水厂水利电气设计可行性研究

摘要：水利水电工程建设过程中，电气设计是确保工程如期运行实施最重要的环节之一，其中水厂电气设计的合理与否关系到民生问题，是水厂可靠、长期、稳定、安全地完成供水任务的有效保障。文章以清远市清新区滨江自来水厂项目为例，详细介绍了该自来水厂在设计过程中如何根据现状情况布置机电设备，利用电气接入系统的短路电流和电机型号，同时还对厂站电气设计、主接线方案、设备改造及继电保护等做了可行性研究探讨，结果表明滨江自来水厂新建工程电气设计能够满足其为周边10余个村庄提供供水，厂站布置具有科学合理性。

关键词：电气设计；可行性研究；厂站布置；水利设施

一、工程概况

清远市清新区滨江自来水厂选址于清远云龙工业园云龙产业大道西侧，毗邻港龙陶瓷有限公司及工业园移民安置新村，总体用地规模约为70亩，一期用地规模约为39亩。滨江自来水厂建设任务繁重，主要供水区域包括新区龙颈镇镇区、龙北村、共和村等10余个村庄、工业园区及学校。通过需水量预测分析并结合供水区人口流动数据统计，滨江自来水厂一期工程供水规模为50,000m3/d。现存供水系统由于水源距离较远、管网内侧生锈淤积、供水管径过小导致供水不足，部分给水管线与其它管线保护距离不够，导致检修、维护困难[1]。随着经济的发展及企业用水要求的提高，目前的供水模式已经不能满足企业生产要求，因此急需新建滨江自来水厂对水质进行净化后供给，文中就滨江自来水厂的水利电气设计进行探讨，研究其电气一次设计的可行性，本次研究有望给相似工程提供参考思路。

二、水厂电气设计

1．水厂负荷等级及电源

滨江自来水厂设计范围主要包含一项取水泵站改造项目和一座水厂新建项目，新建水厂电气终端为10KV，具体配电及控制系统有高低压变配电系统及配电装置设定、生产用电设备的配电、控制、信号系统及电缆的选型和敷设以及水厂建、构筑物的防雷及接地保护设计[2，3]。根据建设规模、供水范围和重要性，本工程按二级负荷的要求供电。新建水厂二级负荷有水泵、常规处理主要的工艺生产设备和应急照明等，其余为三级负荷。对于取水泵站，现从珠坑站10kV军营线自来水分支线#1塔引至高压室供电，为一回10kV供电线路。新建水厂采用双电源供电，拟由2个不同变电站的10kV电源供电，运行方式一用一备。当一路电源故障，另一路电源应能满足所有负荷的供电[4，5]。

2．水厂负荷计算

现有取水泵站土建工程按10万m3/d，厂房内共有6台机的安装位置，目前设计供水能力1.5万m3/d，装设2套泵组（每套由一台潜水泵和一台立式离心泵串联组成，潜水泵功率45kW，离心泵功率200kW），1用1备，装机容量490kW，设1台变压器，容量为500kVA。新建水厂后，供水能力为5万m3/d，拆除现有2套泵组，在预留位置增加4套取水水泵。经过负荷计算，按5万m3/d的供水要求，最大使用负荷约为800kW，现有的500kVA变压器不能满足要求，需要在高压室内预留位置处安装1台1,000kVA的变压器。新建水厂负荷计算结果显示该新建水厂最大使用负荷约为1,050kW，现考虑适当预留部分容量，变压器容量选用1,600kVA。

3．变配电系统

现有取水泵站10kV母线采用单母线接线。380V/220V级配电系统采用单母线不分段的结线方式。因新建水厂净水过滤处理系统和送水设备都布置在同一厂区内，所以设一个变配电室，布置在反冲洗风机房旁，分设高压室、变压器室、低压室（控制室），10kV母线采用单元接线[6，7]。380V/220V级配电系统采用单母线不分段的结线方式。厂用电从变压器0.4kV母线取得，采用380/220V三相四线制供电系统，中性点直接接地，现有取水泵站和新建水厂均不再设厂用变压器。

4．无功补偿及短路电流计算

新建水厂由110kV峡山站10kV农场甲线小楠支线#47塔供电，水泵异步电动机型号YL630-16，额定电压10kV，根据附近其他自来水厂相类似的高压电机设备启动方式，高压电机采用直接启动并在每台水泵高压启动柜后均配置一台10kV高压电容补偿柜。新建自来水厂选用1台10kV/0.4kV干式变压器，即一台100kVA的干式变压器作为站用电源。新建自来水厂高压异步电动机，额定功率因数取0.72，补偿后功率因数提高到0.92，所需补偿容量为242kVar，每台高压电容补偿柜补偿容量250kVar，新建自来水厂用电设备安装功率为136.3kW，计算负荷为70.95kW，额定功率因数取0.8，补偿后功率因数提高到0.92，所需补偿容量为23kVar，单个电容补偿容量20kVar，共2组，总容量40kVar，可满足高压电机和自来水厂用电无功功率补偿要求。短路电流计算采用《水电站机电设计手册》的计算方法，分别对各自来水厂10kV母线三相短路及0.4kV母线三相短路两种情况进行计算，计算采用等值阻抗法[8]。图中M为本电站2台450kw和2台330kw的水轮发电机。通过等值阻抗法和相关电气资料对主接线方案进行短路电流计算，系统电路电流及等值电抗图见图1，短路电流计算成果见表1。

