地埋式污水处理厂智能配电系统的应用

林 辉

(广州市市政工程设计研究总院有限公司，广州 510060)

0 引言

作为市政和环保工作的重要组成部分——污水处理厂在改善城市生态环境、节约水资源、提高居民生活质量方面发挥了巨大的作用。 但传统的地面污水处理厂由于自身的特殊性，在净化污水的同时，又成为新的污染源，对周边环境造成不同程度的污染，主要表现在恶臭、噪声等方面。 地上污水处理厂对周边环境的污染，不仅影响了居民的正常生活，而且在一定程度上制约了周边地区的经济发展，对商业、房地产、服务业的影响尤其明显。 此外，地上式污水处理厂占用大量宝贵的土地资源。为此，设计师提出了上部空间可利用于绿化、公园等公共事业或用于商业开发，地下部分设污水处理厂的方案，最大限度提高了土地利用价值。

地埋式污水处理厂除了占地空间少、构建筑物紧凑外，还具有污染少、对环境影响小的优点，故而近年来在国内各大城市纷纷推广。 但同时也因为空间紧凑、厂房设置于地下，故而比寻常的污水处理厂需要设置更多的设备，除了普通污水处理厂的工艺设备外，需额外设置地下运营辅助设备(如通风设备、除臭设备等)。 单位面积的设备数量更多，负荷等级要求更高，还要考虑到消防疏散等，这也对电气设备运行的安全性和稳定性提出更高要求，因此，一套稳定可靠的智能配电系统是地埋式配电的重点，不仅能够保障工艺流程的正常运行，还可为污水处理厂维护运营提供不可或缺的帮助，实现运营管理的智能化、数字化，提高整个地埋式污水处理厂的能效管理。 本文就地埋式污水处理厂智能配电系统阐述一些个人的思考和心得，以供参考。

1 项目概况和负荷情况

某地埋式污水处理厂规模为10 万m3/天。 采用膜生物反应器(MBR)工艺，处理构筑物采用全地下组团布局；配套污泥处理、臭气处理等。 地面建设景观公园。 出水须满足GB 18918－2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级A 标准及GB 3838－2002《地表水环境质量标准》V 类标准较严值的要求。

污水处理厂主要用电负荷在鼓风机房、预处理、MBR 膜池、生化池，污泥干化系统、通风系统及中控管理区等。 最大单机容量设备为鼓风机房离心风机电动机，额定电压10kV，其余为低压380V设备。

依据CJJ 120－2018《排水系统电气与自动化工程技术标准》，本地埋污水处理厂负荷等级划分如下。 (1)一级负荷:包括应急排水泵井、自控系统电源、消防负荷等。 由于本污水处理厂为全地埋式污水处理厂，当中断电源时，有可能导致污水处理厂被水淹和火灾等情况，故而一级负荷中应急排水泵井，消防负荷如消防风机、火灾自动报警系统和应急疏散系统用电为一级负荷中特别重要负荷。 (2)二级负荷:包括工艺流程中的所有需要不间断运行设备负荷，如鼓风机房、预处理、MBR 膜池、生化池。(3)三级负荷:电源中断不影响生产的厂房部分辅助设备负荷，如地面照明等。

2 地埋式污水处理厂配电结构

2.1 电气主接线

由表1(负荷计算表)可见，污水处理厂主要负荷为二级负荷，依据GB 50052－2009《供配电系统设计规范》、CJJ 120－2008《排水系统电气与自动化工程技术标准》要求二级负荷供电系统宜采用两回线路供电，每回线路应能满足所有的一级和二级负荷。 故而本项目地埋式污水处理厂由市政引来两回10kV 线路电源至污水处理厂配电中心，进户经过计量分配后送至各10kV/0.4kV 变电所。 两回线路同时使用，互为备用，当一回电源损坏时，另一回电源能满足所有一级和二级负荷。

本项目采用两台变压器加柴油发电机组供电，主接线方案见图1。 在平时两变压器同时供电，母联断路器打开，两段低压母线分列运行，其中应急母线由一段低压母线供电；当其中一段母线失电时，合上母联断路器，为两段母线供电；当两段母线均失电，则由发电机给应急母线供电。 发电机与两台变压器出口断路器闭锁防止发电机上网运行。

图1 主接线方案

2.2 负荷计算及变压器选择

负荷计算及变压器选择 表1

本项目总装机容量为6 555kW，计算负荷为4 526kW，视在功率为5 175kVA，其中，380V 设备计算负荷有功功率为2 636.21kW， 视在功率为2 823.6kVA。10kV 设备计算负荷有功功率为1 890kW， 视在功率为2 052kVA。

本项目选择两台变压器，每台变压器容量为2 500kVA，变压器容量选择依据如下。

(1)变压器是一种电压电能转变为另一种电压电能的电气设备，在能量转换过程中产生了铜耗铁损，致使输出功率小于输入功率，选择变压器时应考虑经济运行，使其负载运行在效率的最高点。 变压器的铜耗铁损主要是线圈的直流电阻引起的损耗(随着电流变大而变大)，铁损是变压器铁心中的磁滞损耗和涡流损耗(基本不变)，根据变压器性质，在空载的时候，变压器效率最低，随着变压器负载增加，效率也增加，当超过某一负载，效率反而下降，这样在效率曲线上出现了最高效率点(见图2)。当变压器的可变损耗与不可变数损耗相等时，效率达到最大值。

