摘要：近年來,隨著自然環境的改善，越來越多的城市開始建設地下污水廠。地下水廠將部分或所有處理構筑物置于地下箱體內，而廠區地上部分則做成了景觀綠地或公園。這樣不僅合利利用了土地,完善了基礎設施,也是營造城市舒適環境的一個發展趨勢。而地下污水廠的電氣設計與地上不同，本文從供配電、防雷接地 、照明等方面闡述地下污水處理廠的特點，介紹了基于物聯網技術能源管理解決方案來提高污水廠的安全穩定運行、節能降耗和高效運維。
關鍵詞：地下污水廠；安全穩定；物聯網；能源管理；高效運維；
近年來，隨著自然環境的改善，越來越多的城市開始建設地下污水廠。地下水廠將部分或所有處理構筑物置于地下箱體內，而廠區地上部分則做成了景觀綠地或公園。這樣不僅合利利用了土地,完善了基礎設施,也是營造城市舒適環境的一個發展趨勢。而地下污水廠的電氣設計與地上不同，本文從供配電、防雷接地 、照明等方面闡述地下污水處理廠設計的特點。污水廠設備要求供電可靠性，一般不允許停電，中斷供電將造成重大的經濟損失，因污水廠供電負荷等級為二級，應采用兩路電源供電，同時為保證電源可靠性，備用一臺柴油發電機，至少滿足廠內應急通風換氣、消防、應急照明等用電。地下式污水廠和地上廠相比，對配電系統的安全性、可靠性要求更高。例如，地下式污水廠采用速閉閘或速閉閥保證進水安全，若這些設備的供電出現問題，則可能突然停止進水，影響正常生產;也可能無法停止。
一、變配電室設置及供配電系統
1.變配電室布置
污水廠的主要大功率設備包括曝氣風機、提升泵、污泥脫水以及干化成套設備等。變配電室應充分考慮工藝布局特點，靠近負荷中心，并且變壓器供電半徑不宜太大，同時考慮設備運輸的方便，盡量靠近地下箱體通道布置。
2.供配電系統
污水廠負荷等級一般為二級，宜采用兩回 10kV線路供電。10kV 配電系統采用單母線分段結線，放射式供電。各變壓器均勻布置在10kV兩段母線上。如有分變配室，分配電室10kV 宜采用線路變壓器組方式，電源一般引自主變配電室，在分變配電室進線處設負荷開關作為變壓器檢修時的斷開點。配電室0.4kV系統宜采用單母線分段方式。工藝設備中負荷重要的設備(重要工段的水泵、鼓風機等)和設備組(污泥脫水及干化系統 、加藥系統等)均由變配電室 0.4kV系統放射式供電。小容量設備如刮泥機、電動閘門、排水泵等，采用動力配電箱及設備現場電控箱的兩級配電方式，既保證了主要設備的供電可靠I生，又減少了電纜數量。
3.照明設計
地下箱體內設正常照明與應急照明裝置。采用智能照明控制系統,可以對不同工況(無人值守、正常巡視 、檢修、參觀等)下不同的照度進行控制，把照明效率與節能發揮到較佳狀態，提高管理水平。由于對地下箱體內的照度和可靠性要求高，并且潮濕環境對燈具及線路的影響較大，箱體大空間宜采用高效防水防腐的LED工礦燈，LED工礦燈均于金屬線槽下安裝,便于檢修。消防控制室、防煙及排煙控制區域、中央控制室等場所應設置備用照明；疏散樓梯間、箱體內疏散通道等區域設置疏散照明及疏散指示標志燈。應急照明可在現場手動控制，也可由消防控制室控制,火災時或因故失電時,應急照明應能強制點亮。廠區道路及景觀區域照明以裝飾庭院燈具為主，燈具形式于建筑物風格與廠區綠化環境相諧調，襯托出舒適、優美的氣氛，滿足人們對環境的美好愿望。
4.能耗分布
污水處理廠的能耗成本主要為電能、藥物、燃料，其中電能消耗占有60~90%，我國污水二級處理電能消耗為0.19~0.36 kWh/m3，經過對城鎮污水處理廠能耗狀況及其影響因素進行分析，結果表明目前我國城市污水處理廠平均能耗為0.29kWh/m3，而美國污水處理廠平均能耗為0.2kWh/m3，日本為0.204~0.254kWh/m3。總體上看,我國在污水處理中的節能降耗、優化運營方面起步晚，還存在很大的節能降耗空間,而電能的消耗較大在污水提升泵、鼓風曝氣和污泥處理環節，較高的能耗水平在一定程度上影響了污水處理的建設和發展。
二、地下環境對電氣設計的其他影響
1..變配電室的防水、防潮及防腐設計
