劉國壯, 劉發(fā)明, 李伯偉, 施 皓

(中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司, 廣東 東莞 523000)

0 引 言

隨著人類社會快速發(fā)展、城市建設(shè)的迅速推進(jìn),污水產(chǎn)生量逐年攀升,水污染也日趨嚴(yán)重,解決水污染問題已刻不容緩。解決水污染問題一方面應(yīng)提高各單位污水的排放標(biāo)準(zhǔn),另一方面則應(yīng)對污水進(jìn)行凈化處理。污水廠作為污水處理最集中、最有效的途徑,其建設(shè)投資成本及運行成本一直是政府及相關(guān)部門最為關(guān)注的問題之一,其中藥耗和能耗是污水廠最為突出的運行成本[1]。然而,設(shè)計院在污水廠設(shè)計過程中重點關(guān)注了工藝設(shè)備的可行性和節(jié)能性,有時會忽略電氣設(shè)備的高能耗成本對后續(xù)運營帶來壓力,導(dǎo)致許多污水處理廠建成后給當(dāng)?shù)刎斦斐刹涣加绊?。變壓器作為污水廠中最為關(guān)鍵的電氣設(shè)備之一,其建設(shè)成本和運行成本占電氣設(shè)備總投資很大比重,因此對于污水廠變壓器的經(jīng)濟(jì)性選擇值得深入探討。

1 項目概況

該項目位于東莞市,新建污水處理廠處理規(guī)模為5萬m3/d,總變化系數(shù)取1.38。工藝設(shè)備均為380/220 V負(fù)荷。根據(jù)廠區(qū)平面布置及負(fù)荷分布情況,全廠設(shè)置一座變配電中心,與鼓風(fēng)機(jī)房合建。廠區(qū)效果圖如圖1所示。

圖1 廠區(qū)效果圖

高壓配電裝置選用10 kV中置柜,10 kV配電系統(tǒng)采用放射式配電方式,接線方式為單母線分段,10 kV進(jìn)線柜和分段柜采用三合二的互鎖方式。正常運行時,主供電源供電,分段柜聯(lián)絡(luò)開關(guān)合上,備供電源進(jìn)線開關(guān)斷開;主供電源失壓時,備供電源投入。

低壓配電裝置選用MNS抽屜式低壓開關(guān)柜,低壓配電系統(tǒng)采用放射式配電方式,接線方式為單母線分段。從低壓配電中心饋出0.4 kV電源至各構(gòu)筑物,再由構(gòu)筑物各自的配電柜(箱)承擔(dān)構(gòu)筑物內(nèi)低壓設(shè)備用電。

依據(jù)GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》,該工程主要用電負(fù)荷為二級負(fù)荷,設(shè)計采用兩路10 kV電源供電,互為備用。經(jīng)計算,近期最大運行方式下380 V側(cè)計算負(fù)荷約為1 130 kVA(補償后),均按二級負(fù)荷考慮。

本文主要討論該污水廠變壓器選擇的相關(guān)內(nèi)容。

2 變壓器選擇要點

2.1 變壓器種類

配電變壓器分類方式眾多,應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用場景選擇合適的變壓器。

(1) 根據(jù)絕緣介質(zhì)不同,分為油浸式變壓器和干式變壓器;油浸式變壓器多應(yīng)用于室外,適用于濕悶熱地區(qū),冷卻及絕緣介質(zhì)是變壓器油。干式變壓器多應(yīng)用在綜合建筑內(nèi)(地下室、樓層中、樓頂?shù)?和人員密集場所,價格比油變貴,靠自然風(fēng)冷,大容量靠風(fēng)機(jī)冷卻。

(2) 根據(jù)調(diào)壓方式的不同,分為無勵磁調(diào)壓變壓器和有載調(diào)壓變壓器。在電壓偏差不能滿足要求時,35 kV及以上降壓變電所的主變壓器應(yīng)采用有載調(diào)壓變壓器。10(6) kV配電變壓器不宜采用有載調(diào)壓變壓器,但在當(dāng)?shù)?0(6) kV電源電壓偏差不能滿足要求,且用電單位有對電壓要求特別嚴(yán)格的設(shè)備,單獨設(shè)置調(diào)壓裝置在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上不合理時,也可采用10(6) kV有載調(diào)壓變壓器。

