地埋式污水處理廠(chǎng)智能配電系統(tǒng)的應(yīng)用

林 輝

(廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣州 510060)

0 引言

作為市政和環(huán)保工作的重要組成部分——污水處理廠(chǎng)在改善城市生態(tài)環(huán)境、節(jié)約水資源、提高居民生活質(zhì)量方面發(fā)揮了巨大的作用。 但傳統(tǒng)的地面污水處理廠(chǎng)由于自身的特殊性，在凈化污水的同時(shí)，又成為新的污染源，對(duì)周邊環(huán)境造成不同程度的污染，主要表現(xiàn)在惡臭、噪聲等方面。 地上污水處理廠(chǎng)對(duì)周邊環(huán)境的污染，不僅影響了居民的正常生活，而且在一定程度上制約了周邊地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)商業(yè)、房地產(chǎn)、服務(wù)業(yè)的影響尤其明顯。 此外，地上式污水處理廠(chǎng)占用大量寶貴的土地資源。為此，設(shè)計(jì)師提出了上部空間可利用于綠化、公園等公共事業(yè)或用于商業(yè)開(kāi)發(fā)，地下部分設(shè)污水處理廠(chǎng)的方案，最大限度提高了土地利用價(jià)值。

地埋式污水處理廠(chǎng)除了占地空間少、構(gòu)建筑物緊湊外，還具有污染少、對(duì)環(huán)境影響小的優(yōu)點(diǎn)，故而近年來(lái)在國(guó)內(nèi)各大城市紛紛推廣。 但同時(shí)也因?yàn)榭臻g緊湊、廠(chǎng)房設(shè)置于地下，故而比尋常的污水處理廠(chǎng)需要設(shè)置更多的設(shè)備，除了普通污水處理廠(chǎng)的工藝設(shè)備外，需額外設(shè)置地下運(yùn)營(yíng)輔助設(shè)備(如通風(fēng)設(shè)備、除臭設(shè)備等)。 單位面積的設(shè)備數(shù)量更多，負(fù)荷等級(jí)要求更高，還要考慮到消防疏散等，這也對(duì)電氣設(shè)備運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性提出更高要求，因此，一套穩(wěn)定可靠的智能配電系統(tǒng)是地埋式配電的重點(diǎn)，不僅能夠保障工藝流程的正常運(yùn)行，還可為污水處理廠(chǎng)維護(hù)運(yùn)營(yíng)提供不可或缺的幫助，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)管理的智能化、數(shù)字化，提高整個(gè)地埋式污水處理廠(chǎng)的能效管理。 本文就地埋式污水處理廠(chǎng)智能配電系統(tǒng)闡述一些個(gè)人的思考和心得，以供參考。

1 項(xiàng)目概況和負(fù)荷情況

某地埋式污水處理廠(chǎng)規(guī)模為10 萬(wàn)m3/天。 采用膜生物反應(yīng)器(MBR)工藝，處理構(gòu)筑物采用全地下組團(tuán)布局；配套污泥處理、臭氣處理等。 地面建設(shè)景觀公園。 出水須滿(mǎn)足GB 18918－2002《城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)及GB 3838－2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》V 類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)較嚴(yán)值的要求。

污水處理廠(chǎng)主要用電負(fù)荷在鼓風(fēng)機(jī)房、預(yù)處理、MBR 膜池、生化池，污泥干化系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)及中控管理區(qū)等。 最大單機(jī)容量設(shè)備為鼓風(fēng)機(jī)房離心風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)，額定電壓10kV，其余為低壓380V設(shè)備。

