城鎮(zhèn)污水處理廠供配電系統(tǒng)節(jié)能降損方案研究

李曉嫣

（福建省環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350000）

1 引言

國(guó)務(wù)院印發(fā)的《“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案》（國(guó)發(fā)〔2021〕33 號(hào)）要求，“十四五”時(shí)期，規(guī)模以上工業(yè)單位增加值能耗下降13.5%， 這對(duì)城鎮(zhèn)污水處理廠的節(jié)能減排提出了新的要求。 污水處理過(guò)程用電約占社會(huì)總電耗的1%，老舊污水廠能源消耗量較大， 如何做好污水廠的節(jié)能設(shè)計(jì)變得尤為關(guān)鍵。 電能消耗是污水處理廠的重要能耗指標(biāo)，如何提升能源利用率，降低損耗至關(guān)重要。 目前，關(guān)于污水廠的節(jié)能研究多集中在工藝設(shè)計(jì)方面， 供配電系統(tǒng)節(jié)能改造相關(guān)的文獻(xiàn)數(shù)量較少。 本文圍繞供配電系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)展開(kāi)討論，重點(diǎn)關(guān)注供配電方案、系統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)、智能化的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，通過(guò)一系列提升改造使供水廠的能耗有效降低，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排[1]。

2 項(xiàng)目概況

以福建某污水廠為例，該廠采用二級(jí)主體處理工藝，處理生活污水及少量工業(yè)廢水，建設(shè)規(guī)模為6.0 萬(wàn)m3/d。污水處理廠現(xiàn)有出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。該廠的工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 工藝流程圖

減少能源損耗、降低運(yùn)行成本，關(guān)鍵是要降低電能損耗，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)， 從而為污水廠的穩(wěn)定、 持續(xù)發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。 本文重點(diǎn)從配電方案優(yōu)化、能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、智能化控制3個(gè)角度進(jìn)行分析[2]。

3 節(jié)能方案分析

3.1 供配電方案優(yōu)化

3.1.1 變壓器選型

變壓器主要由輸入側(cè)（原始側(cè)）和輸出側(cè)（次級(jí)側(cè)）組成，可以通過(guò)電磁感應(yīng)原理， 將輸入側(cè)的電能轉(zhuǎn)換成輸出側(cè)的電能，合理運(yùn)用變壓器，能夠提高能源利用效率，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。 在設(shè)備選型過(guò)程中，變壓器應(yīng)盡量選擇能耗較低的節(jié)能型變壓器。 該工程目前現(xiàn)狀變壓器共4 臺(tái)，變壓器均容量為400 kV·A，1 臺(tái)變壓器型號(hào)為SCB13-400kV·A，3 臺(tái)變壓器容量為SCB10-400kV·A，變壓器負(fù)載率約為85%。 雙繞組變壓器損耗計(jì)算公式為：

式中，ΔPT為有功功率的損耗，kW；SC為變壓器計(jì)算負(fù)荷，kW；SR為變壓器額定容量，kW；ΔP0為變壓器空載有功損耗，kW；ΔPK為變壓器短路有功損耗，kW。

由式（1）可知，變壓器損耗與變壓器自身?yè)p耗參數(shù)及負(fù)載率有關(guān)。 表1 列出了3 種型號(hào)的干式變壓器的損耗參數(shù)，其中，SCB14 是近兩年在節(jié)能減排的背景下新投入使用的新型變壓器，隨著SCB14 的逐步使用，SCB10 將逐步被淘汰[3]。

表1 變壓器損耗參數(shù)對(duì)照表

研究發(fā)現(xiàn)，負(fù)荷率介于50%～60%時(shí)，變壓器損耗最低。 因此，考慮將廠區(qū)內(nèi)4 臺(tái)變壓器型號(hào)均更換為SCB14。更換變壓器型號(hào)的同時(shí)，將變壓器容量更換為630 kV·A，即4 臺(tái)變壓器均更換為SCB14-630 kV·A，此時(shí)變壓器負(fù)載率約為54%。

