某水廠電氣設(shè)計(jì)要點(diǎn)探討

0 引言

水廠電氣設(shè)計(jì)不僅關(guān)乎水廠的正常運(yùn)行，還關(guān)系到社會(huì)生產(chǎn)和居民生活的正常進(jìn)行。因此，科學(xué)、合理的電氣設(shè)計(jì)對(duì)于水廠的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要。文獻(xiàn)[1]從負(fù)荷特點(diǎn)分析及負(fù)荷計(jì)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(jī)拖動(dòng)、諧波治理、電氣節(jié)能等方面對(duì)水廠電氣設(shè)計(jì)進(jìn)行了討論。而本文將以某水廠工程電氣設(shè)計(jì)為例，從供配電系統(tǒng)、設(shè)備選型、電纜敷設(shè)、節(jié)能措施及智慧化平臺(tái)等維度展開(kāi)探討。

某水廠按5萬(wàn)m/d規(guī)模建設(shè)，工藝流程如圖1所示。

1供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

1.1供電電源及高低壓系統(tǒng)運(yùn)行方式

水廠的正常運(yùn)行離不開(kāi)電力保障，斷電事故發(fā)生時(shí)，供水將會(huì)中斷，給水廠和社會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重后果。因此，電氣設(shè)計(jì)時(shí)必須確保合理配置電源系統(tǒng)。根據(jù)規(guī)范GB55026—2022《城市給水工程項(xiàng)目規(guī)范》2中2.2.19規(guī)定“中等及以上城市主要廠站的供電負(fù)荷為一級(jí)負(fù)荷，中等及以上城市的次要廠站和小城市廠站的供電負(fù)荷均為二級(jí)負(fù)荷”，故確定水廠的供電負(fù)荷為二級(jí)，配置雙路電源供電系統(tǒng)，以確保能夠滿足水廠全部用電需求。配置兩路獨(dú)立的 10kV 供電線路，或者一路城市電網(wǎng)電源和一個(gè)自備電源，自備電源通常采用柴油發(fā)電機(jī)作為供電設(shè)備，以確保在主電源故障時(shí)能夠迅速切換，保障供電連續(xù)性。

10kV 高壓系統(tǒng)采用單母線分段接線型式，兩路10kV 電源一用一備運(yùn)行。正常運(yùn)行時(shí)，聯(lián)絡(luò)柜斷路器閉合，進(jìn)線斷路器互鎖，每回線路均能承擔(dān)水廠100% 用電負(fù)荷[3]。低壓系統(tǒng)設(shè)有母聯(lián)開(kāi)關(guān)（不自投），正常情況下母聯(lián)開(kāi)關(guān)閉合，兩臺(tái)變壓器一用一備運(yùn)行。當(dāng)其中一臺(tái)變壓器故障或檢修時(shí)，另一臺(tái)承擔(dān)供電任務(wù)。通過(guò)斷開(kāi)母聯(lián)及進(jìn)線主開(kāi)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)分段檢修。

1.2負(fù)荷計(jì)算及變配電所位置

負(fù)荷計(jì)算是電氣設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，直接影響電氣設(shè)備的選型及電纜布設(shè)。主要負(fù)荷分布在送水泵房、反沖洗泵房、脫水車(chē)間等，同時(shí)還有其他生產(chǎn)用電和辦公用電。負(fù)荷計(jì)算應(yīng)采用科學(xué)方法，如需要系數(shù)法4]，并結(jié)合工藝設(shè)備分期投入的實(shí)際情況進(jìn)行。

某水廠項(xiàng)目的送水泵房設(shè)有5個(gè)泵位，近期安裝2臺(tái)大泵和2臺(tái)小泵，大泵為 315kW ，小泵為 185kW 。高峰時(shí)，運(yùn)行1臺(tái)大泵和2臺(tái)小泵，備用1臺(tái)大泵；或運(yùn)行2臺(tái)大泵，備用2臺(tái)小泵。遠(yuǎn)期按10萬(wàn)m/d的規(guī)?？紤]，增加1臺(tái)大泵。

送水泵房作為水廠主要用電區(qū)域，建議與變配電中心共建，在送水泵房?jī)?nèi)設(shè)立總高低壓變配電中心，配備 10kV/0.4kV 變配電系統(tǒng)，供全廠380V低壓設(shè)備的配電與控制。

根據(jù)表1、表2負(fù)荷計(jì)算， 315kW 采用 10kV 高壓泵時(shí)，全廠低壓負(fù)荷為 564.69kVA ，高壓負(fù)荷為630kW 。低壓側(cè)選用兩臺(tái) 800kVA 變壓器，一用一備運(yùn)行，負(fù)荷率 70.6% 。

通過(guò)表3負(fù)荷計(jì)算， 315kW 采用380V低壓泵時(shí)，P_js=1094.85kW . Q_js=298.82 kvar， S_js=1 134.9kVA。選用兩臺(tái) 1600kVA 變壓器，一用一備運(yùn)行，變壓器負(fù)荷率 70.9% 。

