凈水廠電氣設(shè)計若干問題的探討

摘 要：分析目前凈水廠電氣設(shè)計、施工及運營管理中存在的若干問題，從負荷特點分析及負荷計算、供電電源、變電所設(shè)置及變壓器選擇、高低壓變配電系統(tǒng)、電機拖動、諧波治理、電氣節(jié)能等方面進行討論，給出各問題的解決方案，并在優(yōu)化凈水廠電氣設(shè)計以及完善水廠功能方面給出了建議。

關(guān)鍵詞：凈水廠; 供配電; 負荷計算; 供電電源; 電機拖動; 諧波治理; 電氣節(jié)能

中圖分類號： TM714

文獻標志碼： B

文章編號： 1674-8417（2024）11-0039-06

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.11.008

0 引 言

伴隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們生產(chǎn)生活中對更高標準飲用水的需求也在逐年提升。目前，我國最普遍、最成熟的凈水廠工藝一般包含常規(guī)處理、排泥水處理及深度處理。其中，常規(guī)處理工藝為凈水廠的基本單元。為降低排泥水對周圍環(huán)境的影響，新建及改建水廠往往增加排泥水處理工藝。

凈水廠的電氣設(shè)計一般包含：負荷計算及負荷特點分析、供電電源及配電電壓、變電所設(shè)置及變壓器選擇、高低壓變配電系統(tǒng)、電機拖動與控制、諧波治理、計量與測量、電纜敷設(shè)、主要設(shè)備的選型、照明系統(tǒng)設(shè)計、防雷和接地保護設(shè)計、節(jié)能計算與分析、節(jié)能措施等幾部分內(nèi)容。

凈水廠為地方最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，凈水廠的安全可靠運行是城鄉(xiāng)正常運轉(zhuǎn)的基本保障，對地方的發(fā)展建設(shè)起到至關(guān)重要的作用。凈水廠供配電系統(tǒng)的可靠性是保障水廠各工藝流程段內(nèi)高低壓用電設(shè)備有序運行，實現(xiàn)水廠功能的基礎(chǔ)保障，是凈水廠電氣設(shè)計的首要任務(wù)。同時凈水廠亦是當?shù)氐挠秒姶髴?，如何在保障水廠供電連續(xù)性及可靠性的同時，節(jié)約投資、節(jié)能降耗，實現(xiàn)水廠整體供配電系統(tǒng)的經(jīng)濟性，是凈水廠電氣設(shè)計的基本目標。

本文結(jié)合凈水廠的運營管理反饋，著重分析目前凈水廠電氣設(shè)計中存在的若干問題，在優(yōu)化凈水廠電氣設(shè)計以及完善水廠功能方面給出了建議，具有一定的工程指導意義。

1 負荷特點分析及負荷計算

經(jīng)調(diào)研各水廠運行負荷情況現(xiàn)狀，特別是供電需量數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)幾乎所有未曾超產(chǎn)或擴容的水廠均存在變壓器負載率低下的問題。水廠運維部門亦反饋，水廠存在設(shè)計運行容量與實際運行容量存在較大偏差的問題。

負荷計算是凈水廠電氣設(shè)計的基礎(chǔ)。負荷計算的準確程度不僅影響工程的電氣初投資，且直接影響建設(shè)單位的運行費用。如何在工程中降低負荷計算結(jié)果與水廠實際運行數(shù)據(jù)的偏差，既滿足生產(chǎn)生活負荷需求，又防止過度設(shè)計，是工程設(shè)計中最考驗設(shè)計經(jīng)驗及水平的環(huán)節(jié)。

1.1 新建凈水廠

新建凈水廠負荷計算方法較多采用需要系數(shù)法。隨著水處理工藝的發(fā)展，凈水廠工藝的復(fù)雜性及設(shè)備的多樣性特征也越來越明顯?，F(xiàn)行的給水排水手冊中需要系數(shù)數(shù)據(jù)已經(jīng)無法覆蓋各類工藝設(shè)備［1］。設(shè)計時還需結(jié)合建設(shè)單位的運維管理習慣以及水廠不同工藝流程段設(shè)備的運行特點，模擬不同運營方案下、不同工況時水廠運行的負荷曲線，特別是峰谷負荷，并適當調(diào)整水廠負荷計算書的同時系數(shù)，以期獲得更接近生產(chǎn)實際的計算結(jié)果，更可從“削峰填谷”出發(fā)，輔助建設(shè)單位制定更合適的運營方案。

