地下污水处理厂电气特点和能效管理系统的实际应用

摘要：近年来,随着自然环境的改善，越来越多的城市开始建设地下污水厂。地下水厂将部分或所有处理构筑物置于地下箱体内，而厂区地上部分则做成了景观绿地或公园。这样不仅合利利用了土地,完善了基础设施,也是营造城市舒适环境的一个发展趋势。而地下污水厂的电气设计与地上不同，本文从供配电、防雷接地 、照明等方面阐述地下污水处理厂的特点，介绍了基于物联网技术能源管理解决方案来提高污水厂的安全稳定运行、节能降耗和高效运维。

关键词：地下污水厂；安全稳定；物联网；能源管理；高效运维；

近年来，随着自然环境的改善，越来越多的城市开始建设地下污水厂。地下水厂将部分或所有处理构筑物置于地下箱体内，而厂区地上部分则做成了景观绿地或公园。这样不仅合利利用了土地,完善了基础设施,也是营造城市舒适环境的一个发展趋势。而地下污水厂的电气设计与地上不同，本文从供配电、防雷接地 、照明等方面阐述地下污水处理厂设计的特点。污水厂设备要求供电可靠性，一般不允许停电，中断供电将造成重大的经济损失，因污水厂供电负荷等级为二级，应采用两路电源供电，同时为保证电源可靠性，备用一台柴油发电机，至少满足厂内应急通风换气、消防、应急照明等用电。地下式污水厂和地上厂相比，对配电系统的安全性、可靠性要求更高。例如，地下式污水厂采用速闭闸或速闭阀保证进水安全，若这些设备的供电出现问题，则可能突然停止进水，影响正常生产;也可能无法停止。

一、变配电室设置及供配电系统

1.变配电室布置

污水厂的主要大功率设备包括曝气风机、提升泵、污泥脱水以及干化成套设备等。变配电室应充分考虑工艺布局特点，靠近负荷中心，并且变压器供电半径不宜太大，同时考虑设备运输的方便，尽量靠近地下箱体通道布置。

2.供配电系统

污水厂负荷等级一般为二级，宜采用两回 10kV线路供电。10kV 配电系统采用单母线分段结线，放射式供电。各变压器均匀布置在10kV两段母线上。如有分变配室，分配电室10kV 宜采用线路变压器组方式，电源一般引自主变配电室，在分变配电室进线处设负荷开关作为变压器检修时的断开点。配电室0.4kV系统宜采用单母线分段方式。工艺设备中负荷重要的设备(重要工段的水泵、鼓风机等)和设备组(污泥脱水及干化系统 、加药系统等)均由变配电室 0.4kV系统放射式供电。小容量设备如刮泥机、电动闸门、排水泵等，采用动力配电箱及设备现场电控箱的两级配电方式，既保证了主要设备的供电可靠I生，又减少了电缆数量。

3.照明设计

地下箱体内设正常照明与应急照明装置。采用智能照明控制系统,可以对不同工况(无人值守、正常巡视 、检修、参观等)下不同的照度进行控制，把照明效率与节能发挥到较佳状态，提高管理水平。由于对地下箱体内的照度和可靠性要求高，并且潮湿环境对灯具及线路的影响较大，箱体大空间宜采用高效防水防腐的LED工矿灯，LED工矿灯均于金属线槽下安装,便于检修。消防控制室、防烟及排烟控制区域、中央控制室等场所应设置备用照明；疏散楼梯间、箱体内疏散通道等区域设置疏散照明及疏散指示标志灯。应急照明可在现场手动控制，也可由消防控制室控制,火灾时或因故失电时,应急照明应能强制点亮。厂区道路及景观区域照明以装饰庭院灯具为主，灯具形式于建筑物风格与厂区绿化环境相谐调，衬托出舒适、优美的气氛，满足人们对环境的美好愿望。

4.能耗分布

污水处理厂的能耗成本主要为电能、药物、燃料，其中电能消耗占有60~90%，我国污水二级处理电能消耗为0.19~0.36 kWh/m³，经过对城镇污水处理厂能耗状况及其影响因素进行分析，结果表明目前我国城市污水处理厂平均能耗为0.29kWh/m³，而美国污水处理厂平均能耗为0.2kWh/m³，日本为0.204~0.254kWh/m³。总体上看,我国在污水处理中的节能降耗、优化运营方面起步晚，还存在很大的节能降耗空间,而电能的消耗较大在污水提升泵、鼓风曝气和污泥处理环节，较高的能耗水平在一定程度上影响了污水处理的建设和发展。

二、地下环境对电气设计的其他影响

1..变配电室的防水、防潮及防腐设计

由于变配电室位于地下箱体负 1层,上部为地面景观绿化种植,为避免变配电室顶部滞水,变配电室顶部应适当高于周围顶面,并采用钢筋混凝土掺入高效抗裂防水剂的措施 ；变配电室内的墙面应采用防水涂料防水布等措施防渗水；变配电室内地面高于箱体负 1层底板，防止事故时污水进入变配电室。地下变配电室面临的另一个环境问题就是潮湿。为保证电气设备安全运行，本工程所有高压开关柜内均设温湿度控制装置,自动调节柜内温度及湿度；变配电室内还增设独立的除湿装置来改善变配电室内的环境湿度。地下污水厂还需要特别考虑腐蚀性气体对电气设备的腐蚀问题。因此，变配电室内采用独立的新风系统，保证变配电室内始终处于正压状态，以防止腐蚀陛气体侵入变配电室。