經(jīng)計(jì)算， 原有方案4 臺(tái)變壓器有功損耗為16 114 kW，經(jīng)改造，變壓器總有功損耗為6 592 kW，變壓器損耗降低了59%。

3.1.2 低壓配電方案

對(duì)于大功率電機(jī)， 考慮采用變頻器控制與智能控制開(kāi)關(guān)組合的方式，通過(guò)智能調(diào)控水泵轉(zhuǎn)速，保證水泵在滿(mǎn)足工藝要求的前提下，盡量在節(jié)能模式下運(yùn)行，使電能損耗維持在較低水平[4]。

諧波不僅會(huì)對(duì)系統(tǒng)功率因數(shù)產(chǎn)生直接影響，同時(shí)，由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，使線路電阻隨頻率增加而提高，造成電能的浪費(fèi)；由于中性線正常時(shí)流過(guò)電流很小，故其導(dǎo)線較細(xì)，當(dāng)大量的3 次諧波流過(guò)中性線時(shí)，會(huì)使導(dǎo)線過(guò)熱、絕緣老化、壽命縮短以至損壞。 因此，諧波治理工作應(yīng)引起足夠的重視。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選擇治理方法，在抑制諧波的前提下，提升系統(tǒng)功率因數(shù)，確保該系統(tǒng)能夠承受污水廠正常運(yùn)行所產(chǎn)生的負(fù)荷。考慮到該廠對(duì)污水進(jìn)行凈化和排放的工藝較為復(fù)雜， 系統(tǒng)需要承受較大的非線性負(fù)載，極易出現(xiàn)發(fā)熱的情況，可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化， 酌情接入濾波設(shè)備， 降低高次諧波對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)的影響，從而提升電能質(zhì)量，保證設(shè)備運(yùn)行在正常工況，提高設(shè)備使用壽命。

污水廠用電設(shè)備功率因數(shù)多為0.75～0.85， 部分設(shè)備甚至低于0.5，導(dǎo)致水廠低壓側(cè)功率因數(shù)較低。 根據(jù)供電公司要求，用戶(hù)側(cè)功率因數(shù)低于0.9 將會(huì)面臨功率因數(shù)處罰。 因此，需將保證用戶(hù)高壓側(cè)功率因數(shù)維持在0.9 以上。對(duì)于紫外線消毒設(shè)備等低功率因數(shù)設(shè)備，可采用就地補(bǔ)償?shù)姆绞健?變壓器低壓側(cè)應(yīng)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造， 采用自動(dòng)投切的無(wú)功補(bǔ)償器，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、自動(dòng)化補(bǔ)償，以提高廠區(qū)的功率因數(shù)。

3.2 能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

室外道路已有燈具采用高壓鈉燈，高壓鈉燈存在啟動(dòng)慢、頻閃強(qiáng)、耗電大、溫升高、噪聲大等缺點(diǎn)。 隨著全球常規(guī)能源短缺情況的加劇， 風(fēng)能和太陽(yáng)能這兩種清潔可再生的自然能源的利用將會(huì)普及，新能源路燈代表著未來(lái)路燈的發(fā)展方向，具有亮度高、安裝簡(jiǎn)便、工作穩(wěn)定可靠、不敷設(shè)電纜、不消耗常規(guī)能源、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，屬于當(dāng)今社會(huì)大力提倡推廣的可再生能源產(chǎn)品。 風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)的成本同比低于太陽(yáng)能路燈，且可靠性更高，市場(chǎng)前景廣闊。 目前在各沿海城市和西部邊遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)建設(shè)的風(fēng)光互補(bǔ)電源及路燈示范項(xiàng)目， 已得到社會(huì)廣泛的認(rèn)可。 通過(guò)引入風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)，廠區(qū)照明用電不再依賴(lài)電網(wǎng)供電，可實(shí)現(xiàn)自給自足，從而大大降低了電力消耗。風(fēng)光互補(bǔ)路燈220 V 交流系統(tǒng)原理見(jiàn)圖2。