以采用臭氧-活性炭深度處理工藝凈水廠為例。水廠主要用的負荷集中于取水泵房、濾池反沖洗泵房、提升泵房、二級泵房、污泥脫水車間、臭氧車間及氧氣站、加藥間、綜合管理樓等。上述構(gòu)筑物的負荷特點如下：取水泵房、二級泵房、提升泵房常用水泵電動機均為連續(xù)性負載，且均有1.1～1.5的日變化系數(shù)，此外，二級泵房水泵電動機又有1.1～2的時變化系數(shù)，既有季節(jié)性的負荷變化，又有日運行的峰谷負荷波動;濾池反沖洗泵房內(nèi)鼓風機及反沖洗水泵電動機為間歇性運行負載，視濾池綠格數(shù)量及水廠運維習慣而定。加藥間及臭氧車間主要用電設(shè)備日常連續(xù)運行且負荷變化較小;污泥脫水車間主要設(shè)備日常間歇運行，綜合管理樓內(nèi)除中控室、化驗設(shè)備外，其余設(shè)備運行特點同民用辦公樓。應(yīng)盡量在供水低谷時段運行反沖洗設(shè)備及排泥水處理設(shè)備。

此外，在二級負荷計算中，僅需計入影響供水生產(chǎn)且無法通過生產(chǎn)運營方案調(diào)整避讓供水高峰時段的負荷。比如，反沖洗設(shè)備、排泥水處理設(shè)備雖為重要的生產(chǎn)性負荷，但因可間歇運行，若可避讓泵房的峰值負載，亦無須計入。

大容量、間歇性運行負載能否避讓、如何避讓泵房峰值負載是工藝設(shè)計與電氣設(shè)計兩個專業(yè)綜合考量的結(jié)果。

1.2 凈水廠增容改造

凡涉及負荷增容的凈水廠改造項目，均應(yīng)先行調(diào)研現(xiàn)狀水廠運行歷史上的峰值供電需量。負荷計算應(yīng)以此數(shù)據(jù)為基值，疊加新增連續(xù)型負載，并根據(jù)歷史運行負荷曲線，與水廠運維部門共同尋求在負荷低谷區(qū)段運行間歇性負載的方案。

2 供電電源

GB 55026—2022《城市給水工程項目規(guī)范》第2.2.19條規(guī)定了不同規(guī)模凈水廠的用電負荷等級。非臨時性凈水廠的負荷一般按二級及以上設(shè)計［2］。

《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊》（第四版，簡稱《手冊》）中給出了不同電壓等級的送電能力。常用電壓線路送電能力如表1所示。

《手冊》數(shù)據(jù)可供日常學習參考。實際工程應(yīng)用中，凈水廠供電電源設(shè)計須綜合考慮項目周邊電網(wǎng)情況、不同電壓等級電源供電距離、容量和電壓降，以及當?shù)毓╇姴块T對負荷容量對應(yīng)供電電壓等級要求。

10 kV網(wǎng)絡(luò)是我國大多數(shù)地區(qū)的主流中壓供電網(wǎng)絡(luò)，我國20萬t/d及以下規(guī)模凈水廠多采用兩路10 kV電源供電。隨著我國城市建設(shè)的飛速發(fā)展，各地區(qū)城市10 kV電網(wǎng)的建設(shè)均也日益完善?，F(xiàn)南網(wǎng)、國網(wǎng)均已逐漸放開10 kV電網(wǎng)的供電容量及供電距離限制。特別是南方電網(wǎng)，一路10 kV電源的運行容量限制已提至約8 000 kVA，此供電容量基本可以覆蓋60萬t級以下規(guī)模的常規(guī)+污泥+深度處理工藝水廠。

傳統(tǒng)電氣設(shè)計中，40萬t/d以上大規(guī)模的凈水廠往往采用35 kV電壓等級供電。實際工程中亦可考慮采用3路10 kV的供電電源方案，具體應(yīng)經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較后確定。某大型水廠供電電源方案比較（近期70萬t/d，遠期140萬t/d）如表2所示。實際工程應(yīng)用中相對于建設(shè)35 kV總降變電所方案，多路10 kV電源的供電方案往往更有優(yōu)勢。

凈水廠工程的供電外線實施費用往往較高，且不停產(chǎn)增容改造的難度較大。對于有近遠期工程分期且近遠期時間間隔在20 a以內(nèi)的凈水廠工程，建議按終期規(guī)模申請電源。

