摘要：文章主要研究汙水處理廠的電氣節能設計。針對汙水處理廠實際運行中耗電量高的問題，需要從(cong) 用電設備選型、配電回路設計、智慧水廠建設等方麵進行節能設計。通過在工程實際中的應用，證明了相關(guan) 設計的可靠性與(yu) 有效性。

關(guan) 鍵詞：汙水處理廠；電氣設計；節能設計；數字化；智慧水廠

0引言

汙水處理廠是城鎮汙水處理及資源化利用的主要場所，處理產(chan) 生的汙泥等可以作為(wei) 生物發電的燃料，汙水處理廠的建設對改善城鎮人居環境、加快生態文明建設具有重要意義(yi) 。但是，汙水處理也是一項高耗能產(chan) 業(ye) ，其中電能消耗占很大的比例，因此，加強汙水處理廠電氣節能設計對汙水處理廠的節能減排至關(guan) 重要。

1研究背景

2021年6月，國家印發《“十四五"城鎮汙水處理及資源化利用發展規劃》，指出“十四五"期間，我國要基本消除城市建成區生活汙水直排口和收集處理設施空白區，要新增汙水處理能力2.000×107m3/d。到2025年，全國城市的生活汙水集中收集率要力爭(zheng) 達到70%。2019—2020年我國汙水處理情況如表1所示。

2汙水處理廠的能耗特點

汙水處理廠的消耗主要集中在電力、藥物、燃料等方麵，電能在汙水處理廠總能耗的占比超過70%。同時，在汙水處理廠投資中，電氣部分投資占比為(wei) 12%左右。因此，加強汙水處理廠的電氣節能設計對汙水處理廠減少能耗與(yu) 投資具有重要意義(yi) 。

在汙水處理廠中需要用到大量的用電設備，如在預處理係統中需要用到排汙泵、閘門、除汙機等，在沉澱池中需要用到攪拌機、提升泵、排泥機等，在汙泥處理係統中需要用到壓榨泵、清洗泵、螺杆泵等，這些用電設備需要消耗大量電能。此外，紫外消毒、照明、除臭等係統也需要消耗大量的電能。根據《城市汙水處理工程項目建設標準》的有關(guan) 規定，達到一級B排放標準的汙水處理廠處理每立方米汙水的電耗是0.15～0.28kW·h，達到一級A排放標準的汙水處理廠處理每立方米汙水的電耗是0.28～0.4kW·h。

在汙水處理廠的電氣設計中，節能優(you) 化需要考慮的問題。在節能設計前，需要針對《城市汙水處理工程項目建設標準》中汙水處理廠電耗的“硬指標"，分析汙水處理廠的能耗特點。汙水處理廠中的工藝處理單元大致可以分為(wei) 預處理單元、生化處理單元和汙泥處理單元，如圖1所示。其中，預處理單元中一般會(hui) 有多台大功率水泵；生化處理單元的電能消耗一般達到整廠工藝設備電能消耗的50%～70%，而生化處理單元中的曝氣處理能耗又在其中占很大比例，因為(wei) 曝氣處理的用電設備主要是鼓風機等。由此可見，汙水處理廠的電能消耗分布相對集中，呈現“大集中，小分散"的特點。

3汙水處理廠的電氣節能設計

汙水處理廠中有大量的用電設備，包括鼓風機、泵、攪拌器、照明設備等。作為(wei) 設計人員，不僅(jin) 要考慮用電設備的配電、選型與(yu) 布局等問題，針對汙水處理廠的高耗能問題，還需要在設計階段考慮用電設備的節能與(yu) 優(you) 化問題。常用的電氣節能手段包括選用能效等級高的變壓器、選用符合經濟電流密度要求的纜線、變電所位置合理選址等，上述方法目前已經發展較為(wei) 成熟，在大多數的廠站設計中都用到了相關(guan) 的方法。隨著科技的進步，特別是數字化、智能化技術的發展，汙水處理廠電氣節能設計的新技術、新方法也慢慢得到普及。

3.1常規節能方法

（1）合理選擇變電所位置。小型汙水處理廠規模較小、工藝簡單，用電設備比較少、負荷比較集中。針對小型汙水處理廠，在條件允許情況下可設置1個(ge) 變電所，並深入負荷中心，使變電所離用電點的總距離較小，進而實現低壓配電距離的*小化，減少配電回路中纜線、管線、溝槽等的消耗與(yu) 開挖。大型汙水處理廠的麵積和規模比較大，用電設備布局較為(wei) 分散，用電負荷呈現“分散式集中"的特點。在設計階段，可以采用多變電中心的模式，設置1個(ge) 總的變電中心，外加多個(ge) 分散的分變電所，實現放射式的供電布局。一方麵，可以減少電氣設備過於(yu) 集中導致的電房麵積過大和電氣設備的噪聲、散熱等問題；另一方麵，可以減少纜線電壓損失，提高電能質量，有利於(yu) 用電設備的正常運行。