圖2 風(fēng)光互補(bǔ)路燈220 V交流系統(tǒng)原理圖

3.3 智能管理控制

3.3.1 智能環(huán)境控制

傳統(tǒng)水廠在照明的控制方式、照明光源的選擇、通風(fēng)設(shè)計(jì)等方面均存在不合理的地方，產(chǎn)生了嚴(yán)重的能源浪費(fèi)。 通過(guò)對(duì)全廠照明、通風(fēng)、空調(diào)等建立控制系統(tǒng)（見(jiàn)圖3），針對(duì)不同設(shè)備、不同人員的不同需求，制定精準(zhǔn)的控制策略，通過(guò)與其他系統(tǒng)的配合，在滿(mǎn)足人員的舒適性、設(shè)備的安全性等前提下，達(dá)到節(jié)能、減排、減少污染的目的。

圖3 智能環(huán)境管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

針對(duì)路燈，可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際采用全光控、光時(shí)控、晚上兩端控、白天兩段控、全時(shí)控等多種方式。 通過(guò)通信接口，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)側(cè)遠(yuǎn)程控制，從而實(shí)現(xiàn)高效控制，有效減少耗電量。 該廠區(qū)目前路燈均采用高壓鈉燈。與傳統(tǒng)高壓鈉燈相比，LED 燈具有壽命長(zhǎng)、啟動(dòng)快、顯色指數(shù)高、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。 該廠區(qū)目前使用小功率路燈（小于250 W），兩者相比，高壓鈉燈的光源效率約為45～55 lm/W，而LED 燈的光源效率可達(dá)到100～120 lm/W。因此，采用LED 燈比鈉燈可實(shí)現(xiàn)節(jié)能40%～75%。

在通風(fēng)設(shè)計(jì)中，考慮采用通風(fēng)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的溫度、 濕度等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)控室內(nèi)環(huán)境溫、濕度的目的，從而增加環(huán)境舒適性，提高室內(nèi)空氣質(zhì)量。同時(shí)，通過(guò)對(duì)設(shè)備進(jìn)行能耗監(jiān)控，將能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，為用戶(hù)進(jìn)行能源管理， 進(jìn)一步進(jìn)行設(shè)備分級(jí)和節(jié)能改造提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

3.3.2 水處理智能化控制

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進(jìn)， 國(guó)家對(duì)污水廠監(jiān)控所提出的要求也變得更加嚴(yán)格。 該污水廠存在運(yùn)行效率低，電能消耗大等問(wèn)題。 引入智能化技術(shù)，通過(guò)搭建智能配電運(yùn)維管理系統(tǒng)、能效管理平臺(tái)等，實(shí)現(xiàn)從高壓配電到終端設(shè)備、從平臺(tái)至現(xiàn)場(chǎng)控制器的系統(tǒng)性管理。 通過(guò)對(duì)用電數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、能耗數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，不僅能確保水廠的安全可靠運(yùn)行，也能實(shí)現(xiàn)更加高效、可靠的設(shè)備管理。 通過(guò)智能化管理，完善水廠生產(chǎn)自動(dòng)化，建立能耗管理等系統(tǒng)，盡可能減少現(xiàn)場(chǎng)人工干預(yù)的需求，高效低耗、保質(zhì)保量完成制水任務(wù)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，污水廠運(yùn)行電能損耗較大、電力成本較高的問(wèn)題，不利于落實(shí)節(jié)能減排發(fā)展理念，對(duì)供配電系統(tǒng)進(jìn)行改造勢(shì)在必行。 在城鎮(zhèn)污水處理廠的改擴(kuò)建過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行供配電系統(tǒng)的優(yōu)化，使污水廠電能損耗得到有效降低。 未來(lái)，在污水廠的配電系統(tǒng)改造期間，有關(guān)人員應(yīng)將節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)理念應(yīng)用在控制技術(shù)升級(jí)中，充分利用新技術(shù)與新理念，推動(dòng)系統(tǒng)朝著數(shù)字化與智能化方向快速前進(jìn)。