方案對(duì)比如表4所示，考慮到遠(yuǎn)期需增加一臺(tái)315kW 大泵，要在反沖洗泵房再新增變壓器，而送水泵房 1600kVA 變壓器遠(yuǎn)期時(shí)不變，對(duì)整個(gè)供配電系統(tǒng)影響不大，對(duì)水廠運(yùn)行影響較小。若采用方案一，需更換 800kVA 變壓器，同時(shí)需對(duì)無(wú)功補(bǔ)償、低壓母排、母線槽以及低壓進(jìn)線柜等進(jìn)行更換，對(duì)水廠運(yùn)行影響較大。故與工藝專業(yè)協(xié)商采用低壓泵。

2 設(shè)備選型設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

變壓器是電氣系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其選型應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求（如容量、相數(shù)、變比等）和電能質(zhì)量（如電壓、電流、頻率等）綜合考慮。此外，還應(yīng)注意變壓器的可靠性和安全性，確保其能夠滿足水廠的長(zhǎng)期運(yùn)行需求。

2024年2月2日，國(guó)家發(fā)展改革委等部門(mén)發(fā)布了《關(guān)于印發(fā)lt;綠色低碳轉(zhuǎn)型產(chǎn)業(yè)指導(dǎo)目錄（2024年版）gt;的通知》（發(fā)改環(huán)資（2024）165號(hào)），目錄中指出“三相電力變壓器能效不低于GB20052—2020《電力變壓器能效限定值及能效等級(jí)》中1級(jí)能效水平”，現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電力變壓器能效限定值及能效等級(jí)》中1級(jí)能效水平要求如表5所示。

3電纜敷設(shè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

電工鋼帶變壓器與非晶合金變壓器的主要區(qū)別體現(xiàn)在鐵芯材料、性能特點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域以及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)等方面，詳細(xì)比較如表6所示。

綜上所述，電工鋼帶變壓器與非晶合金變壓器各有其優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。在選擇變壓器時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和需求進(jìn)行綜合考慮。例如，在需要低頻、大功率的場(chǎng)景，電工鋼帶變壓器可能更優(yōu)；而在需要高頻、小功率、低損耗的場(chǎng)景，非晶合金變壓器則更具優(yōu)勢(shì)。在水廠變壓器的選擇上，為滿足能效等級(jí)及節(jié)能降耗要求，可選用SCB18電工鋼帶變壓器或是SCBH19非晶合金變壓器。

電纜是實(shí)現(xiàn)各個(gè)電氣設(shè)備間連接和電能傳輸?shù)闹饕侄?，其敷設(shè)方式應(yīng)根據(jù)電氣機(jī)組的具體情況進(jìn)行綜合考慮。應(yīng)選擇電阻率低、截面大的導(dǎo)線，以降低線路電阻，減少電能在線路傳輸過(guò)程中的損耗。應(yīng)避免彎曲過(guò)度、長(zhǎng)距離水平敷設(shè)和與其他金屬結(jié)構(gòu)物體的接觸，以保證電纜的使用壽命和電氣性能。GB55024—2022《建筑電氣與智能化通用規(guī)范》[5]（下稱《通規(guī)》）中規(guī)定：“不同電壓等級(jí)的電力線纜不應(yīng)共用同一導(dǎo)管或電纜橋架布線；電力線纜和智能化線纜不應(yīng)共用同一導(dǎo)管或電纜橋架布線；在有可燃物悶頂和吊頂內(nèi)敷設(shè)電力線纜時(shí)，應(yīng)采用不燃材料的導(dǎo)管或電纜槽盒保護(hù)。\"水廠電纜敷設(shè)時(shí)應(yīng)注意10kV 高壓電纜、 0.4kV 低壓電纜，動(dòng)力電纜和控制電纜采用不同橋架敷設(shè)，橋架之間應(yīng)留有足夠的間距。線纜在室內(nèi)沿電纜溝或橋架敷設(shè)，至設(shè)備處采用埋管敷設(shè)。

《通規(guī)》第6.3.2條規(guī)定：“當(dāng)采用電纜排管布線時(shí)，在線路轉(zhuǎn)角、分支處以及變更敷設(shè)方式處，應(yīng)設(shè)電纜人（手）孔井。電纜人（手）孔井不應(yīng)設(shè)置在建筑物散水內(nèi)。\"故電纜在廠區(qū)采用埋管敷設(shè)時(shí)，考慮到檢修維護(hù)方便，應(yīng)注意電纜手孔井的布置。另外，《通規(guī)》6.3.1條還規(guī)定了：“室外埋地敷設(shè)的電力線纜、控制線纜和智能化線纜不應(yīng)平行布置在地下管道的正上方或正下方。\"水廠內(nèi)有很多管線（包括污水管、給水管、廢水管、排泥管）埋在地下，設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意與工藝專業(yè)進(jìn)行溝通，盡量避免管線與線纜的重疊。