需要注意的是，凈水廠供配電設(shè)計的一級負荷有時與供電部門的負荷認定不同，具體應(yīng)以當?shù)毓╇姴块T地方文件要求為準。因此，工程設(shè)計前期需先至當?shù)毓╇姴块T提交電源方案，并獲取用電征詢單，以降低后期變更風險。

3 變電所設(shè)置及變壓器選擇

3.1 變電所設(shè)置

凈水廠內(nèi)一般需設(shè)置1座中壓配電所及若干座10/0.4 kV或6/0.4 kV變電所（以下簡稱低配中心）。低配中心的數(shù)量視水廠供水規(guī)模及處理工藝而定。

水廠中壓配電所及低配中心一般與中、低壓負荷中心所在構(gòu)筑物合并設(shè)置。其中水廠的中壓負荷中心一般位于取水泵房及二級泵房，低壓負荷中心一般位于取水泵房、二級泵房、綜合濾池或臭氧車間。上述構(gòu)筑物中綜合濾池內(nèi)設(shè)備數(shù)量及種類繁多，但單機容量略小。其余構(gòu)筑物內(nèi)設(shè)備數(shù)量較少但單機容量較大。

水廠電氣設(shè)計中，如遇不同構(gòu)筑物間負荷容量差異較小，需選擇其一合并設(shè)置低配中心。建議將低配中心設(shè)置于設(shè)備種類及數(shù)量較多的構(gòu)筑物內(nèi)。由此低配中心至其他負荷中心的配電，可采用集中供電或采用集中式與放射式相結(jié)合的配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。具體需進行技術(shù)及經(jīng)濟比較。

3.2 變壓器選擇

凈水廠電氣設(shè)計中相對準確的負荷計算結(jié)果是各級變電所內(nèi)變壓器容量選擇的基礎(chǔ)。此外，實際工程電氣設(shè)計中還需綜合考慮水廠運營單位的內(nèi)部管理水平。

凈水廠為重要的基礎(chǔ)設(shè)施，水廠各級變電所一般各設(shè)置兩臺變壓器，互為備用運行。任何一臺變壓器因故退出運行時，另一臺變壓器需承擔故障檢修期間的運行容量（以下簡稱事故保障容量），以確保水廠的生產(chǎn)供水規(guī)模。工程中事故保障容量往往最終決定了變壓器的容量選擇。

考慮凈水廠工藝，設(shè)計中往往設(shè)置兩根原水管線。單根原水管線的取水規(guī)模決定了工藝故障情況下的事故供水規(guī)模。因此電氣設(shè)計的事故保障容量一般情況可以按照水廠工藝事故供水規(guī)模下的負荷容量設(shè)計，即滿足對水廠二級負荷的100%事故保障率［1，4］。

現(xiàn)如今全國大部分地區(qū)的供電基本電費已調(diào)整為按實際需量收取。此類區(qū)域凈水廠工程的變壓器裝機容量對水廠日常運行費用的影響也大幅降低。很多工程設(shè)計中水廠運營管理單位為提高水廠供水的連續(xù)性、減少變壓器故障檢修期間的運營調(diào)整，對供電事故保障容量的需求往往高于水廠工藝事故供水規(guī)模下的負荷容量。實際工程中越來越多的業(yè)主更愿意選擇滿足對水廠全部負荷的100%事故保障率的方案。

4 高低壓變配電系統(tǒng)

凈水廠電氣設(shè)計中較為常見的是高低壓配電系統(tǒng)采用雙電源進線，單母線分段設(shè)聯(lián)絡(luò)斷路器的主接線。兩路進線與母聯(lián)開關(guān)設(shè)置三鎖兩匙或兩鎖一匙電氣及機械互鎖。此系統(tǒng)接線供電可靠性較高。

4.1 高壓配電系統(tǒng)

在高壓外線電源側(cè)采用上述主接線可降低水廠運維與供電部門的耦合度，水廠運維相對靈活。但工程初投資中的高可靠性供電容量保證費用較高。此外，對于供電基本電費計算方式尚未調(diào)整的地區(qū)，水廠日常運行的基本電費亦較高。建議對于網(wǎng)側(cè)兩端均設(shè)有高壓電動機且供電事故保障率要求較高的水廠項目建議采用此種接線［2，4，5］。

