摘要：近年來,隨著自然環(huán)境的改善，越來越多的城市開始建設地下污水廠。地下水廠將部分或所有處理構筑物置于地下箱體內，而廠區(qū)地上部分則做成了景觀綠地或公園。這樣不僅合利利用了土地,完善了基礎設施,也是營造城市舒適環(huán)境的一個發(fā)展趨勢。而地下污水廠的電氣設計與地上不同，本文從供配電、防雷接地 、照明等方面闡述地下污水處理廠的特點，介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)技術能源管理解決方案來提高污水廠的安全穩(wěn)定運行、節(jié)能降耗和高效運維。
關鍵詞：地下污水廠；安全穩(wěn)定；物聯(lián)網(wǎng)；能源管理；高效運維；
近年來，隨著自然環(huán)境的改善，越來越多的城市開始建設地下污水廠。地下水廠將部分或所有處理構筑物置于地下箱體內，而廠區(qū)地上部分則做成了景觀綠地或公園。這樣不僅合利利用了土地,完善了基礎設施,也是營造城市舒適環(huán)境的一個發(fā)展趨勢。而地下污水廠的電氣設計與地上不同，本文從供配電、防雷接地 、照明等方面闡述地下污水處理廠設計的特點。污水廠設備要求供電可靠性，一般不允許停電，中斷供電將造成重大的經(jīng)濟損失，因污水廠供電負荷等級為二級，應采用兩路電源供電，同時為保證電源可靠性，備用一臺柴油發(fā)電機，至少滿足廠內應急通風換氣、消防、應急照明等用電。地下式污水廠和地上廠相比，對配電系統(tǒng)的安全性、可靠性要求高。例如，地下式污水廠采用速閉閘或速閉閥保證進水安全，若這些設備的供電出現(xiàn)問題，則可能突然停止進水，影響正常生產(chǎn);也可能無法停止。
一、變配電室設置及供配電系統(tǒng)
1.變配電室布置
污水廠的主要大功率設備包括曝氣風機、提升泵、污泥脫水以及干化成套設備等。變配電室應充分考慮工藝布局特點，靠近負荷中心，并且變壓器供電半徑不宜太大，同時考慮設備運輸?shù)姆奖?，盡量靠近地下箱體通道布置。
2.供配電系統(tǒng)
污水廠負荷等級一般為二級，宜采用兩回 10kV線路供電。10kV 配電系統(tǒng)采用單母線分段結線，放射式供電。各變壓器均勻布置在10kV兩段母線上。如有分變配室，分配電室10kV 宜采用線路變壓器組方式，電源一般引變配電室，在分變配電室進線處設負荷開關作為變壓器檢修時的斷開點。配電室0.4kV系統(tǒng)宜采用單母線分段方式。工藝設備中負荷重要的設備(重要工段的水泵、鼓風機等)和設備組(污泥脫水及干化系統(tǒng) 、加藥系統(tǒng)等)均由變配電室 0.4kV系統(tǒng)放射式供電。小容量設備如刮泥機、電動閘門、排水泵等，采用動力配電箱及設備現(xiàn)場電控箱的兩級配電方式，既保證了主要設備的供電可靠I生，又減少了電纜數(shù)量。
3.照明設計
地下箱體內設正常照明與應急照明裝置。采用智能照明控制系統(tǒng),可以對不同工況(無人值守、正常巡視 、檢修、參觀等)下不同的照度進行控制，把照明效率與節(jié)能發(fā)揮到較佳狀態(tài)，提高管理水平。由于對地下箱體內的照度和可靠性要求高，并且潮濕環(huán)境對燈具及線路的影響較大，箱體大空間宜采用高效防水防腐的LED工礦燈，LED工礦燈均于金屬線槽下安裝,便于檢修。消防控制室、防煙及排煙控制區(qū)域、中央控制室等場所應設置備用照明；疏散樓梯間、箱體內疏散通道等區(qū)域設置疏散照明及疏散指示標志燈。應急照明可在現(xiàn)場手動控制，也可由消防控制室控制,火災時或因故失電時,應急照明應能強制點亮。廠區(qū)道路及景觀區(qū)域照明以裝飾庭院燈具為主，燈具形式于建筑物風格與廠區(qū)綠化環(huán)境相諧調，襯托出舒適、美的氣氛，滿足人們對環(huán)境的美好愿望。
4.能耗分布
污水處理廠的能耗成本主要為電能、藥物、燃料，其中電能消耗占有60~90%，我污水二級處理電能消耗為0.19~0.36 kWh/m3，經(jīng)過對城鎮(zhèn)污水處理廠能耗狀況及其影響因素進行分析，結果表明目我城市污水處理廠平均能耗為0.29kWh/m3，而美污水處理廠平均能耗為0.2kWh/m3，日本為0.204~0.254kWh/m3。總體上看,我在污水處理中的節(jié)能降耗、化運營方面起步晚，還存在很大的節(jié)能降耗空間,而電能的消耗較大在污水提升泵、鼓風曝氣和污泥處理環(huán)節(jié)，較高的能耗水平在一定程度上影響了污水處理的建設和發(fā)展。
二、地下環(huán)境對電氣設計的其他影響
1..變配電室的防水、防潮及防腐設計
