凈水廠電氣設計若干問題的探討

摘 要：分析目前凈水廠電氣設計、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、變電所設置及變壓器選擇、高低壓變配電系統、電機拖動、諧波治理、電氣節能等方面進行討論，給出各問題的解決方案，并在優化凈水廠電氣設計以及完善水廠功能方面給出了建議。

關鍵詞：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

伴隨著我國經濟的快速發展，人們生產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處理、排泥水處理及深度處理。其中，常規處理工藝為凈水廠的基本單元。為降低排泥水對周圍環境的影響，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、變電所設置及變壓器選擇、高低壓變配電系統、電機拖動與控制、諧波治理、計量與測量、電纜敷設、主要設備的選型、照明系統設計、防雷和接地保護設計、節能計算與分析、節能措施等幾部分內容。

凈水廠為地方最重要的基礎設施之一，凈水廠的安全可靠運行是城鄉正常運轉的基本保障，對地方的發展建設起到至關重要的作用。凈水廠供配電系統的可靠性是保障水廠各工藝流程段內高低壓用電設備有序運行，實現水廠功能的基礎保障，是凈水廠電氣設計的首要任務。同時凈水廠亦是當地的用電大戶，如何在保障水廠供電連續性及可靠性的同時，節約投資、節能降耗，實現水廠整體供配電系統的經濟性，是凈水廠電氣設計的基本目標。

本文結合凈水廠的運營管理反饋，著重分析目前凈水廠電氣設計中存在的若干問題，在優化凈水廠電氣設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

經調研各水廠運行負荷情況現狀，特別是供電需量數據時，發現幾乎所有未曾超產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計的基礎。負荷計算的準確程度不僅影響工程的電氣初投資，且直接影響建設單位的運行費用。如何在工程中降低負荷計算結果與水廠實際運行數據的偏差，既滿足生產生活負荷需求，又防止過度設計，是工程設計中最考驗設計經驗及水平的環節。

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法。隨著水處理工藝的發展，凈水廠工藝的復雜性及設備的多樣性特征也越來越明顯。現行的給水排水手冊中需要系數數據已經無法覆蓋各類工藝設備［1］。設計時還需結合建設單位的運維管理習慣以及水廠不同工藝流程段設備的運行特點，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，并適當調整水廠負荷計算書的同時系數，以期獲得更接近生產實際的計算結果，更可從“削峰填谷”出發，輔助建設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性負載，且均有1.1～1.5的日變化系數，此外，二級泵房水泵電動機又有1.1～2的時變化系數，既有季節性的負荷變化，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，視濾池綠格數量及水廠運維習慣而定。加藥間及臭氧車間主要用電設備日常連續運行且負荷變化較小;污泥脫水車間主要設備日常間歇運行，綜合管理樓內除中控室、化驗設備外，其余設備運行特點同民用辦公樓。應盡量在供水低谷時段運行反沖洗設備及排泥水處理設備。

此外，在二級負荷計算中，僅需計入影響供水生產且無法通過生產運營方案調整避讓供水高峰時段的負荷。比如，反沖洗設備、排泥水處理設備雖為重要的生產性負荷，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計與電氣設計兩個專業綜合考量的結果。

1.2 凈水廠增容改造

凡涉及負荷增容的凈水廠改造項目，均應先行調研現狀水廠運行歷史上的峰值供電需量。負荷計算應以此數據為基值，疊加新增連續型負載，并根據歷史運行負荷曲線，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范》第2.2.19條規定了不同規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計［2］。

《工業與民用供配電設計手冊》（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》數據可供日常學習參考。實際工程應用中，凈水廠供電電源設計須綜合考慮項目周邊電網情況、不同電壓等級電源供電距離、容量和電壓降，以及當地供電部門對負荷容量對應供電電壓等級要求。

10 kV網絡是我國大多數地區的主流中壓供電網絡，我國20萬t/d及以下規模凈水廠多采用兩路10 kV電源供電。隨著我國城市建設的飛速發展，各地區城市10 kV電網的建設均也日益完善。現南網、國網均已逐漸放開10 kV電網的供電容量及供電距離限制。特別是南方電網，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級以下規模的常規+污泥+深度處理工藝水廠。

傳統電氣設計中，40萬t/d以上大規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，具體應經技術經濟比較后確定。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。實際工程應用中相對于建設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勢。

凈水廠工程的供電外線實施費用往往較高，且不停產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以內的凈水廠工程，建議按終期規模申請電源。

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

3 變電所設置及變壓器選擇

3.1 變電所設置

凈水廠內一般需設置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）。低配中心的數量視水廠供水規模及處理工藝而定。

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筑物合并設置。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。上述構筑物中綜合濾池內設備數量及種類繁多，但單機容量略小。其余構筑物內設備數量較少但單機容量較大。

水廠電氣設計中，如遇不同構筑物間負荷容量差異較小，需選擇其一合并設置低配中心。建議將低配中心設置于設備種類及數量較多的構筑物內。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合的配電系統結構。具體需進行技術及經濟比較。

3.2 變壓器選擇

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

凈水廠為重要的基礎設施，水廠各級變電所一般各設置兩臺變壓器，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），以確保水廠的生產供水規模。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，設計中往往設置兩根原水管線。單根原水管線的取水規模決定了工藝故障情況下的事故供水規模。因此電氣設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模下的負荷容量設計，即滿足對水廠二級負荷的100%事故保障率［1，4］。