而對于在高壓外線電源側(cè)僅設(shè)有廠變而無高壓電動機直掛電網(wǎng)且水廠運維部門管理經(jīng)驗足夠的水廠項目，則建議選擇雙電源進線，單母線分段不設(shè)聯(lián)絡(luò)斷路器的主接線，在滿足供電系統(tǒng)安全可靠的前提下提高工程的經(jīng)濟性。具體方案建議與建設(shè)單位深度對接后確定。

4.2 低壓配電系統(tǒng)

處理工藝復(fù)雜、構(gòu)筑物布局較為分散且負荷分配較為平均的水廠電氣設(shè)計中，設(shè)計師往往需設(shè)置多個低配中心或加大電纜截面，以增加供電半徑的選擇。傳統(tǒng)電氣設(shè)計往往采用在同一低配中心內(nèi)設(shè)置兩臺廠變，兩臺廠變之間互為備用的系統(tǒng)方案。

在實際工程設(shè)計中，對于設(shè)置多處低配中心且單一低配中心內(nèi)供電事故保障容量不超過315 kW的情況，水廠的低壓配電系統(tǒng)方案還有更多的選擇性。在相鄰低配中心各設(shè)置單臺廠變（廠變?nèi)萘靠梢圆煌?、單段母線，不同低配中心之間的兩臺廠變互為備用，兩個低配中心低壓系統(tǒng)間設(shè)置低壓聯(lián)絡(luò)，共同形成一個更具經(jīng)濟性且安全可靠的雙電源進線，單母線分段設(shè)聯(lián)絡(luò)斷路器的主接線。

5 電機拖動

一般凈水廠日常運行的流量變化較大，二級泵房內(nèi)全部或部分水泵電動機須設(shè)置變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來自動調(diào)節(jié)水量，以適應(yīng)供水需求并達到節(jié)能效果。

凈水廠一般不頻繁起動電動機。根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊》（第四版）要求，單機容量不超過變壓器裝機容量85%的非頻繁起動定速電動機可直接起動。工程實際應(yīng)用中，相對大容量的定速水泵電動機往往設(shè)置軟起動器以降低起動壓降，減小電機起動過程對母線上其他設(shè)備的運行影響。

水泵電動機不同拖動方式比選方案如表3所示。

變頻器和軟起動器的設(shè)置不僅可降低母線壓降，還可以有效降低水泵電動機起動過程對水泵出水管路及閥門的機械沖擊，減小水錘效應(yīng)，延長管路及閥門的使用壽命。

目前市場上，低壓變頻器的采購成本略高于低壓軟起動裝置，但采購成本差距很小，鑒于設(shè)置，變頻器對水泵電動機的日常水量調(diào)節(jié)更為有利，因此，建議對于凈水廠內(nèi)的大容量低壓水泵電動機優(yōu)先選擇變頻調(diào)速拖動方式。

6 諧波治理

凈水廠的主要諧波源為變頻器等非線性負載。目前，水廠電氣設(shè)計中普遍采用在水廠各低配中心的低壓側(cè)設(shè)置有源濾波裝置的諧波治理方案。工程設(shè)計中，很多電氣設(shè)計師忽略了低壓系統(tǒng)接線對有源濾波裝置容量及利用率的影響。

當?shù)团渲行牟捎秒p電源進線，單母線分段設(shè)聯(lián)絡(luò)斷路器的主接線時，特別是兩路電源、一用一備運行時，合理設(shè)置低壓母聯(lián)柜的位置，可實現(xiàn)有源濾波裝置的減半設(shè)置、提高有源濾波裝置的利用率，達到降本增效的目的。本文建議的系統(tǒng)接線是將低壓母聯(lián)柜前置至本段無功補償柜后，與其貼鄰，并將引至另一段的聯(lián)絡(luò)母線接至其有源濾波柜內(nèi)。

7 電氣節(jié)能

傳統(tǒng)的凈水廠電氣設(shè)計常采用的電氣節(jié)能措施包括：① 設(shè)計安全可靠簡潔合理的配電系統(tǒng);② 選用節(jié)能型的電氣設(shè)備;③ 引入光伏系統(tǒng)設(shè)計，自發(fā)自用?，F(xiàn)行規(guī)范已明確規(guī)定新建建筑應(yīng)安裝太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)［6］。