5．水厂主要设备选型

10kV高压开关柜对于改造的取水泵站，当前取水泵站10kV高压开关柜为HXGN15-12型户内交流高压六氟化硫环网开关柜，新增的10kV高压开关柜仍选用HXGN15-12型开关柜。新建水厂10kV高压开关柜选用HXGN15-12型户内交流高压六氟化硫环网开关柜。以上两个区域的10kV高压开关柜的主开关为带220V直流弹簧操作机构的真空断路器，二次回路采用微机综合保护装置进行保护、测量和控制。计量柜的计量手车与进线开关之间有可靠的电气及机械联锁，微机综合保护装置通过通信总线与中心控制室通讯[9，10]。低压配电柜低压配电柜选用GCK型抽出式低压开关柜，此形式的开关柜是目前较先进且广泛应用的低压配电装置。变压器现有取水泵站10/0.4kV变压器选用SCB11-1000kVA型干式电力变压器，接线方式采用D-Yn11结线组别。接线方式采用D-Yn11结线组别。直流电源现有取水泵站配一面直流箱，电压等级为220V，24Ah免维护铅酸蓄电池。新建水厂直流电源屏选用带微机保护控制装置的直流电源屏，内装100Ah免维护铅酸蓄电池。直流电源屏输入电压为三相~380V交流，输出电压为单相-220V直流，输出回路数为合闸8回路，控制6回路，共1面直流屏和1面电池屏。电缆选型及敷设动力电缆均采用YJV22交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套电缆。控制电缆采用KVV型或带屏蔽KVVP型的电缆，传送模拟量等数据的电缆选用DJYVP型对绞屏蔽电缆。室外厂区采用电缆沟井与电缆直接埋地敷设相结合的方式，并选用带金属铠装机械强度符合要求的电缆，光缆转弯半径大于25D，室外直埋电缆每间隔约30m~50m设一电缆井，可根据实际情况调整距离。室内沿电缆沟、电缆桥架敷设，出电缆沟、电缆桥架穿钢管保护并根据现场环境条件暗敷或明敷。电缆进出户穿预埋套管并采用沥青麻丝做防水处理。电缆在电缆沟内敷设时，动力电缆与控制电缆敷设在不同的支架上敷设。在桥架内敷设时，中间采用隔板分开。双回路配电的电缆在电缆沟的两侧或不同层支架上布置。

三、水厂设备布置

水厂总体布置滨江自来水厂总平面布置按功能划分成三大功能分区，即办公区、净水处理区及污泥处理区，厂内设计了环厂道路。办公区主要由综合楼（含办公室、中控室、化验室、档案室等）、门卫室、停车场、花园、厂前绿化带组成。将厂前区布置在主导风向的上风向，远离净水处理区和污泥处理区。主入口对外向东紧接外面主道路，与外界联系方便。对内与生产区之间用绿化隔离带分开，保证厂前区优美的环境。净水处理区位于厂区中部，主要包括预氧化池、网格絮凝池、平流沉淀池、V型滤池、清水池、输水泵房、设备房等建构筑物，变配电间紧邻反洗机房，以此为全厂用电负荷中心，这样布置可以缩短电缆和管线长度，有利于节约投资和运行管理费用。净水构筑物布置尽量做到管线流畅，构筑物紧凑。污泥处理区位于厂区的西侧，远离办公区。主要包括排水调节池、排泥调节池、污泥浓缩池、污泥脱水间及堆棚。次入口对外向东紧接外面主道路，方便泥饼外运。附属建筑物的设置，力求功能分区明确、便于使用，并在互不干扰的原则上适当集中。厂区绿化设计以简洁、大方、便捷为主导思想，美化环境，使绿化和建筑相互融合，相辅相成。在保证工厂正常生产发展的基础上，以适当的园林小品、植物搭配以及广场道路等的有机结合，创造“以人为本”的景观环境。根据董家口矿石码头堆垛表面含水率变化的测定结果，在不考虑表层板结作用的情况下，堆场单次洒水对于堆垛表面含水率的作用时间平均约为3h。

四、结论

结合粒径分布与起尘相关研究结论，本研究所涉及董家口矿石码头10个货种中，“加拿大精粉”、“巴粗粉”、“加斯巴粗”与“混匀粉”采用湿法喷淋抑制静态堆存起尘具有较好的效果。同时，为进一步缓解动态起尘，建议董家口矿石码头在装卸过程中重点关注“加拿大精粉”、“巴粗粉”、“加斯巴粗”等货种。根据《排污许可证申请与核发技术规范码头》（HJ1107-2020）及相关环保规范作出的矿石料堆表面含水率应维持在5%的管理要求，结合本研究对矿石堆垛表面含水率变化测定结果，建议家口矿石码头针对未实施苫盖的堆垛洒水间隔应控制在2.5h左右。

作者:宋易珑 单位:清远市水利水电勘测设计院有限公司