“双碳”目标下城镇污水处理厂低碳化电气设计

根据中国建筑节能协会发布的报告数据[1]，2020年全国城镇污水处理全过程碳排放总量为3416.0万吨CO 2-EQ。

污水处理环节，按照工艺处理、设备能耗及运输划分，三大块各占33.5%、63.3%、3.2%；污泥处理环节，三大块各占73.1%、26.0%、0.9%，这说明合理管控设备能耗尤为重要。

2022年6月，生态环境部等七部门联合印发《
减污降碳协同增效实施方案》
，方案明确提出推进污水处理厂节能降耗；鼓励污水处理厂采用高效低能耗设备；
并在污水处理厂中推广建设光伏发电设施。

故新建
城镇污水处理厂的低碳化电气设计已势在必行。

本文依据有关低碳化电气设计方法，
以皖北某市污
水处理厂的电气设计为例，从合理设置厂区供配电系统、
低碳设备选型及光伏发电应用等方面，对污水处理
厂低碳化电气设计做了详细阐述。

该污水处理厂用电设备均为低压设备，
电压等级为0.4/0.23kV，污水处理单元共有380V 电机189台，单台电
机最大功率为170kW，装机容量为2282.51kW；回用中水
处理单元共有380V 电机60台，单台电机最大功率为75kW，装机容量为926.34kW。

因此合理的负荷计算及变压器选择，对厂区供电的可靠性及运营经济性至关重要。

工程采用需要系数法进行负荷计算，
需要系数结合相关技术标准[2]、有关设计手册[3]以及运行厂经验数据选取。

主要工艺用电设备需要系数取值如下：
进水提升泵和曝气风机需要系数取值为0.85，生化池推流器等需要系数取值为0.8，深床滤池反洗风机及反洗水泵需要系数取值为0.5，超滤进水泵及供水泵需要系数取值为0.85，超滤反洗泵及清洗泵需要系数取值0.5。

各变电所同时系数取0.9。

负荷计算结果见表1。

根据负荷计算结果，结合负荷等级、负荷分布、线路压降及运营管理等综合因素，确定变电所选址方案。

厂区新建一座10/0.4kV 总变电所以及一座10/0.4kV 回用中水分变电所。

总变电所内设置2台干式变压器，容量均为1250kVA，一用一备，变压器负荷率为77%；回用中水变电所内设置
2台干式变压器，
容量均为630kVA，
一
用一备，变压器负荷率为72%。

保证供电可靠的前提下，
做到变压器经济运行。

由于变电所靠近厂区负荷中心布
李旭升,庞晓宇
(中节能国祯环保科技股份有限公司,合肥230000)
“双碳”目标如期实现,作为主要碳排放来源之一的城镇污水处理厂,其新建厂的低碳化电气设计尤为重要。

本文以皖北某市污水处理厂为例,详细介绍了城镇污水处理厂电气设计过程中一些切实可行的低碳化具体做法,从厂区供配电系统设置着手,依据工艺需求,合理进行负荷计算以确定变压器容量及运行方式,并根据计算值确定电能质量的综合治理措施;主要设备进行变频调速控制,依据工艺工况的变化实时调整输出功率。

确保设备成熟可靠,兼顾工程投资,选用低耗能高功效的低碳化设备。

以“自发自
用,余电上网”的模式设置光伏发电系统,增加污水处理厂绿电的使用。

;低碳化;供配电系统;低碳化设备
常用设备功率/kW
备用设备功率/kW
有功功率/kW 无功功率/kvar
视在功率/kVA
污水单元1630.36652.15883.04370.71957.70回用中水处单元
648.24278.1422.26161.13451.96合计
2278.6
930.25
1305.30
531.84
1409.49
表1该污水处理厂0.4kV 负荷计算表
节能与环保
Energy Saving &Environmental Protection
置，减少了设备配电电缆的使用量，节省了电缆投资，同时还降低了线路的有功损耗，
是污水处理厂低碳化电气
设计中重点关注的方法。

