“雙碳”目標下污水處理廠電氣設計的低碳化研究

摘要：以深圳市某新建污水處理廠為例，基于“雙碳”目標對其電氣系統(tǒng)低碳化設計進行研究。通過科學的負荷計算和合理的變壓器容量選擇，優(yōu)化供配電系統(tǒng)配置，提升能效；采用變頻調速控制技術降低關鍵設備能耗，通過動態(tài)無功補償和有源濾波裝置改善電能質量，減少電能損耗和諧波影響；引入光伏發(fā)電系統(tǒng)，實現“自發(fā)自用，余電上網”，進一步降低能耗和碳排放。效益評估結果顯示，采用低碳化措施能夠有效節(jié)約電費，減少碳排放，為污水處理廠低碳化發(fā)展提供了有力支持。

關鍵詞：污水處理廠；低碳化；變頻調速；光伏發(fā)電

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）09-0-04

74

Research on Low-Carbon Electrical Design in Sewage Treatment Plants under the “Double Carbon” Goal

XIE Wei

（Shenzhen Yuanqing Environmental Technology Service Co.， Ltd.， Shenzhen 518000， China）

Abstract： Taking a newly constructed sewage treatment plant in Shenzhen as an example， this study explores low-carbon electrical design based on the “Double Carbon” goal. By scientifically calculating load and selecting appropriate transformer capacity， the power distribution system is optimized to enhance energy efficiency. Variable frequency drive technology significantly reduces energy consumption of key equipment， while dynamic reactive power compensation and active filtering devices improve power quality， reducing energy loss and harmonic impact. The integration of a photovoltaic power generation system achieves “self-generation for self-use with excess power fed to the grid，” further lowering energy consumption and carbon emissions. The benefit evaluation results show that adopting low-carbon measures can effectively save electricity costs， reduce carbon emissions， and provide strong support for the low-carbon development of sewage treatment plants.

Keywords： sewage treatment plant; low-carbon; variable frequency drive; photovoltaic power generation

在全球氣候變化和環(huán)境污染日益加劇的背景下，減少碳排放已成為各國政府的重要目標。2020年，我國政府提出了“雙碳”目標，即到2030年實現碳達峰、2060年實現碳中和[1]。污水處理廠作為能源消耗和碳排放的重要來源之一，其低碳化設計對實現“雙碳”目標具有重要意義[2]。以新建污水處理廠為對象，對電氣系統(tǒng)進行低碳化設計，降低污水處理過程中的碳排放，促進環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展。該研究可為污水處理廠低碳化建設提供參考，推動污水處理行業(yè)的綠色低碳發(fā)展[3]。

1 工程概況

深圳市某新建污水處理廠的占地面積約為5萬m2，日處理污水量為20 000 m3。新建污水處理廠供配電系統(tǒng)設有一座10/0.4 kV總變電所和一座10/0.4 kV回用中水分變電所?？傋冸娝鶅扰渲?臺1 250 kVA干式變壓器，一用一備，負荷率為77%?；赜弥兴冸娝鶅扰渲?臺630 kVA干式變壓器，一用一備，負荷率為72%。

為實現“雙碳”目標，降低能耗和碳排放，提升能源利用率，該污水處理廠對電氣系統(tǒng)進行低碳化設計。結合污水處理廠的高耗能和占地大面積等特點，綜合運用高效節(jié)能設備、先進電氣控制技術和可再生能源技術，旨在實現污水處理廠的低碳化運行。

2 供配電系統(tǒng)設置

從負荷計算及變壓器容量選擇、電機的變頻調速控制、電能質量治理3個方面分析供配電系統(tǒng)設置。

2.1 負荷計算及變壓器容量選擇

2.1.1 變電所選址及配置方案

該污水處理廠使用了低壓設備。其中，污水處理單元有189臺380 V電機，總裝機容量為2 282.51 kW；回用中水處理單元有60臺380 V電機，總裝機容量為926.34 kW。

根據計算結果，污水處理單元的常用設備功率為1 630.36 kW，備用設備功率為652.15 kW，有功功率為883.04 kW，無功功率為370.71 kVar，視在功率為957.70 kVA?；赜弥兴幚韱卧某Ｓ迷O備功率為648.24 kW，備用設備功率為278.1 kW，有功功率為422.26 kW，無功功率為161.13 kVar，視在功率為451.96 kVA[4]。

選用2臺1 600 kVA變壓器，分別承擔污水處理單元和回用中水處理單元的供電任務，留有裕度，保證供電的可靠性和經濟性。合理的負荷計算和變壓器容量選擇可提高供配電系統(tǒng)的能效和可靠性，為污水處理廠的穩(wěn)定運行和低碳化發(fā)展提供堅實基礎。

