摘 要：為了“雙碳”目標如期實現(xiàn)，作為主要碳排放來源之一的城鎮(zhèn)污水處理廠，其新建廠的低碳化電氣設(shè)計尤為重要。本文以皖北某市污水處理廠為例，詳細介紹了城鎮(zhèn)污水處理廠電氣設(shè)計過程中一些切實可行的低碳化具體做法，從廠區(qū)供配電系統(tǒng)設(shè)置著手，依據(jù)工藝需求，合理進行負荷計算以確定變壓器容量及運行方式，并根據(jù)計算值確定電能質(zhì)量的綜合治理措施；主要設(shè)備進行變頻調(diào)速控制，依據(jù)工藝工況的變化實時調(diào)整輸出功率。確保設(shè)備成熟可靠，兼顧工程投資，選用低耗能高功效的低碳化設(shè)備。以“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”的模式設(shè)置光伏發(fā)電系統(tǒng)，增加污水處理廠綠電的使用。

關(guān)鍵詞：污水處理廠；低碳化；供配電系統(tǒng)；低碳化設(shè)備

1 前言

根據(jù)中國建筑節(jié)能協(xié)會發(fā)布的報告數(shù)據(jù)[1]，2020年全國城鎮(zhèn)污水處理全過程碳排放總量為3416.0萬噸CO2-EQ。污水處理環(huán)節(jié)，按照工藝處理、設(shè)備能耗及運輸劃分，三大塊各占33.5%、63.3%、3.2%；污泥處理環(huán)節(jié)，三大塊各占73.1%、26.0%、0.9%，這說明合理管控設(shè)備能耗尤為重要。2022年6月，生態(tài)環(huán)境部等七部門聯(lián)合印發(fā)《減污降碳協(xié)同增效實施方案》，方案明確提出推進污水處理廠節(jié)能降耗；鼓勵污水處理廠采用高效低能耗設(shè)備；并在污水處理廠中推廣建設(shè)光伏發(fā)電設(shè)施。故新建城鎮(zhèn)污水處理廠的低碳化電氣設(shè)計已勢在必行。

本文依據(jù)有關(guān)低碳化電氣設(shè)計方法，以皖北某市污水處理廠的電氣設(shè)計為例，從合理設(shè)置廠區(qū)供配電系統(tǒng)、低碳設(shè)備選型及光伏發(fā)電應(yīng)用等方面，對污水處理廠低碳化電氣設(shè)計做了詳細闡述。

2供配電系統(tǒng)設(shè)置

2.1負荷計算及變壓器容量選擇

該污水處理廠用電設(shè)備均為低壓設(shè)備，電壓等級為0.4/0.23kV，污水處理單元共有380V電機189臺，單臺電機最大功率為170kW，裝機容量為2282.51kW；回用中水處理單元共有380V電機60臺，單臺電機最大功率為75kW，裝機容量為926.34kW。因此合理的負荷計算及變壓器選擇，對廠區(qū)供電的可靠性及運營經(jīng)濟性至關(guān)重要。工程采用需要系數(shù)法進行負荷計算，需要系數(shù)結(jié)合相關(guān)技術(shù)標準[2]、有關(guān)設(shè)計手冊[3]以及運行廠經(jīng)驗數(shù)據(jù)選取。主要工藝用電設(shè)備需要系數(shù)取值如下：進水提升泵和曝氣風機需要系數(shù)取值為0.85，生化池推流器等需要系數(shù)取值為0.8，深床濾池反洗風機及反洗水泵需要系數(shù)取值為0.5，超濾進水泵及供水泵需要系數(shù)取值為0.85，超濾反洗泵及清洗泵需要系數(shù)取值0.5。各變電所同時系數(shù)取0.9。負荷計算結(jié)果見表1。

根據(jù)負荷計算結(jié)果，結(jié)合負荷等級、負荷分布、線路壓降及運營管理等綜合因素，確定變電所選址方案。廠區(qū)新建一座10/0.4kV總變電所以及一座10/0.4kV回用中水分變電所?？傋冸娝鶅?nèi)設(shè)置2臺干式變壓器，容量均為1250kVA，一用一備，變壓器負荷率為77%；回用中水變電所內(nèi)設(shè)置2臺干式變壓器，容量均為630kVA，一用一備，變壓器負荷率為72%。保證供電可靠的前提下，做到變壓器經(jīng)濟運行。由于變電所靠近廠區(qū)負荷中心布置，減少了設(shè)備配電電纜的使用量，節(jié)省了電纜投資，同時還降低了線路的有功損耗，是污水處理廠低碳化電氣設(shè)計中重點關(guān)注的方法。