图2 变压器的效率特性

一般变压器最大效率发生在负荷率0.5 ～0.6范围内，本项目变压器负荷率为0.56，是变压器经济运行点。

(2)根据GB 51348－2019《民用建筑电气设计

标准》要求，当有一级和二级负荷时，宜装设两台及以上变压器，当一台变压器停运时，其余变压器容量应满足一级和二级负荷用电要求。 由于本项目一、二级负荷占比较大，在选择变压器的时候需要考虑到一台变压器应满足一级和二级负荷用电要求的情况，根据表1 负荷计算，在故障情况下，本项目一级和二级负荷为2 232.6kW，故本项目选取两台2 500kVA 符合变压器经济运行和规范要求。

2.3 分区配电中心布置

大型污水处理厂都是面积上万平方米大体量单体，大量的工艺设备按工艺流程设置，设备设置位置广，导致设备布置需要大量敷设空间，但由于污水处理厂设置在地下，无大量位置供设电缆沟，故而需要提前规划配电路由，科学布局。

(1)分区域设分配电中心:在相近的工程流程处设分配电中心，做到本区域的配电由本配电中心解决，配电线路不跨区，减少配电出线的交叉。

(2)设置电气管线走廊:结合建筑平面分配电中心的位置，利用建筑的交通通道和工艺管线预留通道，留出电气管线走线位置。 电气平面如图3 所示。

图3 地埋式污水处理厂电气平面

(3)建筑楼板墙体预埋敷设管线:在土建施工伊始，采用电气管线沿楼板或墙体敷设，预留套管供管线引入。

3 地埋式污水处理厂智能配电系统

智能配电系统是在传统配电系统基础上，运用人工智能、大数据、云计算、物联网、通讯等技术实现配电系统的测量、保护、控制、预测、运维管理等功能，是一个创新型的能效管理系统。

地埋式污水处理厂设备众多，工艺流程要求连续不间断运作，这就要求其配电系统智慧化、精细化、程序化运维管理，构建地埋式污水处理厂的智能配电系统对污水处理厂运营管理就显得越来越重要了。

3.1 智能配电系统作用

地埋式污水处理厂智能配电系统作用包括如下内容。

(1)监控生产运营状态。 智能配电系统实时监测和收集各电气设备的电流、电压、能耗、功率因数、电能等各项电量参数，实施管理配电系统运行情况。

(2)构建配电系统数字模型，生成各类型电气管理报告。 智能配电系统能生成各时间段配电报告、电能质量报告、各回路及各工艺设备能耗报告，优化工艺设备运行管理。

(3)设备维护管理。 智能配电系统监控电气设备运行情况，对设备故障分析，做到对设备故障的预警和前处理。 通过收集数字化的运行数据，结合数字模型，并对模型不断进行数据迭代，动态模拟出设备运行状态，合理分析电气设备的使用情况，预测其运行可靠性，科学指导实际维护管理(如安排设备大小修维护时间和频率)，消除设备故障隐患，保证污水处理厂正常稳定运行。

(4)数字化电气资产，优化资产管理。 智能配电系统能监测到电气设备资产状态，管理电气设备全生命周期。 合理安排设备及其备品备件采购安装，科学资产管理。

3.2 地埋式污水处理厂智能配电系统结构

地埋式污水处理厂智能配电系统也分为三层:管理层、控制层、和现场设备层。 配电系统结构如图4 所示。

图4 智能配电系统结构

管理层:智能配电系统数字化应用平台。 在云端或本地管理服务器/计算机上设置的数字化智能配电系统(其中包括配电管理系统和电力监控系统)，实现对地埋式污水处理厂的电气设备的远程监管和控制；构建全厂电气设备数字模型，对现场数据一对一的响应，并形成报表结论。 同时也对数据进行分析迭代，动态模拟出所监控设备的运行状态。

控制层:构建管理层和现场设备层数据交换的数据通道。 通过设数据交换机或智能网关架构连接现场的智能设备，向上收集获取数据，上传道管理层；向下实现对现场设备的就地监视和控制。

现场设备层:底层物联网的各类智能元器件，如开关的综合继保、智能断路器、智能仪表等，主要负责电气设备的数据采集、传输和控制。

4 结束语

随着项目竣工运营，地埋式污水处理厂智能配电系统也投入了实际运营，在污水处理厂能效管理、电能管理、设备管理等方面都取得不俗的成绩。根据现场反应，污水处理厂的管理人员能在智能配电系统的帮助下精细化管理工艺流程，较之前减少了30%无效管理操作，合理安排了设备工作时间和实效，节约了约35%的电能，不仅保证了设备安全稳定的运行，同时也节约了劳动力，减少了工作强度和工作时间。 随着运营的时间不断增加，智能配电系统所收集的数据越来越多，通过构建模型不断地迭代，可为业主管理提供越来越多的实用决策参考，也为越来越多的地埋式污水处理厂建设和运营提供了示范作用。