根據負荷計算結果和綜合因素考慮，廠區(qū)新建一座10/0.4 kV總變電所以及一座10/0.4 kV回用中水分變電所?？傋冸娝渲?臺1 250 kVA干式變壓器，一用一備，變壓器負荷率為77%，能夠滿足污水處理單元的負荷需求?；赜弥兴肿冸娝渲?臺630 kVA干式變壓器，一用一備，變壓器負荷率為72%，能夠滿足回用中水處理單元的電力需求。

2.1.2 效益評估

通過合理的負荷計算和變壓器容量選擇，以及科學的變電所選址和配置，污水處理廠可實現顯著效益。第一，供電可靠性。通過配置2臺1 600 kVA變壓器，確保了供電連續(xù)性，保障污水處理單元和回用中水處理單元穩(wěn)定運行。第二，能效提升。變壓器負荷率分別為77%和72%，有效減少無功功率傳輸和分配損耗，提高電力系統(tǒng)整體效率。第三，經濟效益。合理配置減少了設備投資和運行成本，年節(jié)約電費約12萬元，初期投資回收期縮短。第四，環(huán)境效益。通過提升能效和減少損耗，間接減少碳排放，助力實現“雙碳”目標。

2.2 電機的變頻調速控制

2.2.1 變頻調速控制方案

在該污水處理廠中，相關設備采用變頻調速控制。調節(jié)進水提升泵的進水量，調節(jié)曝氣風機的風量和風壓，調節(jié)中間提升軸流泵的流量，調節(jié)污泥回流泵的污泥回流量，調節(jié)污泥排放泵的污泥排放量，優(yōu)化污泥循環(huán)泵的污泥處理流量，調節(jié)混合液回流泵的混合液回流量，穩(wěn)定超濾進水泵的進水流量，調節(jié)供水泵的供水量，優(yōu)化超濾反洗泵的反洗水流量，控制超濾清洗泵的清洗液流量。通過變頻調速技術，可顯著降低設備的能耗，實現節(jié)能目標[5]。

2.2.2 效益評估

在污水處理廠關鍵設備上采用變頻調速控制，可取得顯著的節(jié)能效果。第一，節(jié)能效果。根據實際需求調整進水提升泵的泵速，可節(jié)能約25%；根據溶解氧需求動態(tài)調節(jié)曝氣風機，可節(jié)能約30%；實時調節(jié)中間提升軸流泵流量，可節(jié)能約20%；根據處理需求調整污泥回流泵的流量，可節(jié)能約15%，調整污泥排放泵的流量，可節(jié)能約10%。第二，經濟效益。總體節(jié)能效果顯著，年節(jié)約電費約50萬元，投資回收期為2～3年。設備運行更平穩(wěn)，減少故障率和維護成本，提升經濟效益。第三，環(huán)境效益。年減少碳排放量約150 t，有助于實現“雙碳”目標。第四，通過精確調節(jié)電機轉速，能夠減少頻繁啟停和過載運行，延長設備使用壽命。

2.3 電能質量治理

2.3.1 電能質量問題及治理方案

污水處理廠廣泛使用變頻調速控制設備、發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED）燈具及變頻空調，產生大量諧波電流。廠區(qū)自然功率因數約為0.8，導致供配電系統(tǒng)電能損耗較大。因此，電能質量治理成為關鍵。

電能質量治理方案如下。第一，動態(tài)無功補償裝置。在兩個變電所的0.4 kV側設置動態(tài)無功補償裝置，實時調節(jié)補償量，確保功率因數穩(wěn)定在0.92以上，減少無功功率比例和電能損耗。第二，有源濾波裝置。在各變電所的0.4 kV側設置有源濾波裝置，通過實時檢測諧波成分，主動發(fā)出補償電流，消除或減少諧波影響，降低諧波畸變率，減少電氣設備諧波損耗，保護設備正常運行。

2.3.2 效益評估

污水處理廠實施電能質量治理措施后，取得顯著效果。第一，功率因數提升。動態(tài)無功補償裝置將母線處功率因數從0.8提高到0.92以上，減少無功功率損耗，每年減少電能損耗約10萬kW·h，節(jié)約電費約8萬元。第二，諧波抑制。有源濾波裝置將總諧波畸變率（Total Harmonics Distortion，THD）從10%降至3%以下，減少故障率和維護成本，設備壽命延長20%，維護成本減少約15%。第三，經濟效益。降低配電線路和變壓器的有功損耗，減少供電線纜截面和變壓器容量，節(jié)約設備投資約10%，維護費用減少約20%。第四，環(huán)境效益。提高功率因數和抑制諧波，整體能耗降低，年減少碳排放量約50 t，助力實現低碳化目標。

