某水厂电气设计要点探讨

0引言

水厂电气设计不仅关乎水厂的正常运行,还关系到社会生产和居民生活的正常进行。因此,科学、合理的电气设计对于水厂的建设和运营至关重要。文献[1]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、电气节能等方面对水厂电气设计进行了讨论。而本文将以某水厂工程电气设计为例,从供配电系统、设备选型、电缆敷设、节能措施及智慧化平台等维度展开探讨。

某水厂按5万m³/d规模建设,工艺流程如图1所示。

1供配电系统设计要点分析

1.1供电电源及高低压系统运行方式

水厂的正常运行离不开电力保障,断电事故发生时,供水将会中断,给水厂和社会带来严重后果。因此,电气设计时必须确保合理配置电源系统。根据规范GB55026—2022《城市给水工程项目规范》^[2]中2.2.19规定“中等及以上城市主要厂站的供电负荷为一级负荷,中等及以上城市的次要厂站和小城市厂站的供电负荷均为二级负荷”,故确定水厂的供电负荷为二级,配置双路电源供电系统,以确保能够满足水厂全部用电需求。配置两路独立的10kv供电线路,或者一路城市电网电源和一个自备电源,自备电源通常采用柴油发电机作为供电设备,以确保在主电源故障时能够迅速切换,保障供电连续性。

10 kv高压系统采用单母线分段接线型式,两路10 kv电源一用一备运行。正常运行时,联络柜断路器闭合,进线断路器互锁,每回线路均能承担水厂100%用电负荷^[3]。低压系统设有母联开关(不自投),正常情况下母联开关闭合,两台变压器一用一备运行。当其中一台变压器故障或检修时,另一台承担供电任务。通过断开母联及进线主开关,可实现分段检修。

1.2 负荷计算及变配电所位置

负荷计算是电气设计的关键,直接影响电气设备的选型及电缆布设。主要负荷分布在送水泵房、反冲洗泵房、脱水车间等,同时还有其他生产用电和办公用电。负荷计算应采用科学方法,如需要系数法^[4],并结合工艺设备分期投入的实际情况进行。

某水厂项目的送水泵房设有5个泵位,近期安装2台大泵和2台小泵,大泵为315 kw,小泵为185 kw。高峰时,运行1台大泵和2台小泵,备用1台大泵;或运行2台大泵,备用2台小泵。远期按10万m³/d的规模考虑,增加1台大泵。

送水泵房作为水厂主要用电区域,建议与变配电中心共建,在送水泵房内设立总高低压变配电中心,配备10 kV/0.4 kV变配电系统,供全厂380 V低压设备的配电与控制。

根据表1、表2负荷计算,315 kw采用10 kV高压泵时,全厂低压负荷为564.69kVA,高压负荷为630kw。低压侧选用两台800 kVA变压器,一用一备运行,负荷率70.6%。

通过表3负荷计算,315 kw采用380 V低压泵时,pjs=1 094.85 kw,Qjs=298.82 kvar,sjs=1134.9 kVA。选用两台1 600 kVA变压器,一用一备运行,变压器负荷率70.9%。

方案对比如表4所示,考虑到远期需增加一台315 kw大泵,要在反冲洗泵房再新增变压器,而送水泵房1 600 kVA变压器远期时不变,对整个供配电系统影响不大,对水厂运行影响较小。若采用方案一,需更换800 kVA变压器,同时需对无功补偿、低压母排、母线槽以及低压进线柜等进行更换,对水厂运行影响较大。故与工艺专业协商采用低压泵。

2设备选型设计要点分析

变压器是电气系统中的关键设备,其选型应根据实际需求(如容量、相数、变比等)和电能质量(如电压、电流、频率等)综合考虑。此外,还应注意变压器的可靠性和安全性,确保其能够满足水厂的长期运行需求。

2024年2月2日,国家发展改革委等部门发布了《关于印发<绿色低碳转型产业指导 目录 (2024年版)>的通知》(发改环资 (2024〕165号), 目录中指出“三相电力变压器能效不低于GB 20052—2020《电力变压器能效限定值及能效等级》中1级能效水平”,现行国家标准《电力变压器能效限定值及能效等级》中1级能效水平要求如表5所示。

电工钢带变压器与非晶合金变压器的主要区别体现在铁芯材料、性能特点、应用领域以及设计结构等方面,详细比较如表6所示。

综上所述,电工钢带变压器与非晶合金变压器各有其优势和劣势。在选择变压器时,需要根据具体的应用场景和需求进行综合考虑。例如,在需要低频、大功率的场景,电工钢带变压器可能更优;而在需要高频、小功率、低损耗的场景,非晶合金变压器则更具优势。在水厂变压器的选择上,为满足能效等级及节能降耗要求,可选用SCB18电工钢带变压器或是SCBH19非晶合金变压器。

3 电缆敷设设计要点分析

电缆是实现各个电气设备间连接和电能传输的主要手段,其敷设方式应根据电气机组的具体情况进行综合考虑。应选择电阻率低、截面大的导线,以降低线路电阻,减少电能在线路传输过程中的损耗。应避免弯曲过度、长距离水平敷设和与其他金属结构物体的接触,以保证电缆的使用寿命和电气性能。GB55024—2022《建筑电气与智能化通用规范》^[5](下称《通规》)中规定:“不同电压等级的电力线缆不应共用同一导管或电缆桥架布线;电力线缆和智能化线缆不应共用同一导管或电缆桥架布线;在有可燃物闷顶和吊顶内敷设电力线缆时,应采用不燃材料的导管或电缆槽盒保护。”水厂电缆敷设时应注意10 kv高压电缆、0.4 kv低压电缆,动力电缆和控制电缆采用不同桥架敷设,桥架之间应留有足够的间距。线缆在室内沿电缆沟或桥架敷设,至设备处采用埋管敷设。

