净水厂电气设计若干问题的探讨

摘 要：分析目前净水厂电气设计、施工及运营管理中存在的若干问题，从负荷特点分析及负荷计算、供电电源、变电所设置及变压器选择、高低压变配电系统、电机拖动、谐波治理、电气节能等方面进行讨论，给出各问题的解决方案，并在优化净水厂电气设计以及完善水厂功能方面给出了建议。

关键词：净水厂; 供配电; 负荷计算; 供电电源; 电机拖动; 谐波治理; 电气节能

中图分类号： TM714

文献标志码： B

文章编号： 1674-8417（2024）11-0039-06

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.11.008

0 引 言

伴随着我国经济的快速发展，人们生产生活中对更高标准饮用水的需求也在逐年提升。目前，我国最普遍、最成熟的净水厂工艺一般包含常规处理、排泥水处理及深度处理。其中，常规处理工艺为净水厂的基本单元。为降低排泥水对周围环境的影响，新建及改建水厂往往增加排泥水处理工艺。

净水厂的电气设计一般包含：负荷计算及负荷特点分析、供电电源及配电电压、变电所设置及变压器选择、高低压变配电系统、电机拖动与控制、谐波治理、计量与测量、电缆敷设、主要设备的选型、照明系统设计、防雷和接地保护设计、节能计算与分析、节能措施等几部分内容。

净水厂为地方最重要的基础设施之一，净水厂的安全可靠运行是城乡正常运转的基本保障，对地方的发展建设起到至关重要的作用。净水厂供配电系统的可靠性是保障水厂各工艺流程段内高低压用电设备有序运行，实现水厂功能的基础保障，是净水厂电气设计的首要任务。同时净水厂亦是当地的用电大户，如何在保障水厂供电连续性及可靠性的同时，节约投资、节能降耗，实现水厂整体供配电系统的经济性，是净水厂电气设计的基本目标。

本文结合净水厂的运营管理反馈，着重分析目前净水厂电气设计中存在的若干问题，在优化净水厂电气设计以及完善水厂功能方面给出了建议，具有一定的工程指导意义。

1 负荷特点分析及负荷计算

经调研各水厂运行负荷情况现状，特别是供电需量数据时，发现几乎所有未曾超产或扩容的水厂均存在变压器负载率低下的问题。水厂运维部门亦反馈，水厂存在设计运行容量与实际运行容量存在较大偏差的问题。

负荷计算是净水厂电气设计的基础。负荷计算的准确程度不仅影响工程的电气初投资，且直接影响建设单位的运行费用。如何在工程中降低负荷计算结果与水厂实际运行数据的偏差，既满足生产生活负荷需求，又防止过度设计，是工程设计中最考验设计经验及水平的环节。

1.1 新建净水厂

新建净水厂负荷计算方法较多采用需要系数法。随着水处理工艺的发展，净水厂工艺的复杂性及设备的多样性特征也越来越明显。现行的给水排水手册中需要系数数据已经无法覆盖各类工艺设备［1］。设计时还需结合建设单位的运维管理习惯以及水厂不同工艺流程段设备的运行特点，模拟不同运营方案下、不同工况时水厂运行的负荷曲线，特别是峰谷负荷，并适当调整水厂负荷计算书的同时系数，以期获得更接近生产实际的计算结果，更可从“削峰填谷”出发，辅助建设单位制定更合适的运营方案。

以采用臭氧-活性炭深度处理工艺净水厂为例。水厂主要用的负荷集中于取水泵房、滤池反冲洗泵房、提升泵房、二级泵房、污泥脱水车间、臭氧车间及氧气站、加药间、综合管理楼等。上述构筑物的负荷特点如下：取水泵房、二级泵房、提升泵房常用水泵电动机均为连续性负载，且均有1.1～1.5的日变化系数，此外，二级泵房水泵电动机又有1.1～2的时变化系数，既有季节性的负荷变化，又有日运行的峰谷负荷波动;滤池反冲洗泵房内鼓风机及反冲洗水泵电动机为间歇性运行负载，视滤池绿格数量及水厂运维习惯而定。加药间及臭氧车间主要用电设备日常连续运行且负荷变化较小;污泥脱水车间主要设备日常间歇运行，综合管理楼内除中控室、化验设备外，其余设备运行特点同民用办公楼。应尽量在供水低谷时段运行反冲洗设备及排泥水处理设备。

