城鎮污水處理廠供配電系統節能設計及優化措施探究

何香壇

（中國市政工程西北設計研究院有限公司成都分公司，成都 610000）

1 引言

為了在促進社會經濟發展的同時減少資源損耗，城鎮污水處理廠建設時應從供配電系統入手，對廠區的供配電系統進行節能設計，減少電能損耗，控制運行成本。為實現城鎮污水處理廠供配電系統的節能目標，還應從系統電氣設計、設備選型等方面入手，多層次地控制系統能耗。

2 城鎮污水處理廠能耗分析

城鎮污水處理廠是城市文明建設中處理城市污水、凈化水資源的重要工具。但在污水處理廠實際運行期間會損耗大量的電力資源、水資源和其他資源，其中，電力消耗是污水處理廠的主要能耗類型。據了解，我國一線城市的污水處理廠每處理1 m3的水會耗電0.07 kW·h，普通二線城市每處理1 m3的水會耗電0.3 kW·h。污水處理廠在處理污水時需要借助脫水機、沖擊裝置，這類污水處理設備會損耗大量的水資源，且各類設備運行過程中同樣需要消耗一定量的電力資源，而資源的損耗又會增加城市污水處理廠的運行成本[1]。

3 城鎮污水處理廠供配電系統的節能價值

某城鎮污水處理廠一年的電費成本為5 123 萬元，占污水處理廠總成本的15%，水資源成本為357 元，各類電氣設備的運維管理及基本維護約為3 567 元。由此可見，城鎮污水處理廠在運行過程中為減少成本支出、預防能源損耗，還應多層次地控制廠區生產中的能源消耗費用。供配電系統作為城鎮污水處理廠的核心結構，支撐著污水處理廠的整體運作。因此，只有全方位地優化污水處理廠的供配電系統設計，將節能減排理念融入供配電設計系統中，才能減少污水處理廠的電力資源損耗，為污水處理廠的可持續發展創造有利條件。

1）城鎮污水處理廠供配電系統的節能處理，可通過電纜線路設計、變壓器的選型減少電力資源損耗、控制城鎮污水處理廠的整體能耗。

2）優化城鎮污水處理廠供配電系統設計，有利于提升各類電氣設備的運行效率，使其在高效運作的過程中保證城鎮污水處理廠的生產效益，控制污水處理時間，節省污水處理成本，使污水處理廠能夠健康發展。

4 城鎮污水處理廠供配電系統設計節能措施

4.1 電纜線路的節能設計

變壓器是城鎮污水處理廠供配電系統的核心裝置，由于系統運行中變壓器的有功損耗較大，所以，在城鎮污水處理項目中，各類變壓設備所需的電線、電纜較多，且線纜波動范圍較大。因此，節能設計供配電系統時，相關人員可通過電纜線路的節能設計減少電能損耗，節約電力資源。具體而言，城鎮污水處理廠供配電系統中，不同導體的電阻、電氣設備的電阻率與電纜、線路的長度息息相關，所以，為節約電纜線路能耗，可通過控制電阻率的方式節約電力資源。

1）鋁制的線纜、銅制的線纜電阻率有明顯差異。城鎮污水處理廠在建設供配電系統時，設計人員可選擇電阻率較小的銅芯電纜，確定該線纜材料后，還應在控制線纜內電流大小的基礎上，適當地增加線纜面積，以減少電纜線路能耗。

2）正式布設電纜時，還應優化線纜敷設方案：盡量縮短城鎮污水處理廠負荷中心、供配電系統變壓器之間的間距；合理控制線纜長度，使電纜“少走彎路”。

3）整體設計電纜線路時，其長度、分布、材質、規格應符合供配電系統的節能設計及安全設計要求，且線纜承載電流量能力應大于線路所需的電流。

4.2 引進PLC 節能控制技術

城鎮現代化建設對污水處理廠的監測控制提出了更多的要求。PLC 節能技術可應用在污水處理廠的供配電系統中，監測污水處理廠處理污水時的電力負荷。基于PLC 節能技術的前后反饋理論、自適應技術優化控制供配電系統的設計參數，污水處理廠可以在污水處理活動中自動化地調節供配電系統的運營管理方案，控制系統電流大小。同時基于供配電系統的節能控制，能夠監測整合污水處理工藝，全方位地控制污水處理各環節中的能源損耗，如藥劑添加、供養強度、電力投入等[2]。

基于PLC 節能控制技術可使供配電系統高效運行，減少系統響應時間，進一步減少系統電能損耗，控制碳排放量，實現節能減排的基本目標。因此，在設計城鎮污水處理廠內部的供配電系統時，還應結合PLC 節能控制技術建立以以太網為核心的節能通信監測平臺，實時監控城鎮污水處理廠運營期間的工藝參數、系統參數，針對性地控制系統的電力資源損耗。

4.3 靈活設計變電站

電能是城鎮污水處理廠的主要損耗能源。設計廠區內的供配電系統時，需要靈活設計變電站，利用變電站的結構設計降低城鎮污水處理廠供配電系統的供配電級。對于城鎮污水處理廠，變電站有著不可忽視的作用。設計變電站時，相關人員可根據污水處理廠內電力資源的主要負荷中心減少供配電系統的線路損耗和電能損耗。負荷中心是污水處理廠電力需求較大的區域，對該區域的供配電裝置、變電設備進行節能設計時，不僅可以控制電力資源，還能減少供配電成本，確保城鎮污水處理廠供配電系統的安全性和可靠性。此外，降低城鎮污水處理廠的供配電級時，應根據污水處理廠所需的電負荷范圍，使配電級數符合1 000～10 000 kW 的用電負荷需求，盡量控制配電級數，預防電力資源損失。