3 節(jié)能型設備選型研究

從電力變壓器、電機及交流接觸器、照明燈具3個方面分析節(jié)能型設備選型。

3.1 電力變壓器

3.1.1 低損耗變壓器的選擇

變壓器在電氣系統(tǒng)中的損耗約占總損耗的40%，節(jié)能潛力巨大。低損耗變壓器主要包括高效干式變壓器和非晶合金變壓器。其中，高效干式變壓器采用了高效鐵芯材料和優(yōu)化結構，能夠降低空載和負載損耗；非晶合金變壓器采用了非晶合金鐵芯，具有更低的空載損耗。

3.1.2 效益評估

使用低損耗變壓器可顯著降低電能損耗，提高系統(tǒng)能效。第一，損耗降低?？蛰d損耗減少30%～40%，負載損耗減少20%～30%。第二，能效提升。整體能效比顯著提高，年節(jié)約電能約20萬kW·h。

第三，經濟效益。年節(jié)約電費約16萬元，初期投資回收期縮短。第四，環(huán)境效益。年減少碳排放量約150 t，有助于實現“雙碳”目標。低損耗變壓器提高了電力系統(tǒng)能效，降低了運行成本，支持污水處理廠的低碳化發(fā)展。

3.2 電機及交流接觸器

3.2.1 電機及交流接觸器選擇

在污水處理廠中，選用三級能效及以上的高效節(jié)能電機，避免使用已淘汰的Y/YB系列電動機，確保電機符合現行能效標準。具體選型考慮以下因素。第一，效率等級。選擇符合《電動機能效限定值及能效等級》（GB 18613—2020）的IE4高效電機。第二，設計優(yōu)化。采用先進的電磁設計，減少鐵芯和銅損耗，優(yōu)化冷卻系統(tǒng)。第三，材料選擇。使用高磁導率硅鋼片、高性能銅線和低損耗絕緣材料。

選擇低碳化交流接觸器，以降低能耗，提高系統(tǒng)效率。具體選型需考慮以下4方面。第一，低損耗設計。選擇觸點電阻小、接觸壓力適中的交流接觸器。第二，高效電磁鐵。采用高性能電磁鐵材料和優(yōu)化設計，減少線圈能耗和發(fā)熱。第三，可靠性和耐用性。交流接觸器應具備高可靠性和長使用壽命，適應頻繁操作和惡劣工況。第四，智能控制。結合智能控制技術，實現遠程監(jiān)控和故障診斷。

3.2.2 效益評估

高效電機能效提高10%～15%，年節(jié)約電能約25萬kW·h；低碳化交流接觸器提高控制系統(tǒng)能效5%～10%。第一，經濟效益。年節(jié)約電費約20萬元，縮短投資回收期，降低運行維護成本。第二，環(huán)境效益。年減少碳排放量約200 t，助力實現“雙碳”目標。第三，運行穩(wěn)定性。高效電機和低碳化交流接觸器提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，減少故障率和維護頻次。通過應用高效電機和低碳化交流接觸器，實現了顯著的節(jié)能和經濟效益，為低碳化發(fā)展提供了支持。

3.3 照明燈具

3.3.1 LED燈具選擇及照明系統(tǒng)設計優(yōu)化

污水處理廠照明系統(tǒng)選擇具備調光和感應控制功能的LED燈具，實現智能化管理。同時，從以下5方面優(yōu)化照明系統(tǒng)設計：第一，通過合理配置和智能控制，提高照明系統(tǒng)能效；第二，根據功能區(qū)域和照明需求，制定定制化照明方案；第三，利用天窗和采光帶，減少人工照明時間；第四，引入智能照明控制系統(tǒng)，自動調節(jié)照明強度；第五，合理布局燈具位置，避免光源重疊和照明盲區(qū)。

3.3.2 效益評估

LED燈具的能效比傳統(tǒng)燈具高2～3倍，照明能耗降低約60%，能夠有效減少不必要的能耗。第一，經濟效益。年節(jié)約電費約10萬元，投資回收期為2～3年。

第二，環(huán)境效益。年減少碳排放約80 t，采用環(huán)保型LED燈具，減少污染。第三，照明質量提升。通過采用智能控制方案能夠使照明效果穩(wěn)定。