此外，在二级负荷计算中，仅需计入影响供水生产且无法通过生产运营方案调整避让供水高峰时段的负荷。比如，反冲洗设备、排泥水处理设备虽为重要的生产性负荷，但因可间歇运行，若可避让泵房的峰值负载，亦无须计入。

大容量、间歇性运行负载能否避让、如何避让泵房峰值负载是工艺设计与电气设计两个专业综合考量的结果。

1.2 净水厂增容改造

凡涉及负荷增容的净水厂改造项目，均应先行调研现状水厂运行历史上的峰值供电需量。负荷计算应以此数据为基值，叠加新增连续型负载，并根据历史运行负荷曲线，与水厂运维部门共同寻求在负荷低谷区段运行间歇性负载的方案。

2 供电电源

GB 55026—2022《城市给水工程项目规范》第2.2.19条规定了不同规模净水厂的用电负荷等级。非临时性净水厂的负荷一般按二级及以上设计［2］。

《工业与民用供配电设计手册》（第四版，简称《手册》）中给出了不同电压等级的送电能力。常用电压线路送电能力如表1所示。

《手册》数据可供日常学习参考。实际工程应用中，净水厂供电电源设计须综合考虑项目周边电网情况、不同电压等级电源供电距离、容量和电压降，以及当地供电部门对负荷容量对应供电电压等级要求。

10 kV网络是我国大多数地区的主流中压供电网络，我国20万t/d及以下规模净水厂多采用两路10 kV电源供电。随着我国城市建设的飞速发展，各地区城市10 kV电网的建设均也日益完善。现南网、国网均已逐渐放开10 kV电网的供电容量及供电距离限制。特别是南方电网，一路10 kV电源的运行容量限制已提至约8 000 kVA，此供电容量基本可以覆盖60万t级以下规模的常规+污泥+深度处理工艺水厂。

传统电气设计中，40万t/d以上大规模的净水厂往往采用35 kV电压等级供电。实际工程中亦可考虑采用3路10 kV的供电电源方案，具体应经技术经济比较后确定。某大型水厂供电电源方案比较（近期70万t/d，远期140万t/d）如表2所示。实际工程应用中相对于建设35 kV总降变电所方案，多路10 kV电源的供电方案往往更有优势。

净水厂工程的供电外线实施费用往往较高，且不停产增容改造的难度较大。对于有近远期工程分期且近远期时间间隔在20 a以内的净水厂工程，建议按终期规模申请电源。

需要注意的是，净水厂供配电设计的一级负荷有时与供电部门的负荷认定不同，具体应以当地供电部门地方文件要求为准。因此，工程设计前期需先至当地供电部门提交电源方案，并获取用电征询单，以降低后期变更风险。

3 变电所设置及变压器选择

3.1 变电所设置

净水厂内一般需设置1座中压配电所及若干座10/0.4 kV或6/0.4 kV变电所（以下简称低配中心）。低配中心的数量视水厂供水规模及处理工艺而定。

水厂中压配电所及低配中心一般与中、低压负荷中心所在构筑物合并设置。其中水厂的中压负荷中心一般位于取水泵房及二级泵房，低压负荷中心一般位于取水泵房、二级泵房、综合滤池或臭氧车间。上述构筑物中综合滤池内设备数量及种类繁多，但单机容量略小。其余构筑物内设备数量较少但单机容量较大。

水厂电气设计中，如遇不同构筑物间负荷容量差异较小，需选择其一合并设置低配中心。建议将低配中心设置于设备种类及数量较多的构筑物内。由此低配中心至其他负荷中心的配电，可采用集中供电或采用集中式与放射式相结合的配电系统结构。具体需进行技术及经济比较。

3.2 变压器选择

净水厂电气设计中相对准确的负荷计算结果是各级变电所内变压器容量选择的基础。此外，实际工程电气设计中还需综合考虑水厂运营单位的内部管理水平。

净水厂为重要的基础设施，水厂各级变电所一般各设置两台变压器，互为备用运行。任何一台变压器因故退出运行时，另一台变压器需承担故障检修期间的运行容量（以下简称事故保障容量），以确保水厂的生产供水规模。工程中事故保障容量往往最终决定了变压器的容量选择。