由于變配電室位于地下箱體負 1層,上部為地面景觀綠化種植,為避免變配電室頂部滯水,變配電室頂部應適當高于周圍頂面,并采用鋼筋混凝土摻入高效抗裂防水劑的措施 ；變配電室內的墻面應采用防水涂料防水布等措施防滲水；變配電室內地面高于箱體負 1層底板，防止事故時污水進入變配電室。地下變配電室面臨的另一個環(huán)境問題就是潮濕。為保證電氣設備安全運行，本工程所有高壓開關柜內均設溫濕度控制裝置,自動調節(jié)柜內溫度及濕度；變配電室內還增設獨立的除濕裝置來改善變配電室內的環(huán)境濕度。地下污水廠還需要特別考慮腐蝕性氣體對電氣設備的腐蝕問題。因此，變配電室內采用獨立的新風系統(tǒng)，保證變配電室內始終處于正壓狀態(tài)，以防止腐蝕陛氣體侵入變配電室。
2.環(huán)境對電氣設備的影響
全地下水廠因整個箱體是一個封閉空間，內部含有污水池體 、涉水管道及其內部的排水溝道等,整個箱體內比較潮濕,而且污水進水端、好氧消化段、污泥處理段均會產(chǎn)生硫化氫等氣體腐蝕電氣設備，雖然箱體內設有機械通風及除臭裝置,但通過對多個類似水廠的考察，未采取防潮防腐措施的電氣設備被腐蝕較嚴重，給運行和維護帶來了不便。因此,箱體內各單體上的配電柜(箱)宜采用不銹鋼或聚碳酸酯材質,電纜橋架采用不銹鋼橋架。相對濕度較大時也可在箱體內裝設電熱除濕裝置。同時，箱體內散熱較慢，選擇低壓電氣設備類型時,有必要考慮降容使用。成套裝置或配電柜內布置回路不宜太緊湊，尤其是有變頻器的回路,以防散熱不利。
三、能效管理解決方案--AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺
安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計算到能效管理平臺的產(chǎn)品生態(tài)體系，AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺通過在污水廠源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個關鍵節(jié)點安裝保護、監(jiān)測、分析、治理裝置，用于監(jiān)測污水廠能耗總量和能耗強度，重點監(jiān)測主要用能設備能效，保護污水廠運行安全可靠，提高污水廠能效，為污水處理的能效管理提供科學、精細的解決方案。
圖1 AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺
1.保障供電可靠性
對污水廠配電系統(tǒng)中35kV、10kV電壓等級配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監(jiān)控，對0.4kV配置多功能計量儀表，用于監(jiān)測各回路的電氣參數(shù)和用能情況，可實時監(jiān)控高低壓供配電系統(tǒng)開關柜、變壓器微機保護測控裝置、發(fā)電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。
污水廠存在大量的非線性負載，通過監(jiān)測其配電系統(tǒng)的諧波畸變、電壓波動、閃變和容忍度指標分析其電能質量，并配置對應的電能質量治理措施進一步提高供電可靠性。
圖2 AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺主接線圖
2.建立能源計量體系
AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺通過搭建計量體系，采集污水處理廠能源數(shù)據(jù)，顯示污水處理廠的能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助其分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區(qū)域幫助其了解各工藝環(huán)節(jié)能源消耗量，并且可細化到樓層、車間、產(chǎn)線、班組、工序，計算產(chǎn)品單耗、單位面積能耗或萬元產(chǎn)值能耗，從而計算出能耗總量和單位能耗。
圖3 能源流向圖
3.數(shù)據(jù)集抄并實時計量
AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺提供自定義時間抄表功能，可以在任意時間，任意地點，完成對企業(yè)的三級計量體系數(shù)據(jù)閱覽，減少了人工投入。同時各類保護、儀表主動定時上傳數(shù)據(jù)，保證了能源時效性，為其節(jié)能降耗，提供了基礎數(shù)據(jù)支撐。
圖4 數(shù)據(jù)集抄報表
4. 化能源結構
AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺支持接入分布式光伏電站以及風力發(fā)電站，為企業(yè)提供分布式電站運行監(jiān)測和發(fā)電日/月/年/累計收益和減排分析，支持自發(fā)自用、余電上網(wǎng)。在儲能環(huán)節(jié)，平臺接入BMS和PCS數(shù)據(jù)，支持充放電配置策略，并對電池管理系統(tǒng)提供實時預警，根據(jù)其負荷特點，削峰填谷，充分使用新能源，降低污水廠碳排放。