（2）選擇能效等級較高的變壓器。變壓器容量的選擇對整個(ge) 供配電係統具有決(jue) 定性的影響，若變壓器容量過大，會(hui) 產(chan) 生變壓器負荷率降低、工程建設費用增大、變壓器損耗增大等問題。因此，在設計階段，要選擇容量合適的變壓器。在新版規範《電力變壓器能效限定值及能效等級》中，對變壓器的空載損耗和負載損耗的要求有所變化，如表2所示。以10kV幹式變壓器為(wei) 例，1級電工鋼帶變壓器的空載損耗相對於(yu) 之前降低了25%左右，負載損耗針對大容量的變壓器也有較大程度的下降，因此在有條件的情況下，需要優(you) 先選用能效等級較高的變壓器，有利於(yu) 實現節能。

（3）采用低壓變頻器。在汙水處理廠中，大功率的水泵和風機是“用電大戶"。理論上，電動機的轉速和流量成正比，同時轉速的立方與(yu) 電動機功率成正比，因此合理調整進水流量和電動機轉速對汙水處理廠電氣節能具有重要意義(yi) 。應用變頻器可以滿足生產(chan) 工藝過程中對電動機調速控製的要求，進而節約電能、降低生產(chan) 成本。在實際設計過程中，針對大功率電動機選用變頻器時，要根據電動機的工作電壓選擇高壓（10kV）變頻器或低壓（0.4kV）變頻器。高壓變頻器具有費用較高、占地麵積較大、維修煩瑣等劣勢，在有條件的情況下，應該優(you) 先選用低壓變頻器。

（4）合理選擇電纜規格和型號。汙水處理廠中各種電纜的消耗巨大，隨著國際銅價(jia) 的持續升，電纜的費用也不斷創下新高。在設計中存在電纜截麵選擇過大的問題，在設計中較少根據經濟電流密度選擇電纜截麵，電纜的選擇較為(wei) “不經濟"。在選擇電纜型號時，可以先根據經濟電流密度計算經濟截麵，然後以經濟截麵為(wei) 基礎校驗電纜允許溫升、電壓損失、短路熱穩定等條件，在上述條件成立時，優(you) 先選擇接近經濟截麵的電纜截麵。同時在確定電纜走向和敷設過程中，做到“少走彎路，不走回頭路"，從(cong) 而減少重複敷設帶來的電纜浪費。

3.2建設數字化、智能化的智慧水廠

近年來，伴隨著我國“新基建"“碳達峰、碳中和"等理念的提出，我國智慧水廠的建設進入高速發展期。建設智慧水廠是促進數字經濟與(yu) 實體(ti) 經濟深度融合，賦能傳(chuan) 統產(chan) 業(ye) 轉型升級的重要途徑。智慧水廠中包含智能安防係統、智能藥料投加係統、生產(chan) 監控管理係統等，這些係統的相關(guan) 配合可以從(cong) 根本上減少人力、物力的消耗，*終實現節能減排的效果。在國家大力發展數字經濟的背景下，需要對傳(chuan) 統模式的汙水處理廠進行數字化、智能化的升級改造。需要在智慧水廠建設中以數字化為(wei) 驅動，可以通過數字化手段實現安防智慧防控、藥劑投加、泵站智能調度、能源智能監測等功能，從(cong) 根本上實現電氣節能、提質增效的目的。針對智慧水廠的建設，在設計階段可以從(cong) 以下幾點著手。

（1）采用電能能效管理係統。汙水處理廠的生產(chan) 設備種類繁多，除了工藝設備，還有照明、通風、視頻監控等輔助設備，在智慧水廠的建設中，需要采用電能能效管理係統實現對全廠用電設備及能源消耗的全麵監測、評估和分析，進而優(you) 化生產(chan) 運行中的用能過程。在設計階段，可以采用自帶監測器和通信功能的變壓器、直流櫃及發電機組等，將設備相關(guan) 信息傳(chuan) 遞至能效管理係統。利用微機綜合保護單元，通過網關(guan) 將高壓櫃連接到能效管理係統，同時將配電回路中的各種斷路器及低壓開關(guan) 櫃通過相關(guan) 網關(guan) 連接至能效管理係統。通過係統的分析處理，實時掌握用電設備的運行狀態，對全廠各用電設備的用電狀態進行優(you) 化配置，對用電狀態異常的設備做到盡早檢修，使設備運行在*高效狀態，從(cong) 而提高汙水處理廠的能效水平。