依據(jù)CJJ 120－2018《排水系統(tǒng)電氣與自動(dòng)化工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，本地埋污水處理廠(chǎng)負(fù)荷等級(jí)劃分如下。 (1)一級(jí)負(fù)荷:包括應(yīng)急排水泵井、自控系統(tǒng)電源、消防負(fù)荷等。 由于本污水處理廠(chǎng)為全地埋式污水處理廠(chǎng)，當(dāng)中斷電源時(shí)，有可能導(dǎo)致污水處理廠(chǎng)被水淹和火災(zāi)等情況，故而一級(jí)負(fù)荷中應(yīng)急排水泵井，消防負(fù)荷如消防風(fēng)機(jī)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)和應(yīng)急疏散系統(tǒng)用電為一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷。 (2)二級(jí)負(fù)荷:包括工藝流程中的所有需要不間斷運(yùn)行設(shè)備負(fù)荷，如鼓風(fēng)機(jī)房、預(yù)處理、MBR 膜池、生化池。(3)三級(jí)負(fù)荷:電源中斷不影響生產(chǎn)的廠(chǎng)房部分輔助設(shè)備負(fù)荷，如地面照明等。

2 地埋式污水處理廠(chǎng)配電結(jié)構(gòu)

2.1 電氣主接線(xiàn)

由表1(負(fù)荷計(jì)算表)可見(jiàn)，污水處理廠(chǎng)主要負(fù)荷為二級(jí)負(fù)荷，依據(jù)GB 50052－2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》、CJJ 120－2008《排水系統(tǒng)電氣與自動(dòng)化工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》要求二級(jí)負(fù)荷供電系統(tǒng)宜采用兩回線(xiàn)路供電，每回線(xiàn)路應(yīng)能滿(mǎn)足所有的一級(jí)和二級(jí)負(fù)荷。 故而本項(xiàng)目地埋式污水處理廠(chǎng)由市政引來(lái)兩回10kV 線(xiàn)路電源至污水處理廠(chǎng)配電中心，進(jìn)戶(hù)經(jīng)過(guò)計(jì)量分配后送至各10kV/0.4kV 變電所。 兩回線(xiàn)路同時(shí)使用，互為備用，當(dāng)一回電源損壞時(shí)，另一回電源能滿(mǎn)足所有一級(jí)和二級(jí)負(fù)荷。

本項(xiàng)目采用兩臺(tái)變壓器加柴油發(fā)電機(jī)組供電，主接線(xiàn)方案見(jiàn)圖1。 在平時(shí)兩變壓器同時(shí)供電，母聯(lián)斷路器打開(kāi)，兩段低壓母線(xiàn)分列運(yùn)行，其中應(yīng)急母線(xiàn)由一段低壓母線(xiàn)供電；當(dāng)其中一段母線(xiàn)失電時(shí)，合上母聯(lián)斷路器，為兩段母線(xiàn)供電；當(dāng)兩段母線(xiàn)均失電，則由發(fā)電機(jī)給應(yīng)急母線(xiàn)供電。 發(fā)電機(jī)與兩臺(tái)變壓器出口斷路器閉鎖防止發(fā)電機(jī)上網(wǎng)運(yùn)行。

圖1 主接線(xiàn)方案

2.2 負(fù)荷計(jì)算及變壓器選擇

負(fù)荷計(jì)算及變壓器選擇 表1

本項(xiàng)目總裝機(jī)容量為6 555kW，計(jì)算負(fù)荷為4 526kW，視在功率為5 175kVA，其中，380V 設(shè)備計(jì)算負(fù)荷有功功率為2 636.21kW， 視在功率為2 823.6kVA。10kV 設(shè)備計(jì)算負(fù)荷有功功率為1 890kW， 視在功率為2 052kVA。

本項(xiàng)目選擇兩臺(tái)變壓器，每臺(tái)變壓器容量為2 500kVA，變壓器容量選擇依據(jù)如下。

(1)變壓器是一種電壓電能轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N電壓電能的電氣設(shè)備，在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生了銅耗鐵損，致使輸出功率小于輸入功率，選擇變壓器時(shí)應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，使其負(fù)載運(yùn)行在效率的最高點(diǎn)。 變壓器的銅耗鐵損主要是線(xiàn)圈的直流電阻引起的損耗(隨著電流變大而變大)，鐵損是變壓器鐵心中的磁滯損耗和渦流損耗(基本不變)，根據(jù)變壓器性質(zhì)，在空載的時(shí)候，變壓器效率最低，隨著變壓器負(fù)載增加，效率也增加，當(dāng)超過(guò)某一負(fù)載，效率反而下降，這樣在效率曲線(xiàn)上出現(xiàn)了最高效率點(diǎn)(見(jiàn)圖2)。當(dāng)變壓器的可變損耗與不可變數(shù)損耗相等時(shí)，效率達(dá)到最大值。