(3) 根據(jù)鐵芯材料不同,分為電工鋼帶變壓器(硅鋼片鐵芯變壓器)和非晶合金鐵芯變壓器;非晶合金鐵芯變壓器相比于硅鋼片鐵芯變壓器,空載損耗可下降60%～70%,是一種新型節(jié)能變壓器,但價格高于硅鋼片鐵芯變壓器。

(4) 根據(jù)能效等級不同,變壓器分為1級、2級、3級能效等級變壓器,1級能耗最低,3級最高[2]。

(5) 根據(jù)變壓器繞組絕緣等級不同,分為A、E、B、F、H級,性能參考溫度分別為A(80 ℃)、E(95 ℃)、B(100 ℃)、F(120 ℃)、H(145 ℃)。

2.2 變壓器選用

該工程為新建污水廠項目,對環(huán)境要求高,且有專用的變壓器室,故在室內(nèi)采用干式變壓器。并且10 kV供電點距離該變配電室較近,無需進(jìn)行有載調(diào)壓,采用無載調(diào)壓變壓器即可。

目前,污水廠內(nèi)采用的干式變壓器型號多為SCB13(環(huán)氧樹脂干式變壓器,鐵芯材料為冷軋硅鋼片)和SCBH15(環(huán)氧樹脂干式變壓器,鐵芯材料為非晶合金)[3],SCB13和SCBH15型號變壓器的空載損耗和負(fù)載損耗均應(yīng)滿足最新規(guī)范GB 20052—2020《電力變壓器能效限定值及能效等級》中3級能效等級的限值。下面以這兩種型號變壓器為例,進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性選擇計算。

3 變壓器年運行費用計算

3.1 計算前提

該場站負(fù)荷均為二級負(fù)荷,計算負(fù)荷約為1 130 kVA(補償后),變壓器型號搭配方案共有以下幾種:方案① 12×1 000 kVA(兩用);方案② 22×1 250 kVA(兩用);方案③ 32×1 250 kVA(一用一備);方案④ 42×1 600 kVA(兩用);方案⑤ 52×1 600 kVA(一用一備)。

其中方案①,當(dāng)一臺變壓器故障時,不能承擔(dān)全部二級負(fù)荷,不滿足規(guī)范要求,故不采用;方案③,單臺變壓器負(fù)荷率達(dá)到90.6%,負(fù)載率過大,會使變壓器損耗增加,并且長期運行會對變壓器造成損害,故不采用;方案④,若負(fù)荷平均分配,不考慮遠(yuǎn)期增加設(shè)備,則單臺變壓器的負(fù)荷率約為35%,效率過低,缺乏經(jīng)濟(jì)性。因此只需比較方案②和方案⑤。

因不同廠家所制造的變壓器品質(zhì)不同,故同型號變壓器的空載損耗和負(fù)載損耗也不相同,因此,本文計算采用的空載損耗和負(fù)載損耗依據(jù)規(guī)范GB 20052—2020中3級能效等級的限值。選定變壓器的耐熱等級為F(120 ℃),規(guī)范(GB 20052—2020)中,SCB13(電工鋼帶變壓器)損耗如表1所示,SCBH15(非晶合金變壓器)損耗如表2所示。

表1 SCB13(電工鋼帶變壓器)損耗

表2 SCBH15(非晶合金變壓器)損耗

3.2 計算過程

計算變壓器年運行費用應(yīng)采用兩部制電價,其中基本電費記取方式有兩種,包括按照最大需量計算基本電費和按照變壓器容量計算基本電費。

(1) 當(dāng)按照變壓器容量計算基本電費時,變壓器年運行費用為[2]

(1)

式中:Cn——變壓器年運行費用;

Hpy——變壓器年帶電小時數(shù);

KQ——無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量;

τ——最大負(fù)荷損耗時間;

β——負(fù)荷率;

Ee——企業(yè)支付的單位電量電費;