4.4 節能設計電氣控制系統

對污水處理廠供配電系統進行節能設計時，還應針對電氣控制設計節能方案，具體思路如下：

1）科學選擇供配電系統中的變頻調速設備，通過此類設備增強供配電系統的節能性。城鎮污水處理廠的電氣設計中，變頻調速設備本身具有較強的節能特點，采用該設計可在流體學定律的支持下，通過調整電流量、設備轉速之間的關系，保證城鎮污水處理廠供配電系統中的用電質量，提升其節電率[3]。比如，在變頻調速設備的應用過程中，污水處理廠可使用智能化水平較高的供配電裝置，該類裝置運行過程中可利用變頻調速技術智能調節處理裝置內的電流量，并根據污水處理廠處理過程中的設備負荷，節約電能消耗。

2）城鎮污水處理廠應重視電氣控制方面的節能設計，選擇符合污水處理廠要求的電氣控制系統，優化供配電系統的整體設計。具體而言，城鎮污水處理廠電氣設備較多、污水處理工藝復雜，在對污水處理廠電氣控制系統進行節能設計時，相關人員可依據計算機技術、大數據分析技術、BIM 技術，建立污水處理過程中的數據模型，從而智能化控制污水處理廠的生產系統和電力系統。在各項技術支持下，使污水處理廠的電氣設備便于調試，并且節能效果良好，可以精準地控制污水處理廠運行中的電流量。

5 城鎮污水處理廠供配電系統設計優化措施

5.1 優化變電所整體結構

在對污水處理廠變電站進行節能設計的前提下，還應優化變電所的整體結構。變電所節能目標的實現主要在于變電所的整體布置，對于距離污水處理廠變電站負荷中心較近的區域，變電所可獨立布置節能裝置，并與配電系統的分變電所相互配合，將節能裝置布設在負荷中心附近的區域內，尤其對于電容量較大的供配電設備，更需要如此。

5.2 科學選用變壓器

變壓器的選擇對城鎮污水處理廠的節能設計非常重要，所以，在優化廠區的供配電系統時，應合理確定變壓器的容量，科學選用變壓器。對此，相關人員可根據城鎮區域對電氣系統的技術要求，分析城鎮污水處理廠的實際負荷，然后明確變壓器容量。通常情況下，為滿足污水處理廠穩定運行與節能減排的基本要求，變壓器的負荷率保持在60%～70%，并且為確保變壓器可靠運行，應布設兩臺或兩臺以上的變壓裝置，以保證其中一臺變壓器停止運行時，其他變壓裝置可滿足城鎮污水處理廠的負荷。

現階段，我國城鎮污水處理廠的變壓器配置方法主要有兩種：

1）變壓器同時使用城鎮污水處理廠運行期間，變壓器的負荷率保持在60%～70%，但在其中一臺變壓器出現故障后，另一臺變壓器可作為備用，可保障污水處理負荷的概率是85%。

2）設置兩臺變壓器，其中一臺為備用變壓器，待使用中的變壓器出現故障時使用。不同變壓器配置方案，其電力資源損耗會有著明顯的差異性，兩臺變壓器同時運行配置方案能耗較低，變壓器的電能損耗符合節能設計要求，而變壓器為“一備一用”時，其運行能耗偏高。因此，優化設計城鎮污水處理廠供配電系統的變壓器配置方案時，還應根據方案實施中的保障率、能耗綜合分析各類方案的可行性。從節能角度出發，通過分析結果，同步運行變壓器的配置方案節能優勢更為明顯。但由于該方案應用時變壓器正常供電負荷，相關人員還應在一臺變壓器故障后，合理減少非必要負荷，以此100%的維持污水處理廠的穩定運行，滿足其生產所需的基本負荷。

5.3 重視系統諧波治理

諧波治理是供配電系統節能設計、優化管理的重要舉措。城鎮污水處理廠運行過程中，諧波的產生會影響供配電系統的功率因數，從而降低供配電系統運行中的電流傳輸效率，降低電力資源的利用率。甚至會誘發熱效應，使城鎮污水處理廠運行期間損失大量的電力資源。不僅如此，諧波還會增加銅芯電纜的電能損耗，使變壓器、其他電氣設施的工作溫度變高，電能損失嚴重。

因此，為全面優化城鎮污水處理廠的供配電系統，滿足系統節能設計的要求，相關人員還應加強諧波治理，采用多種方式抑制諧波，提升供配電系統的功率因數，使其能夠在運行中穩定地承擔污水處理廠工藝活動中的電能負荷。具體來說，對于城鎮污水處理廠，因廠區處理污水的過程中凈化、排水工藝復雜，供配電系統的非線性負載多，會產生高次諧波引起的熱效應。污水處理廠需要及時處理供配電系統，抑制諧波，科學選擇系統交流設備、濾波裝置，控制高次諧波對電網產生的不利影響，減少電力資源損失。

6 結語

綜上所述，近年來各類能源缺失、損耗問題愈發嚴重，為緩解能源危機，滿足社會可持續發展的基本要求，還應積極落實節能減排理念。因此，城鎮污水處理廠在建設管理中，還應通過供配電系統的節能設計優化設計控制系統運行中的電力資源損耗，用較少的能源消耗處理城市污水，保護生態環境，為社會生產活動創造良好的環境。