考虑净水厂工艺，设计中往往设置两根原水管线。单根原水管线的取水规模决定了工艺故障情况下的事故供水规模。因此电气设计的事故保障容量一般情况可以按照水厂工艺事故供水规模下的负荷容量设计，即满足对水厂二级负荷的100%事故保障率［1，4］。

现如今全国大部分地区的供电基本电费已调整为按实际需量收取。此类区域净水厂工程的变压器装机容量对水厂日常运行费用的影响也大幅降低。很多工程设计中水厂运营管理单位为提高水厂供水的连续性、减少变压器故障检修期间的运营调整，对供电事故保障容量的需求往往高于水厂工艺事故供水规模下的负荷容量。实际工程中越来越多的业主更愿意选择满足对水厂全部负荷的100%事故保障率的方案。

4 高低压变配电系统

净水厂电气设计中较为常见的是高低压配电系统采用双电源进线，单母线分段设联络断路器的主接线。两路进线与母联开关设置三锁两匙或两锁一匙电气及机械互锁。此系统接线供电可靠性较高。

4.1 高压配电系统

在高压外线电源侧采用上述主接线可降低水厂运维与供电部门的耦合度，水厂运维相对灵活。但工程初投资中的高可靠性供电容量保证费用较高。此外，对于供电基本电费计算方式尚未调整的地区，水厂日常运行的基本电费亦较高。建议对于网侧两端均设有高压电动机且供电事故保障率要求较高的水厂项目建议采用此种接线［2，4，5］。

而对于在高压外线电源侧仅设有厂变而无高压电动机直挂电网且水厂运维部门管理经验足够的水厂项目，则建议选择双电源进线，单母线分段不设联络断路器的主接线，在满足供电系统安全可靠的前提下提高工程的经济性。具体方案建议与建设单位深度对接后确定。

4.2 低压配电系统

处理工艺复杂、构筑物布局较为分散且负荷分配较为平均的水厂电气设计中，设计师往往需设置多个低配中心或加大电缆截面，以增加供电半径的选择。传统电气设计往往采用在同一低配中心内设置两台厂变，两台厂变之间互为备用的系统方案。

在实际工程设计中，对于设置多处低配中心且单一低配中心内供电事故保障容量不超过315 kW的情况，水厂的低压配电系统方案还有更多的选择性。在相邻低配中心各设置单台厂变（厂变容量可以不同）、单段母线，不同低配中心之间的两台厂变互为备用，两个低配中心低压系统间设置低压联络，共同形成一个更具经济性且安全可靠的双电源进线，单母线分段设联络断路器的主接线。

5 电机拖动

一般净水厂日常运行的流量变化较大，二级泵房内全部或部分水泵电动机须设置变频器调节转速来自动调节水量，以适应供水需求并达到节能效果。

净水厂一般不频繁起动电动机。根据《工业与民用供配电设计手册》（第四版）要求，单机容量不超过变压器装机容量85%的非频繁起动定速电动机可直接起动。工程实际应用中，相对大容量的定速水泵电动机往往设置软起动器以降低起动压降，减小电机起动过程对母线上其他设备的运行影响。

水泵电动机不同拖动方式比选方案如表3所示。

变频器和软起动器的设置不仅可降低母线压降，还可以有效降低水泵电动机起动过程对水泵出水管路及阀门的机械冲击，减小水锤效应，延长管路及阀门的使用寿命。

目前市场上，低压变频器的采购成本略高于低压软起动装置，但采购成本差距很小，鉴于设置，变频器对水泵电动机的日常水量调节更为有利，因此，建议对于净水厂内的大容量低压水泵电动机优先选择变频调速拖动方式。

6 谐波治理

净水厂的主要谐波源为变频器等非线性负载。目前，水厂电气设计中普遍采用在水厂各低配中心的低压侧设置有源滤波装置的谐波治理方案。工程设计中，很多电气设计师忽略了低压系统接线对有源滤波装置容量及利用率的影响。