4節(jié)能措施設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

所有電氣設(shè)備應(yīng)選用高效低損耗產(chǎn)品，尤其是節(jié)能型變壓器，如SCB18干式變壓器或SCBH19非晶合金變壓器，這些產(chǎn)品可顯著降低空載和負(fù)載損耗，提高能源利用效率。同時(shí)，應(yīng)合理選擇變壓器的容量與數(shù)量，尤其是在有季節(jié)性負(fù)荷存在的情況下，應(yīng)能靈活轉(zhuǎn)換變壓器，確保經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并減少輕載時(shí)的不必要電能損耗。

為提高系統(tǒng)的功率因數(shù)并降低線路損耗，應(yīng)采用無(wú)功功率補(bǔ)償裝置，如在各變配電室 0.4kV 側(cè)設(shè)置靜止無(wú)功發(fā)生器進(jìn)行集中自動(dòng)無(wú)功功率補(bǔ)償，補(bǔ)償后功率因數(shù)達(dá)到0.95以上[。

在設(shè)備方面，工藝專業(yè)要求提升泵、潛污泵、攪拌機(jī)、送水泵等設(shè)備采用變頻控制技術(shù)，調(diào)節(jié)設(shè)備轉(zhuǎn)速，以顯著減少能耗。

供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)基于負(fù)荷占比、供電半徑及設(shè)備特點(diǎn)等因素，合理規(guī)劃變配電中心位置。變配電所應(yīng)靠近負(fù)荷中心，減短供電距離，避免因線路過(guò)長(zhǎng)引起的線損增大，從而為了達(dá)到壓降及靈敏度要求，增大供電電纜截面積。

線路設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減短導(dǎo)線長(zhǎng)度，并選擇電阻率低的銅芯導(dǎo)線。對(duì)于較長(zhǎng)線路，應(yīng)確保滿足載流量、熱穩(wěn)定、保護(hù)配合及電壓降要求，并合理選擇電纜截面。

運(yùn)用智能化平臺(tái)系統(tǒng)分析全廠能耗、藥耗等數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水量、水壓、水質(zhì)等參數(shù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并合理規(guī)劃不同電價(jià)不同時(shí)間段的工藝調(diào)配。

5 智慧化平臺(tái)構(gòu)建設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

隨著科技的發(fā)展，智慧化平臺(tái)已成為水廠設(shè)備管理的重要手段。文獻(xiàn)[7]提出了電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)在水廠建設(shè)中的應(yīng)用，某水廠擬在此基礎(chǔ)上運(yùn)用“物聯(lián)網(wǎng) + 移動(dòng)化 + 大數(shù)據(jù)\"先進(jìn)技術(shù)，建立基于物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)化技術(shù)的綜合管理平臺(tái)，通過(guò)整合水廠核心業(yè)務(wù)流與信息流，打造覆蓋安全生產(chǎn)、工藝調(diào)控、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、資產(chǎn)運(yùn)維及行政協(xié)同的一體化數(shù)字管理體系。該平臺(tái)將以數(shù)據(jù)中樞為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)動(dòng)態(tài)、設(shè)備工況、化驗(yàn)結(jié)果及管理流程的全域感知與集成化管控；依托大數(shù)據(jù)分析引擎，將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、歷史運(yùn)行參數(shù)及業(yè)務(wù)操作記錄轉(zhuǎn)化為可視化決策看板與趨勢(shì)預(yù)判模型；通過(guò)移動(dòng)終端與云端協(xié)同，為管理層、執(zhí)行層提供精準(zhǔn)的業(yè)務(wù)洞察與敏捷響應(yīng)能力，助力企業(yè)優(yōu)化資源配置、降低能源消耗、提升工藝穩(wěn)定性，最終實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)流程標(biāo)準(zhǔn)化、能效管控精細(xì)化、組織協(xié)同高效化的數(shù)字化轉(zhuǎn)型目標(biāo)。

某水廠智慧水務(wù)系統(tǒng)主要建設(shè)內(nèi)容具體包括數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)、業(yè)務(wù)工作臺(tái)、綜合管理平臺(tái)、智慧生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)、水廠智能決策控制系統(tǒng)、移動(dòng)端應(yīng)用平臺(tái)以及配套硬件設(shè)施設(shè)備等。其中水廠智能決策控制系統(tǒng)包含加藥智能控制系統(tǒng)、排泥智能控制系統(tǒng)、反沖洗智能控制系統(tǒng)、泵組智能控制系統(tǒng)、設(shè)備故障診斷系統(tǒng)。

6 結(jié)束語(yǔ)

水廠電氣設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜而重要的過(guò)程，涉及供配電系統(tǒng)、負(fù)荷計(jì)算、設(shè)備選型、電纜敷設(shè)、智能化控制平臺(tái)構(gòu)建等多個(gè)方面。通過(guò)合理的電氣設(shè)計(jì)，可以確保水廠的供電穩(wěn)定性、設(shè)備可靠性、電氣系統(tǒng)安全性以及節(jié)能降耗，提高水廠的運(yùn)行效率和管理水平。因此，在水廠建設(shè)中應(yīng)高度重視電氣設(shè)計(jì)工作，采用科學(xué)的方法和先進(jìn)的技術(shù)手段，為水廠的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供堅(jiān)實(shí)的保障。

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