池內(nèi)水體藻類生長，水池的溫度變化減小。所以光伏電站的運行效益為提高了巖東污水處理廠的污水效率及水處理能力。

4 結(jié)語

巖東污水處理廠光伏發(fā)電電站的建成，能夠有效抑制水池中藻類植物的生長。更重要的意義是用上了綠色清潔能源，具有有良好的經(jīng)濟效益，還體現(xiàn)了企業(yè)的節(jié)能環(huán)保理念，體現(xiàn)了國有企業(yè)的社會責任感。

巖東污水處理廠光伏電站，在國內(nèi)首次采用了大跨越索桿支架專利技術(shù)。索桿張拉結(jié)構(gòu)體系以其簡潔明了的力學概念為大跨度結(jié)構(gòu)應用創(chuàng)造了新的奇跡，本項目開啟了索桿穩(wěn)定結(jié)構(gòu)技術(shù)多場景應用的未來，徹底解決同類項目光伏組件因不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)可能造成的隱裂等技術(shù)難關(guān)。它的技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)勢與污水處理廠大跨度污水池上方光伏發(fā)電解決方案實現(xiàn)了有機結(jié)合。實現(xiàn)廠區(qū)土地的高效利用，解決大跨度水池上方太陽能資源不能綜合利用的技術(shù)難題。

通過巖東公司、投資公司等的鼎力協(xié)作，巖東污水處理廠2950kWh光伏發(fā)電電站于2018年底成功并網(wǎng)發(fā)電，標志著巖東公司節(jié)能低碳、綠色環(huán)保的理念又上升到一個新的臺階。