Ec——按變壓器容量收取的基本電費。

(2) 計算條件如下:

① 單位電量電費Ee按0.638元/kWh。

② 變壓器年帶電時間8 760 h。

(3) 因低壓側(cè)帶無功補償裝置,功率因數(shù)可以補償?shù)?.93,當(dāng)功率因數(shù)已補償?shù)?.9及以上時,無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量為0.04 kW/kvar。

(4) 給水排水行業(yè)中,最大負(fù)荷損耗時間為6 500 h。

(5) 變壓器容量基本電費按23元/kVA。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)計算,可得方案②和方案⑤年運行費用。SCB13年運行費用比較如表3所示。SCBH15年運行費用對比如表4所示。

表3 SCB13年運行費用比較

表4 SCBH15年運行費用對比

對照表3、表4可以看出,采用冷備用時,方案⑤年運行費用較方案②低,但采用冷備用運行方式,一臺變壓器出現(xiàn)故障,另外一臺不能立即運行,須向南方電網(wǎng)進(jìn)行報備,時間較長,可能造成環(huán)境污染問題;另外,采用SCBH15變壓器比SCB13變壓器年運行費用低,但前者購置費較高,增加的購置費可用節(jié)約運行費用來補償,若采用SCBH15,成本回收年限在8年左右,一般變壓器經(jīng)濟(jì)使用期按20年計算,增加的購置費用在回收期限年滿后,即為少支出的費用。

(2) 當(dāng)按照最大需量計算基本電費時,電網(wǎng)規(guī)定,兩路及以上的進(jìn)線用戶,需要對各路進(jìn)線分別計算最大需量,累加計收基本電費。因該項目10 kV進(jìn)線采用一主一備供電方式,正常運行時,主供電源供電,聯(lián)絡(luò)開關(guān)合上,備供電源進(jìn)線開關(guān)斷開;主供電源失壓時,備供電源自動投入。為保證安全運行,應(yīng)多計算一路電源的最大需量。最大需量收取的基本電費為32元/kWh,最大需量按1 000 kVA計算,則每年需多上交的電費為78 000元。

故當(dāng)項目中采用兩路進(jìn)線時,利用最大需量方法計算基本電費不夠經(jīng)濟(jì)。

4 配電變壓器綜合能效費用計算

依據(jù)規(guī)范DL/T 985—2012《配電變壓器能效及技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價導(dǎo)則》,當(dāng)按照變壓器容量計算基本電費時,非供電企業(yè)的變壓器綜合能效費用計算公式如下:

TOC=CI+AP0+BPk+12kpvEcSe

(2)

A=kpvEeHpy

(3)

B=EeτPL2kt

(4)

PL2=kpvβ2

(5)

式中: CI——設(shè)備初始費用;

A——變壓器空載損耗等效初始費用系數(shù);

B——變壓器負(fù)載損耗等效初始費用系數(shù);

kpv——貼現(xiàn)率為i的連續(xù)n年費用現(xiàn)值系數(shù);

Se——變壓器額定容量;

PL——變壓器經(jīng)濟(jì)使用期的年負(fù)載等效系數(shù);

kt——變壓器溫度校正系數(shù),通常取1.0。

SCB13綜合能效費用對比如表5所示。

SCBH15綜合能效費用對比如表6所示。

對比表5、表6可以看出,在同方案的情況下,SCBH15變壓器綜合能效費用比SCB13變壓器更低,更具經(jīng)濟(jì)性,與用年運行費用計算方法所計算結(jié)論相同。

表5 SCB13綜合能效費用對比

表6 SCBH15綜合能效費用對比

5 結(jié) 語

在污水廠配電變壓器設(shè)計過程中,應(yīng)充分考慮負(fù)荷等級、計算負(fù)荷、變壓器參數(shù)等計算條件。本文通過變壓器年費用計算和綜合能效費用計算兩種計算方法,驗證了采用新型節(jié)能變壓器SCBH15(非晶合金)在污水廠變壓器選型中的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢,該結(jié)論對其他設(shè)計人員具有一定的參考價值。