2.环境对电气设备的影响

全地下水厂因整个箱体是一个封闭空间，内部含有污水池体 、涉水管道及其内部的排水沟道等,整个箱体内比较潮湿,而且污水进水前端、好氧消化段、污泥处理段均会产生硫化氢等气体腐蚀电气设备，虽然箱体内设有机械通风及除臭装置,但通过对多个类似水厂的考察，未采取防潮防腐措施的电气设备被腐蚀较严重，给运行和维护带来了不便。因此,箱体内各单体上的配电柜(箱)宜采用不锈钢或聚碳酸酯材质,电缆桥架采用不锈钢桥架。相对湿度较大时也可在箱体内装设电热除湿装置。同时，箱体内散热较慢，选择低压电气设备类型时,有必要考虑降容使用。成套装置或配电柜内布置回路不宜太紧凑，尤其是有变频器的回路,以防散热不利。

三、能效管理解决方案--AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台

安科瑞电气具备从终端感知、边缘计算到能效管理平台的产品生态体系，AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台通过在污水厂源、网、荷、储、充的各个关键节点安装保护、监测、分析、治理装置，用于监测污水厂能耗总量和能耗强度，重点监测主要用能设备能效，保护污水厂运行安全可靠，提高污水厂能效，为污水处理的能效管理提供科学、精细的解决方案。

图1 AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台

1.保障供电可靠性

对污水厂配电系统中35kV、10kV电压等级配置微机保护装置及多功能仪表进行保护和监控，对0.4kV配置多功能计量仪表，用于监测各回路的电气参数和用能情况，可实时监控高低压供配电系统开关柜、变压器微机保护测控装置、发电机控制柜、ATS/STS、UPS，包括遥控、遥信、遥测、遥调、事故报警及记录等。

污水厂存在大量的非线性负载，通过监测其配电系统的谐波畸变、电压波动、闪变和容忍度指标分析其电能质量，并配置对应的电能质量治理措施进一步提高供电可靠性。

图2 AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台主接线图

2.建立能源计量体系

AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台通过搭建计量体系，采集污水处理厂能源数据，显示污水处理厂的能源流向和能源损耗，通过能源流向图帮助其分析能源消耗去向，找出能源消耗异常区域帮助其了解各工艺环节能源消耗量，并且可细化到楼层、车间、产线、班组、工序，计算产品单耗、单位面积能耗或万元产值能耗，从而计算出能耗总量和单位能耗。

图3 能源流向图

3.数据集抄并实时计量

AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台提供自定义时间抄表功能，可以在任意时间，任意地点，完成对企业的三级计量体系数据阅览，减少了人工投入。同时各类保护、仪表主动定时上传数据，保证了能源时效性，为其节能降耗，提供了基础数据支撑。

图4 数据集抄报表

4. 优化能源结构

AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台支持接入分布式光伏电站以及风力发电站，为企业提供分布式电站运行监测和发电日/月/年/累计收益和减排分析，支持自发自用、余电上网。在储能环节，平台接入BMS和PCS数据，支持充放电配置策略，并对电池管理系统提供实时预警，根据其负荷特点，削峰填谷，充分使用新能源，降低污水厂碳排放。

图5 分布式光伏电站监测运维

5. 提升主要用能设备能效

污水处理厂中有着大量的电机、水泵，其中污水提升泵和鼓风曝气能耗占据了工艺能耗中的大多数，平台针对这些工艺设备进行监测分析，工艺之间横向比较，寻找具调控潜力的用电设备、工艺单元，帮助用户发现其能效提升空间并提供解决方案，找到运行区域，显著降低能源消耗

图6 管网图和能效监测

6. 报警及时推送

平台提供能源报警功能，一旦发现跑冒滴漏，能源消耗异常，电参量异常等情况，能提供多种方式的报警，包括但不限于邮件、短信、钉钉推送等。

图7 报警记录与管理

7. 加强运维管理

加强巡视维护工作，及时发现或消除设备隐患，提高供电可靠性。配置重要设备包括变压器、电气柜、高压电缆、空调主机、水泵、鼓风机等设备信息，配置二维码，快速在移动端获取设备信息、设备维修历史记录以及解决问题的常用办法。

故障预判和快速诊断功能将以往出现问题再采取措施的被动检修维护政为主动出击、防患于未然的主动运维模式。既可以使运维管理工作更从容。还大大提高系统的安全性和可靠性。

图8 设备运维档案

8. 典型硬件

四、结语

地下污水厂的建设,本着安全可靠、经济合理 、运行管理的原则，通过合理运用能源管理平台，利用先进的大数据、云计算等互联网技术，能够提高污水厂的供电可靠性，找到节能降耗的实际方案，深入能耗分析，发掘节能潜力，为管理者提供准确化的管理手段，提高污水处理厂的能耗管理水平。

参考文献

[1] 董建明，孙展浅.谈地下污水处理厂电气设计的特点.公用工程设计.2018-O1.25

[2] 马培对城市污水处理厂能耗分析与节能降耗途径探讨[J].城市建设理论研究(电子版).2018年06期

[3] 安科瑞企业微电网设计应用手册.2020.06版

审核编辑 黄宇