由于變配電室位于地下箱體負 1層,上部為地面景觀綠化種植,為避免變配電室頂部滯水,變配電室頂部應適當高于周圍頂面,并采用鋼筋混凝土摻入高效抗裂防水劑的措施 ；變配電室內的墻面應采用防水涂料防水布等措施防滲水；變配電室內地面高于箱體負 1層底板，防止事故時污水進入變配電室。地下變配電室面臨的另一個環境問題就是潮濕。為保證電氣設備安全運行，本工程所有高壓開關柜內均設溫濕度控制裝置,自動調節柜內溫度及濕度；變配電室內還增設獨立的除濕裝置來改善變配電室內的環境濕度。地下污水廠還需要特別考慮腐蝕性氣體對電氣設備的腐蝕問題。因此，變配電室內采用獨立的新風系統，保證變配電室內始終處于正壓狀態，以防止腐蝕陛氣體侵入變配電室。
2.環境對電氣設備的影響
全地下水廠因整個箱體是一個封閉空間，內部含有污水池體 、涉水管道及其內部的排水溝道等,整個箱體內比較潮濕,而且污水進水前端、好氧消化段、污泥處理段均會產生硫化氫等氣體腐蝕電氣設備，雖然箱體內設有機械通風及除臭裝置,但通過對多個類似水廠的考察，未采取防潮防腐措施的電氣設備被腐蝕較嚴重，給運行和維護帶來了不便。因此,箱體內各單體上的配電柜(箱)宜采用不銹鋼或聚碳酸酯材質,電纜橋架采用不銹鋼橋架。相對濕度較大時也可在箱體內裝設電熱除濕裝置。同時，箱體內散熱較慢，選擇低壓電氣設備類型時,有必要考慮降容使用。成套裝置或配電柜內布置回路不宜太緊湊，尤其是有變頻器的回路,以防散熱不利。
三、能效管理解決方案--AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺
安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計算到能效管理平臺的產品生態體系，AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺通過在污水廠源、網、荷、儲、充的各個關鍵節點安裝保護、監測、分析、治理裝置，用于監測污水廠能耗總量和能耗強度，重點監測主要用能設備能效，保護污水廠運行安全可靠，提高污水廠能效，為污水處理的能效管理提供科學、精細的解決方案。
圖1 AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺
1.保障供電可靠性
對污水廠配電系統中35kV、10kV電壓等級配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監控，對0.4kV配置多功能計量儀表，用于監測各回路的電氣參數和用能情況，可實時監控高低壓供配電系統開關柜、變壓器微機保護測控裝置、發電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。
污水廠存在大量的非線性負載，通過監測其配電系統的諧波畸變、電壓波動、閃變和容忍度指標分析其電能質量，并配置對應的電能質量治理措施進一步提高供電可靠性。
圖2 AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺主接線圖
2.建立能源計量體系
AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺通過搭建計量體系，采集污水處理廠能源數據，顯示污水處理廠的能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助其分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區域幫助其了解各工藝環節能源消耗量，并且可細化到樓層、車間、產線、班組、工序，計算產品單耗、單位面積能耗或萬元產值能耗，從而計算出能耗總量和單位能耗。
圖3 能源流向圖
3.數據集抄并實時計量
AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺提供自定義時間抄表功能，可以在任意時間，任意地點，完成對企業的三級計量體系數據閱覽，減少了人工投入。同時各類保護、儀表主動定時上傳數據，保證了能源時效性，為其節能降耗，提供了基礎數據支撐。
圖4 數據集抄報表
4. 優化能源結構
AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺支持接入分布式光伏電站以及風力發電站，為企業提供分布式電站運行監測和發電日/月/年/累計收益和減排分析，支持自發自用、余電上網。在儲能環節，平臺接入BMS和PCS數據，支持充放電配置策略，并對電池管理系統提供實時預警，根據其負荷特點，削峰填谷，充分使用新能源，降低污水廠碳排放。
圖5 分布式光伏電站監測運維
5. 提升主要用能設備能效
污水處理廠中有著大量的電機、水泵，其中污水提升泵和鼓風曝氣能耗占據了工藝能耗中的大多數，平臺針對這些工藝設備進行監測分析，工藝之間橫向比較，尋找具調控潛力的用電設備、工藝單元，幫助用戶發現其能效提升空間并提供解決方案，找到運行區域，顯著降低能源消耗
圖6 管網圖和能效監測
6. 報警及時推送
平臺提供能源報警功能，一旦發現跑冒滴漏，能源消耗異常，電參量異常等情況，能提供多種方式的報警，包括但不限于郵件、短信、釘釘推送等。
圖7 報警記錄與管理
7. 加強運維管理
加強巡視維護工作，及時發現或消除設備隱患，提高供電可靠性。配置重要設備包括變壓器、電氣柜、高壓電纜、空調主機、水泵、鼓風機等設備信息，配置二維碼，快速在移動端獲取設備信息、設備維修歷史記錄以及解決問題的常用辦法。
故障預判和快速診斷功能將以往出現問題再采取措施的被動檢修維護政為主動出擊、防患于未然的主動運維模式。既可以使運維管理工作更從容。還大大提高系統的安全性和可靠性。
圖8 設備運維檔案
8. 典型硬件
序號 | 名稱 | 型號、規格 | 安裝位置 | 用途 |
1 | 電能質量監測 | APview500 | 進線開關柜 | 監測市電電能質量 |
2 | 35kV、10kV回路保護 | AM6 | 35、10kV開關柜 | 35、10kV回路保護、測控 |
3 | 智能操控裝置 | ASD500-Pn | 35、10kV開關柜 | 35、10kV回路操作、顯示和測溫 |
4 | 弧光保護 | ARB5 | 35、10kV回路母線室、斷路器室、電纜室 | 用于監測關鍵電氣接點弧光監測、保護 |
5 | 無線測溫傳感器 | ATE400、ATE200 | 35、10、0.4kV母排、斷路器、線纜接頭 | 用于監測關鍵電氣接點溫度 |
6 | 有源濾波裝置 | AnSin□-M | 0.4kV母線側 | 濾除配電系統2~25次諧波畸變 |
7 | 無功補償裝置 | AZC智能電容 | 0.4kV母線側 | 提供無功補償 |
8 | 多功能儀表 | APM520/APM510 | 10kV、0.4kV回路 | 監測電氣參數和開關狀態、故障報警 |
9 | 智能照明控制器 | ASL100 | 照明配電箱 | 照明單控、群控、定時/自動控制 |
10 | 電氣火災傳感器 | ARCM200 | 配電柜/配電箱 | 監測漏電電流和線纜溫度 |
11 | 消防設備電源傳感器 | AFPM | 消防配電箱 | 監測消防設備電壓、電流狀態 |
12 | 應急照明和疏散指示系統 | A-C-A100 | 消防疏散通道 | 提供消防應急照明并指引疏散人群快速疏散 |
13 | 限流式保護器 | ASCP200 | 照明插座回路 | 防止過載、短路產生火花 |
14 | 電動機保護器 | ARD3M | 電動機 | 保護電機安全穩定運行 |
15 | 環境傳感器 | 溫濕度、煙霧、浸水、有害氣體等傳感器 | 配電室、工藝區域 | 監測環境參數，維護環境安全 |
16 | 智能網關 | ANet-2E4SM | 數據采集柜 | 采集設備數據，邏輯控制、上傳平臺 |
四、結語
地下污水廠的建設,本著安全可靠、經濟合理 、運行管理的原則，通過合理運用能源管理平臺，利用先進的大數據、云計算等互聯網技術，能夠提高污水廠的供電可靠性，找到節能降耗的實際方案，深入能耗分析，發掘節能潛力，為管理者提供準確化的管理手段，提高污水處理廠的能耗管理水平。
參考文獻
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[2] 馬培對城市污水處理廠能耗分析與節能降耗途徑探討[J].城市建設理論研究(電子版).2018年06期
[3] 安科瑞企業微電網設計應用手冊.2020.06版