污水处理厂工艺设备主要为风机、
水泵类，根据流体机械特性，风机、水泵的轴功率与转速、风机风量、水泵流量的三次方成正比。

由于工艺设计选型时，均是按照最大风量和风压、最大流量和杨程确定电机额定功率，而实际运行工况往往和设计工况存在较大差别。

通过变频调节风机风量风压、水泵流量扬程可以显著降低耗能，
节能效果明显。

依据工艺设备配置情况，对本次工程中实际运行时间较长、流量杨程变化较大的进水提升泵（75kW ）、曝气风机（170kW ）、中间提升轴流泵（30kW ）、污泥回流泵（22kW ）、污泥排放泵（11kW ）、污泥循环泵（11kW ）、混合液回流泵（7.5kW ）、超滤进水泵（90kW ）、供水泵（75kW ）、超滤反洗泵（45kW ）、超滤清洗泵（22kW ）
等均采用变频
调速控制。

因工艺需要，污水处理厂不少设备均采用了变频调速控制，以及厂区大量的LED 灯具和变频空调的使用，使得电气系统中存在大量谐波电流。

由于厂区自然功率因素约为0.8，供配电系统各环节均会有大量的电能损耗。

工程的电能质量治理主要集中在系统感性无功功率的补偿和系统各次谐波的抑制。

本次工程在厂区两个变电所的0.4kV 侧设置动态无功补偿装置进行集中补偿，补偿后的母线处功率因数达到0.92以上。

并于各变电所0.4kV 侧设置有源滤波装置进行谐波抑制治理。

以上治理措施不但直接降低了配电线路及变压器的有功损耗，
同时减少了供电线缆的截面和变压器容量，节约了设备
投资，还有效延长了厂区设备的使用寿命，是污水处理
厂低碳化电气设计有效且必要的措施之一。

依据现行的节能通用规范[4]
要求，电力变压器、
电动机、交流接触器和照明灯具的能效水平应高于能效限定值或能效等级三级的要求。

风机、水泵选型时，风机效率应不低于现行标准GB19761中规定的风机二级能效。

水泵效率应不低于现行标准
GB19762
中规定的节能评价值。

变压器是电气系统中的关键设备，
变压器的空载损耗及负载损耗是其主要损耗。

根据有关数据，
变压器损耗占输配电系统总损耗的40%左右，节能潜力巨大。

2020年工信部等三部门发布的《变压器能效提升计划（2021-2023年）》，明确提出了加大推广高效、节能型变压器的力度，着力提升能源、
资源的利用效率。

根据现行电力变压器能效规范[5]的要求，满足2级能效的干式变压器型号应为SCB14型及以上，非晶合金变压器应为SCBH17型及以上。

可结合工程投资，变压器
投运时间等因素综合考虑确定。

和工艺专业一起，对于风机、水泵配套用电机，选用三级能效及以上的高效节能电机。

不选用国家已经明确淘汰的Y/YB 等系列的电动机。

设计时应明确电动机的效率和能效等能达到现行电机能效标准[6]。

交流接触器的能效等级判定与接触器工作工程中的吸持功率息息相关，接触器的吸持功率即维持吸合状态下，接触器本身所消耗的视在功率。

设计选择交流接触器时，
应明确接触器的吸持功率及等效等级要求。

厂区道路照明灯具及生产照明灯具均选用高效、
节能的LED
灯具光源。

照明系统设计时应明确灯具发光效率、灯具能效指标等满足节能通用规范[4]
要求。

污水处理厂本身是高耗能场所，但同时有着占地面积大的特点，是较为理想的光伏发电应用场所。

该厂区中心地理位置约为北纬33.774°，东经115.85°，所在地年总辐射量为4822.56MJ/m 2（1339.6kWh/m 2），根据GB/T37526-2019中有关太阳能资源丰富程度的评估方法，该污水处理厂的太阳能资源丰富程度属于Ⅲ类区，也即“资源丰富区”。