当低配中心采用双电源进线，单母线分段设联络断路器的主接线时，特别是两路电源、一用一备运行时，合理设置低压母联柜的位置，可实现有源滤波装置的减半设置、提高有源滤波装置的利用率，达到降本增效的目的。本文建议的系统接线是将低压母联柜前置至本段无功补偿柜后，与其贴邻，并将引至另一段的联络母线接至其有源滤波柜内。

7 电气节能

传统的净水厂电气设计常采用的电气节能措施包括：① 设计安全可靠简洁合理的配电系统;② 选用节能型的电气设备;③ 引入光伏系统设计，自发自用。现行规范已明确规定新建建筑应安装太阳能光伏发电系统［6］。

现如今的净水厂电气节能设计需要打破传统。智慧水厂通过运用现代科学技术（物联网、云计算、大数据等）、整合信息资源、挖掘数据价值、统筹业务应用系统等方法和手段，已可实现运行、维护、调度和服务等各环节信息互通，令管理更加有序。智慧水厂实时运行的各类关键数据变得唾手可得。强大的后台处理系统更可将各种重要数据实时及历史分析结果直观地展现。为电气设计师及水厂运维人员制定节能降耗的控制策略提供了大量的数据基础，节能效果检验亦更方便。

以相对大容量二级泵房水泵电动机配置及运行控制为例。目前，存在两种节能配泵方案的争议。二级泵房水泵电动机配泵方案如表4所示。

如表4所示，似乎方案二更有优势。然而，实际工程应用中，相对大容量的定速水泵电机起动后往往仍需要软起动装置提供持续的低压保护。软起动装置的中旁路更多的是内置旁路，软起动装置在电机起动后仍需运行。定速水泵的设置也许并不能达到预期的节能效果，反而损失了水厂流量调节控制的灵活性。

在与水厂运维部门及智慧控制厂家深度对接某智慧水厂实际运行的能耗曲线时，发现二级泵房采用统一规格的变频水泵电动机，通过设定水量，调整各水泵电动机同频率运行时，由于管路阻力系数的改善，可达到至少10%的节能效果。显而易见，水泵运行节能量即便去除变频器的自身损耗仍是非常可观的。某水厂二级泵房水泵运行电耗曲线如图1所示。

由图1可知，泵房内水泵电动机异频运行时，频率差异越大则泵房的单位电耗越高。而水泵同频运行则可以较好地降低泵房电耗。

8 结 语

传统的电气设计方法仍然是现阶段净水厂电气设计的基础。净水厂电气设计成果是所有智慧配电技术应用的基石。得益于新能源技术的快速发展，光伏发电技术、储能技术等已逐渐在如今的净水厂电气设计中应用，净水厂的电气设计内容也变得更加丰富。电气设计师可以因地制宜，为业主提供更节能、更经济、更适应国家的发展方向的技术方案。

净水厂的高效、节能设计是整个设计团队全专业需要共同思考的问题。电气设计师不应局限于本专业的设计内容，更应熟练掌握水厂的工艺流程及各类生产设备的运行特点，并不断学习新的控制方法及控制理论。

［1］ 王江荣.给水排水设计手册（第三版）第8册 电气与自控［M］.北京：中国建筑工业出版社，2013.

［2］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.城市给水工程项目规范：GB 55026—2022［S］.北京.中国建筑工业出版社，2022.

［3］ 任元会.工业与民用配电设计手册（第四版）［M］.北京：中国电力出版社，2016.

［4］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.供配电系统设计规范：GB 50052—2009［S］.北京.中国计划出版社，2009.

［5］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑电气与智能化通用规范：GB 55024—2022［S］.北京.中国建筑工业出版社，2022.

［6］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑节能与可再生能源利用通用规范：GB 55015—2022［S］.北京.中国建筑工业出版社，2022.

Investigation on Electrical System Design of Water Purification Plants

Abstract：

Several issues in electrical system design for water purification plants，emerged during design，construction and operation management，are analyzed in this paper.And then，the solutions to the above-mentioned problems lie in load analysis and load calculation，power supply，electrical substation and transformer selection，high-voltage and low-voltage power distribution，motor drives，harmonic suppression，energy conservation measures are given.Furthermore，we present some suggestions for power supply and distribution system design optimization of water purification plants，and for their function extension.

Key words：

water purification plants; power supply and distribution; load calculation; power supply; motor drives; harmonic suppression; electrical energy conservation