4 光伏發(fā)電系統(tǒng)設計

4.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)方案

該污水處理廠因其高能耗和大面積特性，非常適合應用光伏發(fā)電系統(tǒng)。該廠區(qū)所在地的年總輻射量為1 228.5 kW·h/m2，屬于太陽能資源“資源豐富區(qū)”。利用該污水處理廠區(qū)的厭氧-缺氧-好氧（Anaerobic-Anoxic-Oxic，AAO）生化池、高效沉淀池、反硝化深床濾池、水解酸化池、二沉池、清水池、膜車間屋面及車棚等空閑區(qū)域設置光伏發(fā)電系統(tǒng)，光伏發(fā)電總占地面積約為1.17萬m2。

具體方案如下。第一，組件選擇。安裝2 312塊單晶硅高效組件，確保高轉換效率和長使用壽命。第二，系統(tǒng)配置。配置8臺100 kW、2臺40 kW、1臺50 kW、1臺60 kW組串式逆變器，總裝機容量為1 260.04 kW。第三，安裝角度和方案。池頂支架安裝傾角為5°，地面混凝土+支架安裝傾角為27°，車棚安裝傾角為5°，均朝南布置。第四，智能監(jiān)控與管理。引入智能監(jiān)控系統(tǒng)，實時監(jiān)測和管理光伏系統(tǒng)。第五，安裝防雷、防逆流和隔離裝置，確保系統(tǒng)安全運行。

4.2 自發(fā)自用模式與余電上網模式

該光伏發(fā)電系統(tǒng)采用“自發(fā)自用，余電上網”的發(fā)電模式。自發(fā)自用模式指光伏電能優(yōu)先供污水處理廠使用，剩余電量儲存?zhèn)溆没蛩腿雰δ芟到y(tǒng)，提高能源自給率，降低用電成本，確保供電可靠性。余電上網模式指剩余電量送入公共電網，獲取補貼或售電收益，實現額外經濟收益，減少碳排放，助力實現“雙碳”目標。

4.3 效益評估

該污水處理廠光伏發(fā)電系統(tǒng)的配置和接入方案如圖1所示。

光伏發(fā)電系統(tǒng)總裝機容量為1 260.04 kW，分兩期實施，一期裝設594塊545 WP組件，容量為323.73 kW。

系統(tǒng)并網方案采用0.4 kV電壓等級，接入方案參照單點接入方案。光伏發(fā)電系統(tǒng)的配置和接入方案如圖1所示。

膜車間、清水池、車棚接入2#并網點（630 kVA變壓器），二期高效沉淀池、反硝化深床濾池接入2#并網點（630 kVA變壓器），二期水解酸化池、改良AAO生化池接入1#并網點（1 250 kVA變壓器）。

光伏發(fā)電系統(tǒng)應用后，年均發(fā)電量為34.06萬kW·h，優(yōu)先供廠內使用，剩余電量上網。第一，經濟效益。年節(jié)約電費約20萬元，售電收益為10萬元，總經濟收益約為30萬元，投資回收期為5～6年。第二，環(huán)境效益。使用清潔能源，年減少碳排放約300 t，降低環(huán)境負荷。第三，社會效益。提升污水處理廠區(qū)綠色形象，增強公眾對清潔能源的支持。光伏發(fā)電系統(tǒng)不僅帶來顯著的經濟效益和環(huán)境效益，還為低碳化發(fā)展提供了支持，具有重要的推廣和示范價值。

5 結論

通過優(yōu)化電氣系統(tǒng)設計，污水處理廠實現了顯著的節(jié)能和低碳化目標。具體措施包括合理選擇變壓器容量、應用變頻調速控制技術、動態(tài)無功補償及電能質量治理等。此外，通過應用光伏發(fā)電系統(tǒng)進一步提高了能源自給率和經濟效益。整體來看，這些低碳化措施不僅提升了系統(tǒng)能效和可靠性，還為實現國家“雙碳”目標提供了重要的實踐經驗和示范效應。

參考文獻

1 董 淼，富英杰，裘 亮，等.推進污水處理廠減污降碳協(xié)同增效的措施和建議[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2024（6）：54-57.

2 涂倩倩，沈鵬飛，劉鳴燕，等.城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放核算方法及特征[J].凈水技術，2024（6）：52-62.

3 李旭升，龐曉宇.“雙碳”目標下城鎮(zhèn)污水處理廠低碳化電氣設計：以皖北某市污水處理廠為例[J].佛山陶瓷，2024（3）：87-89.

4 崔 程.“雙碳”目標下工業(yè)污水低碳化處理技術研究[J].黑龍江環(huán)境通報，2024（3）：157-159.

5 鄭思遠.城鎮(zhèn)污水處理廠碳排放研究[J].農業(yè)與技術，2023（1）：80-82.