圖2 變壓器的效率特性

一般變壓器最大效率發(fā)生在負(fù)荷率0.5 ～0.6范圍內(nèi)，本項(xiàng)目變壓器負(fù)荷率為0.56，是變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行點(diǎn)。

(2)根據(jù)GB 51348－2019《民用建筑電氣設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)》要求，當(dāng)有一級(jí)和二級(jí)負(fù)荷時(shí)，宜裝設(shè)兩臺(tái)及以上變壓器，當(dāng)一臺(tái)變壓器停運(yùn)時(shí)，其余變壓器容量應(yīng)滿(mǎn)足一級(jí)和二級(jí)負(fù)荷用電要求。 由于本項(xiàng)目一、二級(jí)負(fù)荷占比較大，在選擇變壓器的時(shí)候需要考慮到一臺(tái)變壓器應(yīng)滿(mǎn)足一級(jí)和二級(jí)負(fù)荷用電要求的情況，根據(jù)表1 負(fù)荷計(jì)算，在故障情況下，本項(xiàng)目一級(jí)和二級(jí)負(fù)荷為2 232.6kW，故本項(xiàng)目選取兩臺(tái)2 500kVA 符合變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和規(guī)范要求。

2.3 分區(qū)配電中心布置

大型污水處理廠(chǎng)都是面積上萬(wàn)平方米大體量單體，大量的工藝設(shè)備按工藝流程設(shè)置，設(shè)備設(shè)置位置廣，導(dǎo)致設(shè)備布置需要大量敷設(shè)空間，但由于污水處理廠(chǎng)設(shè)置在地下，無(wú)大量位置供設(shè)電纜溝，故而需要提前規(guī)劃配電路由，科學(xué)布局。

(1)分區(qū)域設(shè)分配電中心:在相近的工程流程處設(shè)分配電中心，做到本區(qū)域的配電由本配電中心解決，配電線(xiàn)路不跨區(qū)，減少配電出線(xiàn)的交叉。

(2)設(shè)置電氣管線(xiàn)走廊:結(jié)合建筑平面分配電中心的位置，利用建筑的交通通道和工藝管線(xiàn)預(yù)留通道，留出電氣管線(xiàn)走線(xiàn)位置。 電氣平面如圖3 所示。

圖3 地埋式污水處理廠(chǎng)電氣平面

(3)建筑樓板墻體預(yù)埋敷設(shè)管線(xiàn):在土建施工伊始，采用電氣管線(xiàn)沿樓板或墻體敷設(shè)，預(yù)留套管供管線(xiàn)引入。

3 地埋式污水處理廠(chǎng)智能配電系統(tǒng)

智能配電系統(tǒng)是在傳統(tǒng)配電系統(tǒng)基礎(chǔ)上，運(yùn)用人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、通訊等技術(shù)實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)的測(cè)量、保護(hù)、控制、預(yù)測(cè)、運(yùn)維管理等功能，是一個(gè)創(chuàng)新型的能效管理系統(tǒng)。

地埋式污水處理廠(chǎng)設(shè)備眾多，工藝流程要求連續(xù)不間斷運(yùn)作，這就要求其配電系統(tǒng)智慧化、精細(xì)化、程序化運(yùn)維管理，構(gòu)建地埋式污水處理廠(chǎng)的智能配電系統(tǒng)對(duì)污水處理廠(chǎng)運(yùn)營(yíng)管理就顯得越來(lái)越重要了。

3.1 智能配電系統(tǒng)作用

地埋式污水處理廠(chǎng)智能配電系統(tǒng)作用包括如下內(nèi)容。

(1)監(jiān)控生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。 智能配電系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和收集各電氣設(shè)備的電流、電壓、能耗、功率因數(shù)、電能等各項(xiàng)電量參數(shù)，實(shí)施管理配電系統(tǒng)運(yùn)行情況。