（2）采用智能照明係統。在地埋式的汙水處理廠中，照明係統的耗電量遠遠大於(yu) 常規水廠。因此針對地埋式的汙水處理廠，需要設計智能照明係統。在燈具選型上，需要優(you) 先選用發光效率高、節能的燈具，同時需要實現區域照度的調整，以節約電能，並減少照明係統的維護成本。

（3）采用智能化曝氣控製技術。曝氣環節對汙水處理工藝有著至關(guan) 重要的作用。曝氣過多會(hui) 導致溶解氧進入生化池的缺氧區、厭氧區，影響反硝化效果，也會(hui) 打碎汙泥絮體(ti) ，影響出水水質，同時會(hui) 使得電能消耗增加；曝氣過少，會(hui) 抑製生化池中的硝化反應，引起細菌繁殖，導致汙泥膨脹等。因此，針對曝氣係統，采用控製技術實現曝氣的精確化、合理化。

相較於(yu) 傳(chuan) 統的曝氣控製技術，智能化曝氣控製技術可以合理分配曝氣量、縮短工藝運行時間、減少電能消耗、提高生化處理效率，在有條件的情況下，需要優(you) 先采用智能曝氣控製技術。

4汙水處理廠的電氣節能設計實踐

以廣州市某汙水處理廠為(wei) 例，該廠汙水處理能力為(wei) 2.5×105m3/d。在電氣節能設計中，采用10/0.4kV變配電中心、一級低壓配電房及二級低壓配電房的配電方式，減少了配電線路的損耗。同時設計了動態有源濾波、智能變頻調速係統，應用了節能型燈具與(yu) 電纜橋架等。在智慧水廠建設中，設計了智能照明係統、地下無線覆蓋係統、獨立生化池與(yu) 曝氣自動控製係統、自動巡檢機器人係統、電能能效管理係統等。根據實際運行效果，相較於(yu) 傳(chuan) 統汙水處理廠，采用了節能設計的汙水處理廠的能耗水平整體(ti) 降低10%，達到了節能減排、提質增效的目的。

5安科瑞電氣針對智慧城市水務建設推出能效管理解決方案----AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平台

5.1平台概述

安科瑞電氣具備從(cong) 終端感知、邊緣計算到能效管理平台的產(chan) 品生態體(ti) 係，AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平台通過在汙水廠源、網、荷、儲(chu) 、充的各個(ge) 關(guan) 鍵節點安裝保護、監測、分析、治理裝置，用於(yu) 監測汙水廠能耗總量和能耗強度，重點監測主要用能設備能效，保護汙水廠運行安全可靠，提高汙水廠能效，為(wei) 汙水處理的能效管理提供科學、精細的解決(jue) 方案。

5.2平台組成

AcrelEMS智慧水務綜合能效管理係統由變電站綜合自動化係統、18luck新客户端及能效管理係統組成，涵蓋了水務中壓變配電係統、電氣安全、應急電源、能源管理、照明控製、設備運維等，貫穿水務能源流的始終，幫助運維管理人員通過一套平台、一個(ge) APP實時了解水務配電係統運行狀況，並且根據權限可以適用於(yu) 水務後勤部門管理需要。

5.3平台拓撲圖

5.4平台子係統

5.4.1變電站綜合自動化係統及18luck新客户端

對水務配電係統中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實現遙測、遙信、遙控、遙調等功能，對異常情況及時預警。

監測變壓器、水泵、鼓風機的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數、負荷率、溫度、三相平衡、異常報警等數據。

5.4.2電能質量監測與(yu) 治理

水務中大量的大功率電機、水泵變頻啟動導致配電係統中存在大量諧波，通過監測其配電係統的諧波畸變、電壓波動、閃變和容忍度指標分析其電能質量，並配置對應的電能質量治理措施提高供電電能質量。

5.4.3電動機管理

馬達監控實現水務中電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，電動機保護器能對過載、短路、缺相、漏電等異常情況進行保護、監測和報警。高效、準確地反映出故障狀態、故障時間、故障地點、及相關(guan) 信息，對電機進行健康診斷和預防性維護。同時支持與(yu) PLC、軟啟、變頻器等配合，實現電動機自動或遠程控製，監視、控製各個(ge) 工藝設備,保障正常生產(chan) 。

5.4.4能耗管理

為(wei) 水務搭建計量體(ti) 係，顯示水務的能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助水務分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區域。

將所有有關(guan) 能源的參數集中在一個(ge) 看板中，從(cong) 多個(ge) 維度對比分析，實現各個(ge) 工藝環節的能耗對比，幫助領導掌控整個(ge) 工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