現(xiàn)如今的凈水廠電氣節(jié)能設(shè)計需要打破傳統(tǒng)。智慧水廠通過運用現(xiàn)代科學技術(shù)（物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等）、整合信息資源、挖掘數(shù)據(jù)價值、統(tǒng)籌業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)等方法和手段，已可實現(xiàn)運行、維護、調(diào)度和服務(wù)等各環(huán)節(jié)信息互通，令管理更加有序。智慧水廠實時運行的各類關(guān)鍵數(shù)據(jù)變得唾手可得。強大的后臺處理系統(tǒng)更可將各種重要數(shù)據(jù)實時及歷史分析結(jié)果直觀地展現(xiàn)。為電氣設(shè)計師及水廠運維人員制定節(jié)能降耗的控制策略提供了大量的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，節(jié)能效果檢驗亦更方便。

以相對大容量二級泵房水泵電動機配置及運行控制為例。目前，存在兩種節(jié)能配泵方案的爭議。二級泵房水泵電動機配泵方案如表4所示。

如表4所示，似乎方案二更有優(yōu)勢。然而，實際工程應(yīng)用中，相對大容量的定速水泵電機起動后往往仍需要軟起動裝置提供持續(xù)的低壓保護。軟起動裝置的中旁路更多的是內(nèi)置旁路，軟起動裝置在電機起動后仍需運行。定速水泵的設(shè)置也許并不能達到預(yù)期的節(jié)能效果，反而損失了水廠流量調(diào)節(jié)控制的靈活性。

在與水廠運維部門及智慧控制廠家深度對接某智慧水廠實際運行的能耗曲線時，發(fā)現(xiàn)二級泵房采用統(tǒng)一規(guī)格的變頻水泵電動機，通過設(shè)定水量，調(diào)整各水泵電動機同頻率運行時，由于管路阻力系數(shù)的改善，可達到至少10%的節(jié)能效果。顯而易見，水泵運行節(jié)能量即便去除變頻器的自身損耗仍是非?？捎^的。某水廠二級泵房水泵運行電耗曲線如圖1所示。

由圖1可知，泵房內(nèi)水泵電動機異頻運行時，頻率差異越大則泵房的單位電耗越高。而水泵同頻運行則可以較好地降低泵房電耗。

8 結(jié) 語

傳統(tǒng)的電氣設(shè)計方法仍然是現(xiàn)階段凈水廠電氣設(shè)計的基礎(chǔ)。凈水廠電氣設(shè)計成果是所有智慧配電技術(shù)應(yīng)用的基石。得益于新能源技術(shù)的快速發(fā)展，光伏發(fā)電技術(shù)、儲能技術(shù)等已逐漸在如今的凈水廠電氣設(shè)計中應(yīng)用，凈水廠的電氣設(shè)計內(nèi)容也變得更加豐富。電氣設(shè)計師可以因地制宜，為業(yè)主提供更節(jié)能、更經(jīng)濟、更適應(yīng)國家的發(fā)展方向的技術(shù)方案。

凈水廠的高效、節(jié)能設(shè)計是整個設(shè)計團隊全專業(yè)需要共同思考的問題。電氣設(shè)計師不應(yīng)局限于本專業(yè)的設(shè)計內(nèi)容，更應(yīng)熟練掌握水廠的工藝流程及各類生產(chǎn)設(shè)備的運行特點，并不斷學習新的控制方法及控制理論。

［1］ 王江榮.給水排水設(shè)計手冊（第三版）第8冊 電氣與自控［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

［2］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.城市給水工程項目規(guī)范：GB 55026—2022［S］.北京.中國建筑工業(yè)出版社，2022.

［3］ 任元會.工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊（第四版）［M］.北京：中國電力出版社，2016.

［4］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范：GB 50052—2009［S］.北京.中國計劃出版社，2009.

［5］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑電氣與智能化通用規(guī)范：GB 55024—2022［S］.北京.中國建筑工業(yè)出版社，2022.

［6］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范：GB 55015—2022［S］.北京.中國建筑工業(yè)出版社，2022.

Investigation on Electrical System Design of Water Purification Plants

Abstract：

Several issues in electrical system design for water purification plants，emerged during design，construction and operation management，are analyzed in this paper.And then，the solutions to the above-mentioned problems lie in load analysis and load calculation，power supply，electrical substation and transformer selection，high-voltage and low-voltage power distribution，motor drives，harmonic suppression，energy conservation measures are given.Furthermore，we present some suggestions for power supply and distribution system design optimization of water purification plants，and for their function extension.

Key words：

water purification plants; power supply and distribution; load calculation; power supply; motor drives; harmonic suppression; electrical energy conservation