圖5 分布式光伏電站監(jiān)測運維
5. 提升主要用能設備能效
污水處理廠中有著大量的電機、水泵，其中污水提升泵和鼓風曝氣能耗占據(jù)了工藝能耗中的大多數(shù)，平臺針對這些工藝設備進行監(jiān)測分析，工藝之間橫向比較，尋找具調控潛力的用電設備、工藝單元，幫助用戶發(fā)現(xiàn)其能效提升空間并提供解決方案，找到運行區(qū)域，顯著降低能源消耗
圖6 管網(wǎng)圖和能效監(jiān)測
6. 報警及時推送
平臺提供能源報警功能，一旦發(fā)現(xiàn)跑冒滴漏，能源消耗異常，電參量異常等情況，能提供多種方式的報警，包括但不限于郵件、短信、釘釘推送等。
圖7 報警記錄與管理
7. 加強運維管理
加強巡視維護工作，及時發(fā)現(xiàn)或消除設備隱患，提高供電可靠性。配置重要設備包括變壓器、電氣柜、高壓電纜、空調主機、水泵、鼓風機等設備信息，配置二維碼，快速在移動端獲取設備信息、設備維修歷史記錄以及解決問題的常用辦法。
故障預判和快速診斷功能將以往出現(xiàn)問題再采取措施的被動檢修維護政為主動出擊、防患于未然的主動運維模式。既可以使運維管理工作從容。還大大提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。
圖8 設備運維檔案
8. 典型硬件
序號 | 名稱 | 型號、規(guī)格 | 安裝位置 | 用途 |
1 | 電能質量監(jiān)測 | APview500 | 進線開關柜 | 監(jiān)測市電電能質量 |
2 | 35kV、10kV回路保護 | AM6 | 35、10kV開關柜 | 35、10kV回路保護、測控 |
3 | 智能操控裝置 | ASD500-Pn | 35、10kV開關柜 | 35、10kV回路操作、顯示和測溫 |
4 | 弧光保護 | ARB5 | 35、10kV回路母線室、斷路器室、電纜室 | 用于監(jiān)測關鍵電氣接點弧光監(jiān)測、保護 |
5 | 無線測溫傳感器 | ATE400、ATE200 | 35、10、0.4kV母排、斷路器、線纜接頭 | 用于監(jiān)測關鍵電氣接點溫度 |
6 | 有源濾波裝置 | AnSin□-M | 0.4kV母線側 | 濾除配電系統(tǒng)2~25次諧波畸變 |
7 | 無功補償裝置 | AZC智能電容 | 0.4kV母線側 | 提供無功補償 |
8 | 多功能儀表 | APM520/APM510 | 10kV、0.4kV回路 | 監(jiān)測電氣參數(shù)和開關狀態(tài)、故障報警 |
9 | 智能照明控制器 | ASL100 | 照明配電箱 | 照明單控、群控、定時/自動控制 |
10 | 電氣火災傳感器 | ARCM200 | 配電柜/配電箱 | 監(jiān)測漏電電流和線纜溫度 |
11 | 消防設備電源傳感器 | AFPM | 消防配電箱 | 監(jiān)測消防設備電壓、電流狀態(tài) |
12 | 應急照明和疏散指示系統(tǒng) | A-C-A100 | 消防疏散通道 | 提供消防應急照明并指引疏散人群快速疏散 |
13 | 限流式保護器 | ASCP200 | 照明插座回路 | 防止過載、短路產(chǎn)生火花 |
14 | 電動機保護器 | ARD3M | 電動機 | 保護電機安全穩(wěn)定運行 |
15 | 環(huán)境傳感器 | 溫濕度、煙霧、有害氣體等傳感器 | 配電室、工藝區(qū)域 | 監(jiān)測環(huán)境參數(shù)，維護環(huán)境安全 |
16 | 智能網(wǎng)關 | ANet-2E4SM | 數(shù)據(jù)采集柜 | 采集設備數(shù)據(jù)，邏輯控制、上傳平臺 |
四、結語
地下污水廠的建設,本著安全可靠、經(jīng)濟合理 、運行管理的原則，通過合理運用能源管理平臺，利用先進的大數(shù)據(jù)、云計算等互聯(lián)網(wǎng)技術，能夠提高污水廠的供電可靠性，找到節(jié)能降耗的實際方案，深入能耗分析，發(fā)掘節(jié)能潛力，為管理者提供準確化的管理手段，提高污水處理廠的能耗管理水平。
參考文獻
[1] 董建明，孫展淺.談地下污水處理廠電氣設計的特點.公用工程設計.2018-O1.25
[2] 馬培對城市污水處理廠能耗分析與節(jié)能降耗途徑探討[J].城市建設理論研究(電子版).2018年06期
[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計應用手冊.2020.06版
作者簡介
周穎，女，本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網(wǎng)供配電
上海嘉定區(qū)育綠路253號
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