本次工程利用厂区内改良AAO 生化池、高效沉淀池、反硝化深床滤池、水解酸化池、二沉池、清水池、膜车间屋面及车棚等设置光伏发电系统，总占地面积约为1.17万m 3。

光伏组件选用545Wp 单晶硅高效组件，共安装2312块。

逆变器选用2台40kW 组串式逆变器，1台50kW 组串式逆变器，1台60kW 组串式逆变器，8台100kW 组串式逆变器。

组件采用池顶支架安装方式或者混凝土+支架安装方式，安装倾角为5°；采用地面混凝土+支架安装方式，安装倾角为27°；车棚一体化太阳能电站，安装倾角为5°，统一朝南布置。

一个组串由14～18块组件串联组成，地面及屋面组件采用竖向双排布置，柔性支架组件采用单排布置，车棚光伏采用三排布置。

该污水处理厂的光伏发电站采用
“自发自用，余电
上网”的发电模式，总装机容量为1260.04kWp，分两期实施，其中本次工程（一期工程）装设594块545Wp 单晶硅太阳能电池组件，安装容量为323.73kWp。

另根据国家电网公司[2013]1781号文件以及相关规程规范，结合厂区的用电量情况，
采用0.4kV 电压等级并网，接入方案参照XGF380-Z-2方案，见图1。

设
4个并网点，并网点接入情
况见表2。

根据相关计算，本次工程（一期工程）完工后，该污水处理厂光伏发电站年均发电量为34.06万kWh。

“双碳”背景下，低碳化已经是市政行业设计时必须考虑的重要因素。

在电气设计过程中，应在满足安全、可靠的前提下，统筹考虑工程建设、工程投资、工程运维等多角度要求，合理确定工程的低碳化设计方案。

皖北某市污水处理厂的低碳化电气设计正是基于这一原则进行的，在厂区整个供配电系统设置时，就应尽可能地降低配电各环节中的电能损耗；
在设备选型时，
优先选用低能耗高效能的产品；同时根据污水处理厂的高耗能、占地面积大的特点，设置了光伏发电系统，让绿电走进污水处理厂，让环保事业更加环保。

[1]中国建筑节能协会建筑能耗与碳排放数据委员会.2022中国
城镇污水处理厂碳排放研究报告[R].重庆.2022.
[2]上海市城市建设设计研究院.CJJ120-2018城镇排水系统电气
与自动化工程技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，
2008.[3]中国市政工程中南设计研究总院有限公司.给排水设计手册第8册电气与自控-第三版[M].北京：中国建筑工业出版社,2013.
[4]GB55015-2021,建筑节能与可再生能源利用通用规范[S].[5]GB20052-2020,电力变压器能效限定值及能效等级[S].[6]GB18613-2020,电动机能效限定及能效等级[S].
图1该污水处理厂光伏电站接入方式示意
建设期单体名称单体面积/㎡安装组件数/块装机容量/kWp
逆变器/kW 并网点
二期水解酸化池3281.76864470.883台100kW、1台60kW 1#并网点(1250kVA 变压器)二期高效沉淀池、反硝化深床滤池1846.77350190.751台100kW、1台50kW
2#并网点(630kVA 变压器)二期改良AAO 生化
池2865.46504274.682台100kW 1#并网点(1250kVA 变压器)一期二沉池237.159049.051台40kW 2#并网点(630kVA 变压器)一期膜车间2303.31198107.911台100kW 2#并网点(630kVA 变压器)一期清水池944.99216117.721台100kW 2#并网点(630kVA 变压器)一期
车棚237.579049.051台40kW
2#并网点(630kVA 变压器)
合计
11717
2312
1206.06
表2
该污水处理厂各单体装机规模和主要设备配置表。