2.2電機的變頻調(diào)速控制

污水處理廠工藝設(shè)備主要為風機、水泵類，根據(jù)流體機械特性，風機、水泵的軸功率與轉(zhuǎn)速、風機風量、水泵流量的三次方成正比。由于工藝設(shè)計選型時，均是按照最大風量和風壓、最大流量和楊程確定電機額定功率，而實際運行工況往往和設(shè)計工況存在較大差別。通過變頻調(diào)節(jié)風機風量風壓、水泵流量揚程可以顯著降低耗能，節(jié)能效果明顯。

依據(jù)工藝設(shè)備配置情況，對本次工程中實際運行時間較長、流量楊程變化較大的進水提升泵（75kW）、曝氣風機（170kW）、中間提升軸流泵（30kW）、污泥回流泵（22kW）、污泥排放泵（11kW）、污泥循環(huán)泵（11kW）、混合液回流泵（7.5kW）、超濾進水泵（90kW）、供水泵（75kW）、超濾反洗泵（45kW）、超濾清洗泵（22kW）等均采用變頻調(diào)速控制。

2.3電能質(zhì)量治理

因工藝需要，污水處理廠不少設(shè)備均采用了變頻調(diào)速控制，以及廠區(qū)大量的LED燈具和變頻空調(diào)的使用，使得電氣系統(tǒng)中存在大量諧波電流。由于廠區(qū)自然功率因素約為0.8，供配電系統(tǒng)各環(huán)節(jié)均會有大量的電能損耗。工程的電能質(zhì)量治理主要集中在系統(tǒng)感性無功功率的補償和系統(tǒng)各次諧波的抑制。本次工程在廠區(qū)兩個變電所的0.4kV側(cè)設(shè)置動態(tài)無功補償裝置進行集中補償，補償后的母線處功率因數(shù)達到0.92以上。并于各變電所0.4kV側(cè)設(shè)置有源濾波裝置進行諧波抑制治理。以上治理措施不但直接降低了配電線路及變壓器的有功損耗，同時減少了供電線纜的截面和變壓器容量，節(jié)約了設(shè)備投資，還有效延長了廠區(qū)設(shè)備的使用壽命，是污水處理廠低碳化電氣設(shè)計有效且必要的措施之一。

3節(jié)能型設(shè)備選型

依據(jù)現(xiàn)行的節(jié)能通用規(guī)范[4]要求，電力變壓器、電動機、交流接觸器和照明燈具的能效水平應(yīng)高于能效限定值或能效等級三級的要求。風機、水泵選型時，風機效率應(yīng)不低于現(xiàn)行標準GB19761中規(guī)定的風機二級能效。水泵效率應(yīng)不低于現(xiàn)行標準GB19762中規(guī)定的節(jié)能評價值。

3.1電力變壓器

變壓器是電氣系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，變壓器的空載損耗及負載損耗是其主要損耗。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，變壓器損耗占輸配電系統(tǒng)總損耗的40%左右，節(jié)能潛力巨大。2020年工信部等三部門發(fā)布的《變壓器能效提升計劃（2021-2023年）》，明確提出了加大推廣高效、節(jié)能型變壓器的力度，著力提升能源、資源的利用效率。

根據(jù)現(xiàn)行電力變壓器能效規(guī)范[5]的要求，滿足2級能效的干式變壓器型號應(yīng)為SCB14型及以上，非晶合金變壓器應(yīng)為SCBH17型及以上?？山Y(jié)合工程投資，變壓器投運時間等因素綜合考慮確定。

3.2電機及交流接觸器

和工藝專業(yè)一起，對于風機、水泵配套用電機，選用三級能效及以上的高效節(jié)能電機。不選用國家已經(jīng)明確淘汰的Y/YB等系列的電動機。設(shè)計時應(yīng)明確電動機的效率和能效等能達到現(xiàn)行電機能效標準[6]。