現如今全國大部分地區的供電基本電費已調整為按實際需量收取。此類區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。很多工程設計中水廠運營管理單位為提高水廠供水的連續性、減少變壓器故障檢修期間的運營調整，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模下的負荷容量。實際工程中越來越多的業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

凈水廠電氣設計中較為常見的是高低壓配電系統采用雙電源進線，單母線分段設聯絡斷路器的主接線。兩路進線與母聯開關設置三鎖兩匙或兩鎖一匙電氣及機械互鎖。此系統接線供電可靠性較高。

4.1 高壓配電系統

在高壓外線電源側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整的地區，水廠日常運行的基本電費亦較高。建議對于網側兩端均設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僅設有廠變而無高壓電動機直掛電網且水廠運維部門管理經驗足夠的水廠項目，則建議選擇雙電源進線，單母線分段不設聯絡斷路器的主接線，在滿足供電系統安全可靠的前提下提高工程的經濟性。具體方案建議與建設單位深度對接后確定。

4.2 低壓配電系統

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

在實際工程設計中，對于設置多處低配中心且單一低配中心內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方案還有更多的選擇性。在相鄰低配中心各設置單臺廠變（廠變容量可以不同）、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間設置低壓聯絡，共同形成一個更具經濟性且安全可靠的雙電源進線，單母線分段設聯絡斷路器的主接線。

5 電機拖動

一般凈水廠日常運行的流量變化較大，二級泵房內全部或部分水泵電動機須設置變頻器調節轉速來自動調節水量，以適應供水需求并達到節能效果。

凈水廠一般不頻繁起動電動機。根據《工業與民用供配電設計手冊》（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。工程實際應用中，相對大容量的定速水泵電動機往往設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，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，鑒于設置，變頻器對水泵電動機的日常水量調節更為有利，因此，建議對于凈水廠內的大容量低壓水泵電動機優先選擇變頻調速拖動方式。

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，水廠電氣設計中普遍采用在水廠各低配中心的低壓側設置有源濾波裝置的諧波治理方案。工程設計中，很多電氣設計師忽略了低壓系統接線對有源濾波裝置容量及利用率的影響。

當低配中心采用雙電源進線，單母線分段設聯絡斷路器的主接線時，特別是兩路電源、一用一備運行時，合理設置低壓母聯柜的位置，可實現有源濾波裝置的減半設置、提高有源濾波裝置的利用率，達到降本增效的目的。本文建議的系統接線是將低壓母聯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絡母線接至其有源濾波柜內。

7 電氣節能

傳統的凈水廠電氣設計常采用的電氣節能措施包括：① 設計安全可靠簡潔合理的配電系統;② 選用節能型的電氣設備;③ 引入光伏系統設計，自發自用。現行規范已明確規定新建建筑應安裝太陽能光伏發電系統［6］。

現如今的凈水廠電氣節能設計需要打破傳統。智慧水廠通過運用現代科學技術（物聯網、云計算、大數據等）、整合信息資源、挖掘數據價值、統籌業務應用系統等方法和手段，已可實現運行、維護、調度和服務等各環節信息互通，令管理更加有序。智慧水廠實時運行的各類關鍵數據變得唾手可得。強大的后臺處理系統更可將各種重要數據實時及歷史分析結果直觀地展現。為電氣設計師及水廠運維人員制定節能降耗的控制策略提供了大量的數據基礎，節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，似乎方案二更有優勢。然而，實際工程應用中，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的低壓保護。軟起動裝置的中旁路更多的是內置旁路，軟起動裝置在電機起動后仍需運行。定速水泵的設置也許并不能達到預期的節能效果，反而損失了水廠流量調節控制的靈活性。

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，發現二級泵房采用統一規格的變頻水泵電動機，通過設定水量，調整各水泵電動機同頻率運行時，由于管路阻力系數的改善，可達到至少10%的節能效果。顯而易見，水泵運行節能量即便去除變頻器的自身損耗仍是非常可觀的。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 語

傳統的電氣設計方法仍然是現階段凈水廠電氣設計的基礎。凈水廠電氣設計成果是所有智慧配電技術應用的基石。得益于新能源技術的快速發展，光伏發電技術、儲能技術等已逐漸在如今的凈水廠電氣設計中應用，凈水廠的電氣設計內容也變得更加豐富。電氣設計師可以因地制宜，為業主提供更節能、更經濟、更適應國家的發展方向的技術方案。

凈水廠的高效、節能設計是整個設計團隊全專業需要共同思考的問題。電氣設計師不應局限于本專業的設計內容，更應熟練掌握水廠的工藝流程及各類生產設備的運行特點，并不斷學習新的控制方法及控制理論。

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

［2］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部.城市給水工程項目規范：GB 55026—2022［S］.北京.中國建筑工業出版社，2022.

［3］ 任元會.工業與民用配電設計手冊（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建設部.供配電系統設計規范：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建設部.建筑電氣與智能化通用規范：GB 55024—2022［S］.北京.中國建筑工業出版社，2022.

［6］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑節能與可再生能源利用通用規范：GB 55015—2022［S］.北京.中國建筑工業出版社，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