能耗數據統計采集水務中汙水廠、自來水廠、水泵站等的用電、用水、燃氣、冷熱量消耗量，同環比對比分析，能耗總量和能耗強度計算，標煤計算和CO2排放統計趨勢。

能效分析按三級計量架構，分別進行能效分析，契合能源管理體(ti) 係要求，可對各車間/職能部門的能效水平進行分析，同比、環比、對標等。通過汙水處理產(chan) 量以及係統采集的能耗數據，在汙水單耗中生成汙水單耗趨勢圖，並進行同比和環比分析，同時將汙水的單耗與(yu) 行業(ye) /國家指標對標，以便企業(ye) 能夠根據產(chan) 品單耗情況來調整生產(chan) 工藝，從(cong) 而降低能耗。

5.4.5智能照明控製

係統為(wei) 汙水廠、自來水廠、水泵站等提供了照明控製管理方案，支持單控、區域控製、自動控製、感應控製、定時控製、場景控製、調光控製等多種控製方式，模塊可根據經緯度自動識別日出日落時間實現自動控製功能，盡量利用自然光照，實現室內(nei) 、廠區照明的智能控製達到安全、節能、舒適、高效的目的。

5.4.6電氣安全

（1）電氣火災監測

監測配電係統回路的漏電電流和線纜溫度，實現對汙水廠、自來水廠、水泵站的電氣安全預警。

（2）消防應急照明和疏散指示

根據預先設置的應急預案快速啟動疏散方案引導人員疏散。係統接入消防應急照明指示係統數據，通過平麵圖顯示疏散指示燈具工作狀態和異常情況。

（3）消防設備電源監測

監測消防設備的工作電源是否正常，保障在發生火災時消防設備可以正常投入使用。

（4）防火門監控係統

防火門監控係統集中控製其各終端設備即防火門監控模塊、電動閉門器、電磁釋放器的工作狀態，實時監測疏散通道防火門的開啟、關(guan) 閉及故障狀態，顯示終端設備開路、短路等故障信號。係統采用消防二總線將具有通信功能的監控模塊相互連接起來，當終端設備發生短路、斷路等故障時，防火門監控器能發出報警信號，能指示報警部位並保存報警信息，保障了電氣安全的可靠性。

5.4.7環境監測

汙水廠、自來水廠、水泵站等場所溫濕度、煙霧、積水浸水、視頻、UPS電池間可燃氣體(ti) 濃度展示和預警，保障汙水廠、自來水廠、水泵站等安全運行。當可燃氣體(ti) 或有害氣體(ti) 濃度超標可自動啟動排風風機或新風係統，排除隱患，保持良好的水處理環境。

5.4.8分布式光伏監測

實時監測低壓並網櫃每路的電流、電壓、功率等電氣參數及斷路器開關(guan) 狀態，逆變器運行監視，對逆變器直流側(ce) 每一光伏組串的輸入直流電壓、直流電流、直流功率，逆變器交流電壓、交流電流、頻率、功率因數、當前發電功率、累計發電量進行監測，以曲線方式繪製上述監測的各個(ge) 參量的曆史數據。

平台結合廠區實際分布情況，通過3D或2.5D平麵圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車棚的分布情況，顯示匯流箱、並網點位置，各個(ge) 屋頂的裝機容量。

5.4.9工藝仿真監控

平台通過2D、3D方式實時監視粗格柵、汙水提升、細格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、加氯接觸消毒、汙泥濃縮壓濾、生物除臭等工藝設備運行狀態。在格柵清渣機、汙水提升泵、回流泵、曝氣風機、加藥泵、濃縮壓濾機、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動機控製櫃或低壓饋電櫃安裝電動機保護，進行短路、過流、過載、起動超時、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護、堵轉、逆序、溫度等保護以及外部故障連鎖停機，與(yu) PLC、軟啟、變頻器等配合，實現電動機自動或遠程控製，監視、控製各個(ge) 工藝設備,保障正常生產(chan) 。

5.5相關平台部署硬件選型清單

5.5.118luck新客户端、電能質量、電動機管理及配電室環境監控係統

6結束語

總體(ti) 來說，在汙水處理廠電氣節能設計中，可以采用常規設計方法和建立指揮水廠等新方法、新技術。目前，汙水處理廠的智慧化建設正在如火如荼地開展，但同時存在許多問題如缺乏統一的規劃和管理，操作人員對設備和係統不熟悉，部分功能過於(yu) 複雜等。因此，針對智慧水廠的建設，還有很多工作要做。

安科瑞侯文莉