交流接觸器的能效等級判定與接觸器工作工程中的吸持功率息息相關(guān)，接觸器的吸持功率即維持吸合狀態(tài)下，接觸器本身所消耗的視在功率。設(shè)計選擇交流接觸器時，應(yīng)明確接觸器的吸持功率及等效等級要求。

3.3照明燈具

廠區(qū)道路照明燈具及生產(chǎn)照明燈具均選用高效、節(jié)能的LED燈具光源。照明系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)明確燈具發(fā)光效率、燈具能效指標等滿足節(jié)能通用規(guī)范[4]要求。

4光伏發(fā)電系統(tǒng)

污水處理廠本身是高耗能場所，但同時有著占地面積大的特點，是較為理想的光伏發(fā)電應(yīng)用場所。該廠區(qū)中心地理位置約為北緯33.774°，東經(jīng)115.85°，所在地年總輻射量為4822.56MJ/m2（1339.6kWh/m2），根據(jù)GB/T37526-2019中有關(guān)太陽能資源豐富程度的評估方法，該污水處理廠的太陽能資源豐富程度屬于Ⅲ類區(qū)，也即“資源豐富區(qū)”。本次工程利用廠區(qū)內(nèi)改良AAO生化池、高效沉淀池、反硝化深床濾池、水解酸化池、二沉池、清水池、膜車間屋面及車棚等設(shè)置光伏發(fā)電系統(tǒng)，總占地面積約為1.17萬m3。光伏組件選用545Wp單晶硅高效組件，共安裝2312塊。逆變器選用2臺40kW組串式逆變器，1臺50kW組串式逆變器，1臺60kW組串式逆變器，8臺100kW組串式逆變器。組件采用池頂支架安裝方式或者混凝土+支架安裝方式，安裝傾角為5°；采用地面混凝土+支架安裝方式，安裝傾角為27°；車棚一體化太陽能電站，安裝傾角為5°，統(tǒng)一朝南布置。一個組串由14～18塊組件串聯(lián)組成，地面及屋面組件采用豎向雙排布置，柔性支架組件采用單排布置，車棚光伏采用三排布置。

該污水處理廠的光伏發(fā)電站采用“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”的發(fā)電模式，總裝機容量為1260.04kWp，分兩期實施，其中本次工程（一期工程）裝設(shè)594塊545Wp單晶硅太陽能電池組件，安裝容量為323.73kWp。另根據(jù)國家電網(wǎng)公司[2013]1781號文件以及相關(guān)規(guī)程規(guī)范，結(jié)合廠區(qū)的用電量情況，采用0.4kV電壓等級并網(wǎng)，接入方案參照XGF380-Z-2方案，見圖1。設(shè)4個并網(wǎng)點，并網(wǎng)點接入情況見表2。根據(jù)相關(guān)計算，本次工程（一期工程）完工后，該污水處理廠光伏發(fā)電站年均發(fā)電量為34.06萬kWh。

5結(jié)論

“雙碳”背景下，低碳化已經(jīng)是市政行業(yè)設(shè)計時必須考慮的重要因素。在電氣設(shè)計過程中，應(yīng)在滿足安全、可靠的前提下，統(tǒng)籌考慮工程建設(shè)、工程投資、工程運維等多角度要求，合理確定工程的低碳化設(shè)計方案。皖北某市污水處理廠的低碳化電氣設(shè)計正是基于這一原則進行的，在廠區(qū)整個供配電系統(tǒng)設(shè)置時，就應(yīng)盡可能地降低配電各環(huán)節(jié)中的電能損耗；在設(shè)備選型時，優(yōu)先選用低能耗高效能的產(chǎn)品；同時根據(jù)污水處理廠的高耗能、占地面積大的特點，設(shè)置了光伏發(fā)電系統(tǒng)，讓綠電走進污水處理廠，讓環(huán)保事業(yè)更加環(huán)保。

參考文獻

[1]中國建筑節(jié)能協(xié)會建筑能耗與碳排放數(shù)據(jù)委員會.2022中國城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放研究報告[R].重慶.2022.

[2]上海市城市建設(shè)設(shè)計研究院. CJJ120-2018城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)電氣與自動化工程技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[3]中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司.給排水設(shè)計手冊第8冊電氣與自控-第三版[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[4]GB55015-2021，建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范[S].

[5]GB20052-2020，電力變壓器能效限定值及能效等級[S].

[6]GB18613-2020，電動機能效限定及能效等級[S].