電氣自動化系統在污水處理廠的設計應用

吳寶華

摘 ? 要：本文首先對一種常用的污水處理工藝AAO（厭氧-缺氧-好氧法）的基本工藝流程進行了介紹，在此基礎上重點對采用這種工藝的污水處理廠的電氣自動化系統進行綜合分析，根據工程實際經驗對污水處理廠內各種機電設備的設置、配電及控制系統進行分析，是對采用AAO工藝的污水處理廠電氣自動化系統設計應用的經驗總結。

關鍵詞：電氣自動化系統設計 ?低壓供配電 ?集散控制 ?檢測儀表設計

中圖分類號：TP29 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）02（b）-0066-03

Abstract：This paper first introduces the basic process of AAO （anaerobic anoxic aerobic process）， which is a common sewage treatment process. On this basis， it focuses on the comprehensive analysis of the electrical automation system of the sewage treatment plant using this process. According to the practical experience of the project， it analyzes the setting， power distribution and control system of various mechanical and electrical equipment in the sewage treatment plant， which is to use Experience summary of the design and application of the electric automation system of the sewage treatment plant in the AAO process.

Key Words：Electrical automation system design; Low voltage power supply and distribution; Distributed control; Detection instrument design

1 ?AAO污水處理工藝特點

在該工藝流程中水中有機物、氮、磷和固體懸浮物都將進行綜合去除，因而其工藝參數應能同時滿足各種功能的要求，如在有效除磷或脫氮的同時也能高效地除去水中有機物，但微生物除磷和脫氮所需的適宜外部條件往往是相互矛盾的，為實現除磷和脫氮能同時高效率地進行，工藝流程各個環節中的溫度、流速、pH值、水位、泥位、污泥濃度、鼓風機曝氣流量等多種參數勢必只能局限在某一狹窄的范圍內，超過或者不足都會影響到微生物除磷和脫氮的效果，甚至造成微生物的大面積死亡，而生活污水又是源源不斷地匯聚到污水廠，無法在源頭暫停排放，一旦污水不能被有效處理，只能通過溢流管排放到自然環境，造成環境污染。

為使微生物具有良好的生物活性就需要污水廠電氣自動化系統對多變量、強耦合、非線性的工藝過程進行有效的控制，使微生物始終處于適宜的外界條件下，高效進行污水生化降解，避免污水污染環境。

2 ?污水處理廠的電氣自動化系統

污水廠電氣自動化系統設計包括電氣供配電和自控系統及檢測儀表兩個方面，一方面需要對工廠的供配電系統進行設計，以工廠的進線端處為設計節點，由工廠內變電所為起點，對各單體內的多種用電設備進行供配電。另一方面需要對自控系統進行設計，設置各區域現場控制單元，其可根據儀表等的檢測數據獨立控制本區域內電氣設備自動運行，并通過網絡系統與中控室相連，通過中控室可優化、協調控制各現場控制單元，并可顯示和記錄各單元檢測數據。通過自控系統可對污水廠各個重要生產環節進行監控，系統可根據各環節的運行參數情況，自動調整設備運行狀態，并可從整體上科學協調各環節的運行，實現優化控制。

3 ?污水處理廠電氣供配電設計

3.1 污水廠用電負荷計算

負荷計算需要根據機電設備的工作電壓、功率、安裝臺數、投用臺數、運行時間等信息，查表確定機電設備的功率因數、效率因數，進而通過負荷計算來計算出各單體的用電負荷，以及全廠的用電總負荷，從而初步確定變電所內變壓器容量、總進線容量以及各單體的供電容量，然后將廠區合理地劃分為幾個供電區域，每個供電區域包括一個或幾個單體，并在此供電區域內的配電室內設置進線柜。某工程的負荷計算表（部分）如圖1所示。