(2)構(gòu)建配電系統(tǒng)數(shù)字模型，生成各類(lèi)型電氣管理報(bào)告。 智能配電系統(tǒng)能生成各時(shí)間段配電報(bào)告、電能質(zhì)量報(bào)告、各回路及各工藝設(shè)備能耗報(bào)告，優(yōu)化工藝設(shè)備運(yùn)行管理。

(3)設(shè)備維護(hù)管理。 智能配電系統(tǒng)監(jiān)控電氣設(shè)備運(yùn)行情況，對(duì)設(shè)備故障分析，做到對(duì)設(shè)備故障的預(yù)警和前處理。 通過(guò)收集數(shù)字化的運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)字模型，并對(duì)模型不斷進(jìn)行數(shù)據(jù)迭代，動(dòng)態(tài)模擬出設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，合理分析電氣設(shè)備的使用情況，預(yù)測(cè)其運(yùn)行可靠性，科學(xué)指導(dǎo)實(shí)際維護(hù)管理(如安排設(shè)備大小修維護(hù)時(shí)間和頻率)，消除設(shè)備故障隱患，保證污水處理廠(chǎng)正常穩(wěn)定運(yùn)行。

(4)數(shù)字化電氣資產(chǎn)，優(yōu)化資產(chǎn)管理。 智能配電系統(tǒng)能監(jiān)測(cè)到電氣設(shè)備資產(chǎn)狀態(tài)，管理電氣設(shè)備全生命周期。 合理安排設(shè)備及其備品備件采購(gòu)安裝，科學(xué)資產(chǎn)管理。

3.2 地埋式污水處理廠(chǎng)智能配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

地埋式污水處理廠(chǎng)智能配電系統(tǒng)也分為三層:管理層、控制層、和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層。 配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 智能配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

管理層:智能配電系統(tǒng)數(shù)字化應(yīng)用平臺(tái)。 在云端或本地管理服務(wù)器/計(jì)算機(jī)上設(shè)置的數(shù)字化智能配電系統(tǒng)(其中包括配電管理系統(tǒng)和電力監(jiān)控系統(tǒng))，實(shí)現(xiàn)對(duì)地埋式污水處理廠(chǎng)的電氣設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)管和控制；構(gòu)建全廠(chǎng)電氣設(shè)備數(shù)字模型，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)一對(duì)一的響應(yīng)，并形成報(bào)表結(jié)論。 同時(shí)也對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析迭代，動(dòng)態(tài)模擬出所監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

控制層:構(gòu)建管理層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)交換的數(shù)據(jù)通道。 通過(guò)設(shè)數(shù)據(jù)交換機(jī)或智能網(wǎng)關(guān)架構(gòu)連接現(xiàn)場(chǎng)的智能設(shè)備，向上收集獲取數(shù)據(jù)，上傳道管理層；向下實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的就地監(jiān)視和控制。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層:底層物聯(lián)網(wǎng)的各類(lèi)智能元器件，如開(kāi)關(guān)的綜合繼保、智能斷路器、智能儀表等，主要負(fù)責(zé)電氣設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、傳輸和控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著項(xiàng)目竣工運(yùn)營(yíng)，地埋式污水處理廠(chǎng)智能配電系統(tǒng)也投入了實(shí)際運(yùn)營(yíng)，在污水處理廠(chǎng)能效管理、電能管理、設(shè)備管理等方面都取得不俗的成績(jī)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)，污水處理廠(chǎng)的管理人員能在智能配電系統(tǒng)的幫助下精細(xì)化管理工藝流程，較之前減少了30%無(wú)效管理操作，合理安排了設(shè)備工作時(shí)間和實(shí)效，節(jié)約了約35%的電能，不僅保證了設(shè)備安全穩(wěn)定的運(yùn)行，同時(shí)也節(jié)約了勞動(dòng)力，減少了工作強(qiáng)度和工作時(shí)間。 隨著運(yùn)營(yíng)的時(shí)間不斷增加，智能配電系統(tǒng)所收集的數(shù)據(jù)越來(lái)越多，通過(guò)構(gòu)建模型不斷地迭代，可為業(yè)主管理提供越來(lái)越多的實(shí)用決策參考，也為越來(lái)越多的地埋式污水處理廠(chǎng)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)提供了示范作用。