《通规》第6.3.2条规定:“当采用电缆排管布线时,在线路转角、分支处以及变更敷设方式处,应设电缆人(手)孔井。电缆人(手)孔井不应设置在建筑物散水内。”故电缆在厂区采用埋管敷设时,考虑到检修维护方便,应注意电缆手孔井的布置。另外,《通规》6.3.1条还规定了:“室外埋地敷设的电力线缆、控制线缆和智能化线缆不应平行布置在地下管道的正上方或正下方。”水厂内有很多管线(包括污水管、给水管、废水管、排泥管)埋在地下,设计时,应注意与工艺专业进行沟通,尽量避免管线与线缆的重叠。

4节能措施设计要点分析

所有电气设备应选用高效低损耗产品,尤其是节能型变压器,如SCB18干式变压器或SCBH19非晶合金变压器,这些产品可显著降低空载和负载损耗,提高能源利用效率。同时,应合理选择变压器的容量与数量,尤其是在有季节性负荷存在的情况下,应能灵活转换变压器,确保经济运行,并减少轻载时的不必要电能损耗。

为提高系统的功率因数并降低线路损耗,应采用无功功率补偿装置,如在各变配电室0.4 kv侧设置静止无功发生器进行集中自动无功功率补偿,补偿后功率因数达到0.95以上^[6]。

在设备方面,工艺专业要求提升泵、潜污泵、搅拌机、送水泵等设备采用变频控制技术,调节设备转速,以显著减少能耗。

供电系统设计应基于负荷占比、供电半径及设备特点等因素,合理规划变配电中心位置。变配电所应靠近负荷中心,减短供电距离,避免因线路过长引起的线损增大,从而为了达到压降及灵敏度要求,增大供电电缆截面积。

线路设计应尽量减短导线长度,并选择电阻率低的铜芯导线。对于较长线路,应确保满足载流量、热稳定、保护配合及电压降要求,并合理选择电缆截面。

运用智能化平台系统分析全厂能耗、药耗等数据,同时结合自动化控制系统,实时监测水量、水压、水质等参数,自动调节设备运行状态,并合理规划不同电价不同时间段的工艺调配。

5 智慧化平台构建设计要点分析

随着科技的发展,智慧化平台已成为水厂设备管理的重要手段。文献[7]提出了电气自动化控制系统在水厂建设中的应用,某水厂拟在此基础上运用“物联网十移动化十大数据”先进技术,建立基于物联网和移动化技术的综合管理平台,通过整合水厂核心业务流与信息流,打造覆盖安全生产、工艺调控、水质监测、资产运维及行政协同的一体化数字管理体系。该平台将以数据中枢为核心,实现对生产动态、设备工况、化验结果及管理流程的全域感知与集成化管控;依托大数据分析引擎,将实时监测数据、历史运行参数及业务操作记录转化为可视化决策看板与趋势预判模型;通过移动终端与云端协同,为管理层、执行层提供精准的业务洞察与敏捷响应能力,助力企业优化资源配置、降低能源消耗、提升工艺稳定性,最终实现运营流程标准化、能效管控精细化、组织协同高效化的数字化转型目标。

某水厂智慧水务系统主要建设内容具体包括数 据可视化平台、业务工作台、综合管理平台、智慧生产运营管理平台、水厂智能决策控制系统、移动端应用平台以及配套硬件设施设备等。其中水厂智能决策控制系统包含加药智能控制系统、排泥智能控制系统、反冲洗智能控制系统、泵组智能控制系统、设备故障诊断系统。

6结束语

水厂电气设计是一个复杂而重要的过程,涉及供配电系统、负荷计算、设备选型、电缆敷设、智能化控制平台构建等多个方面。通过合理的电气设计,可以确保水厂的供电稳定性、设备可靠性、电气系统安全性以及节能降耗,提高水厂的运行效率和管理水平。因此,在水厂建设中应高度重视电气设计工作,采用科学的方法和先进的技术手段,为水厂的正常运转提供坚实的保障。

[参考文献]

[1]李双凤.净水厂电气设计若干问题的探讨[J].现代建筑电气,2024,15(11):39-44.

[2] 城市给水工程项目规范:GB 55026—2022[S].

[3]吴桂良,滕峰,罗刚.水厂工程电气设计方案[J].光源与照明,2023(3):176-178.

[4] 中国航空规划设计研究总院有限公司.工业与民用供配电设计手册[M].4版.北京:中国电力出版社,2016.

[5] 建筑电气与智能化通用规范:GB 55024—2022[S].

[6] 王胜利,李亚东.“双碳”背景下某水厂低碳化电气设计实践[J].电气应用,2023,42(7):109-114.

[7]位翱洋.电气自动化控制系统在水厂的应用[J].现代工业经济和信息化,2022,12(12):121-123.

《机电信息》2025年第12期第1篇