3.2 變壓器的選擇

根據全廠用電設備負荷計算得出的視在功率，并綜合考慮投資、運行經濟性、節能減排以及變電所所處位置等多種因素后確定變壓器的容量。

污水廠變電所的選址一般位于全廠的負荷中心，靠近鼓風機、提升水泵等用電量較大的機電設備，但限于地理，周邊環境等客觀因素，變電所的選址可能會造成某段用電線路較長，造成線路損耗較大，需要在選擇變壓器時適當增加容量以抵消此部分的功率損耗，綜合考慮經濟、線損等各方面因素后，變壓器的負荷率在70%～80%為宜。變壓器應選用空載損耗和負載損耗低的新型節能產品，且容量不宜過大或過小，選擇變壓器容量過小會導致負荷率增加，一旦負荷率超過85%，會導致變壓器效率及壽命顯著減少。且不宜選用較大容量的變壓器，變壓器是能量轉換裝置，本身如果容量大則流過的電流大，其發熱能耗會很可觀，而散熱則越發的困難，并且電路阻抗也隨著溫升而逐步加大，故單臺變壓器容量不宜超過1250kVA。當設計需要超過此最大容量的變壓器時，可采用多臺變壓器并聯運行的方式。

3.3 污水廠低壓配電系統設計

污水廠用電設備的特點如下：（1）在提升泵房和鼓風機房和紫外線消毒池一般設有大功率用電設備，其中污水提升泵，鼓風機等電機類設備一般需采用軟啟動器以避免電機啟動電流過大，從而保護用電設備，或由于工藝流程對風量、流量等進行精確調節的需要，而采用更加環保節能的變頻器，不但可以實現電機軟啟動，還可對電機進行轉速調節。由于用電設備功率較大其配電方式多采用直接從變電所低壓配電柜出線至末端電控柜的一級放射式配電。（2）在各單體內分布著大量小功率低壓設備，包括污泥泵、攪拌器、推流器、電動閥、螺旋運輸機、格柵機、刮吸泥機等，其特點是小于15kW的設備一般可以采用直接啟動的方式，如工藝流程對污泥泵、攪拌器等某些設備有調速需求，則設置變頻器，進行變頻控制。由于一般這種小功率設備的數量較多，其多采用二級放射式配電，在各流程分區設置二級配電總箱，由二級配電總箱為末端箱供電，減少了變電所的出線。（3）在建筑物內還會有用于通風的軸流風機，用于取暖的風機盤管，用于設備安裝的起重機等非工藝流程設備，這些設備可由附近的二級配電總箱供電，而一些儀表、控制和監測設備，為保障停電時可繼續采集和監測數據，需通過設計UPS不間斷電源進行供電。

4 ?污水處理廠自控系統設計

通常污水廠自控系統包括現場設備控制系統和上位檢測系統，并在兩者間選擇合適的網絡連接方式，通常將自控系統的各現場控制站（以PLC為例）通過光纖環狀網絡與上位檢測系統連接，現場控制站與現場智能設備間則采用現場總線連接，現場控制站既是現場總線中的一個站又是以太網中的一個站點，上位檢測系統的上位機則只作為以太網中的節點，而不是現場總線網絡中的站點，以太網上各站點相互之間可進行數據交換，上位機可通過以太網從現場控制站（PLC）的寄存器中讀取現場各種檢測信息，也可通過以太網下傳控制參數到主站PLC的寄存器，再由現場總線主/從協議下傳到各從站。

4.1 現場控制器選擇

全廠可根據需要設立若干個現場控制器，設立原則是方便現場控制器與各設備的通信連接，避免與設備距離過遠導致通信不良，一般4～20mA電流模擬量信號和以太網網線的傳輸距離不宜大于100m，同時各現場控制器信號接點的設置數量應適度，過多則該現場控制器監控設備較多，一旦出現故障，則影響范圍過大，過少則必然浪費現場控制器的一部分有效資源，增加自控系統的資金投入。

目前選擇PLC作為污水廠自控系統的現場控制器的設計方式比較普遍，也有部分污水廠采用構建DCS控制系統的方式來進行設計，其采用專用DCS現場控制器。DCS是一種“分散控制系統”，而PLC僅僅是一種通用控制“裝置”，相比于整體考慮方案的DCS系統，PLC構建的系統在傳輸網絡、協調控制、可擴展性及安全性等方面都有一定的劣勢，但PLC自身具備較高的穩定性，較強的處理數據能力，容錯能力較佳，且價格較為低廉，如果對安全性、可擴展性等要求不高，則選擇PLC是一種比較適宜的方案。

4.2 上位監測系統

上位機監測系統是污水廠的中心控制系統，可對整個自控系統系統的設備及運行結果具有控制、監視、參數設定等功能;可根據工藝及邏輯要求，執行設備的啟停、故障或緊急停機等功能;可讀取系統狀態信息并操作實現各種控制功能;可選擇合適的自動運行策略，使整個系統正常有序運行，達到污水處理工藝要求;當設備或控制參數接近非正常狀態時，可進行聲光報警，并進行報警歷史記錄，可供以后查詢;歷史數據通過歷史數據庫進行存儲，并可在需要時可隨時調用及打印。上位監測系統一般設在中控室，內設若干臺工控計算機設備，大屏顯示設備，網絡通信設備及打印機等，上位監測系統可利用組態軟件快速構建一套適合污水廠的應用系統，將工藝流程以圖形化的方式直觀顯示出來，并可對其中的各個變量進行操控，其底層是與現場控制器相連的I/O驅動程序接口，底層I/O檢測數據與上位機之間通過中間層的實時數據庫實現數據間的關聯和控制，可將底層I/O接口的實時監測信息通過人機界面顯示出來，連接操作員與自控系統，同時可將操作員及自控系統下達的控制命令轉換為底層的I/O信號，實現對電氣設備的遠程控制。

5 ?污水處理廠檢測儀表設計

污水廠自控系統檢測儀表可大致分為兩種：一種是用于檢測生產環節中溫度、流量、壓力、液位等物理參數的儀表，另一種則是用于檢測水質如污泥濃度、氧化還原反應電位、氨氮含量、pH值、生物耗氧量等化學物質含量的儀表，儀表的設計應根據工藝流程、各檢測點的工藝參數、安裝位置等因素來對儀表進行選型，例如，粗細格柵處會設置檢測格柵機前后液位差的液位差計，比較常用的是超聲波液位差計，根據液位差的數值來控制格柵機的啟停。提升泵、調節池通常設置出口壓力、流量檢測，根據壓力、流量的檢測數值來控制水泵的投入及運行狀態，由于檢測介質為污水，為避免顆粒狀固體堵塞儀表內部導管，通常選用隔膜密封式壓力傳感器，而污水管道的流量檢測則通常選用比較精確、可靠的電磁流量計，由于污水管道常常安裝在不便于操作的池壁，井下等位置，這時需要選擇傳感器與變送器分開設計的分體式流量計，將變送器安裝在人員便于操作的位置，而傳感器則放置于池壁、井下等適于檢測的位置，中間通過該儀表專用的配套電纜進行連接。

6 ?設計原則

一般污水處理廠內部如提升泵、鼓風機等用電設備的功率較大，消耗電能較多，常常成為其所在區域的用電大戶，因此電氣設計應注重考慮電氣節能，從電纜、電氣設備選型到控制設備、照明設備均應注重降低電能損耗，通過合理有效的電氣設計來降低運行成本，實現節能環保運行。

污水處理過程是具有大時延環節的非線性系統，污水廠的電控系統在設計時需與工藝專業密切配合，按照工藝流程合理設置各種自控設備以及檢測儀表，其設計的優良關系到污水廠前期自控設備投入的性價比以及污水廠后期運行維護的難易程度，在滿足電氣規范及給排水規范中相關內容的前提下，既要保障控制系統的穩定運行，又應盡可能節約投資，減少不必要的浪費。

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