城市生活污水處理電氣自控系統(tǒng)研究

葛英振 侯鋒* 劉成軍 陳筱秋

1.國投信開水環(huán)境投資有限公司，中國·北京 100010

2.成都興天水環(huán)境治理有限公司，中國·四川 成都 610000

1 引言

中國目前在城市生活污水處理工作中取得了較好的成效，整體上的發(fā)展處于快速成長期。在近幾年技術(shù)的快速發(fā)展下，中國的污水處理能力進(jìn)步較快，處理效率也在不斷的提高。可以說，現(xiàn)階段中國各城市在開展污水處理工作中都在積極落實(shí)自動化的發(fā)展策略，這就需要著重對城市生活污水處理廠的電氣與自控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，論文就針對這一點(diǎn)展開敘述。

2 污水處理廠電氣自動化控制系統(tǒng)

電氣自動化在污水處理廠中的應(yīng)用十分廣泛，實(shí)際上現(xiàn)階段的城市污水處理工作越來越看重自動化和智能化的運(yùn)作模式，通過自動化技術(shù)來有效減小人力資源的投入，提高工作的效率，從而達(dá)到更好的處理質(zhì)量。而何為電氣自動化控制系統(tǒng)？其本質(zhì)上講就是通過計算機(jī)硬軟件資源和PLC控制的“人機(jī)”一體化系統(tǒng)，所以要想保證電氣自動化系統(tǒng)能夠更加的貼合當(dāng)前污水處理廠的工作需求，需要針對其進(jìn)行嚴(yán)密的設(shè)計，對整體控制系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建，這就直接關(guān)系到電氣與控制系統(tǒng)的運(yùn)行效率[1]。目前，在污水處理廠中的電氣自動化控制系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)和流程如圖1所示。

圖1 污水處理廠計算機(jī)控制系統(tǒng)

可以看出，計算機(jī)控制系統(tǒng)是整體污水處理系統(tǒng)的核心所在，通過計算機(jī)控制各個環(huán)節(jié)的流程。在對其進(jìn)行設(shè)計的過程中需要著重于兩方面的內(nèi)容，即分別是電氣設(shè)計和自控設(shè)計，下面就針對這兩者進(jìn)行設(shè)計。

3 城市生活污水處理廠的電氣設(shè)計

3.1 照明和電纜的設(shè)計

在照明系統(tǒng)的電氣設(shè)計中，為了能夠保證高效率和低成本，應(yīng)該要選擇高效節(jié)能的燈具為主要的照明結(jié)構(gòu)，而在泵房和泵站等工業(yè)場所中的照明則選用工業(yè)照明燈具。為了能夠保證配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實(shí)際上在控制室、配電間、辦公室等場所需要選用LED光源的管燈。對于露天的工作場地和初沉池、生物反應(yīng)池、二沉池等戶外構(gòu)筑物群區(qū)來說，由于兩者的工作環(huán)境不同，前者需要選擇LED三防工礦燈，而后者則是可以采用廣照型的高桿燈，其余特殊場所根據(jù)實(shí)際需要采用防爆燈具或其他專用燈具。

在電纜的設(shè)計中，電纜的設(shè)計與選型包括兩個方面，也就是目前在工程中常見的高壓電纜和低壓電纜。施工單位必須根據(jù)污水處理廠的具體需求來進(jìn)行選擇。例如，對于控制電纜來說一般使用KVV型電纜，而在動力或者照明系統(tǒng)中一般都會采用YJV電纜及BV導(dǎo)線，潛水設(shè)備一般采用水下電纜，消防設(shè)備采用消防電纜。電纜的設(shè)計重點(diǎn)主要是在于其敷設(shè)施工，因?yàn)樵谀壳暗碾姎夤こ讨校娎|的敷設(shè)施工主要由三種方式，即電纜溝敷設(shè)、橋架敷設(shè)和穿管暗敷三種，要注意這三者的使用條件[2]。

3.2 防雷接地

對于防雷接地的設(shè)計，根據(jù)中國的相應(yīng)規(guī)范，各污水處理廠必須針對自身的各項(xiàng)設(shè)備結(jié)構(gòu)、房屋建筑體系等進(jìn)行分析，比如說污泥消化池、加氯間等構(gòu)筑物則屬于二類防雷建筑物。在防雷接地設(shè)計中盡量將其與交流工作接地、直流工作接地、安全保護(hù)接地等共用一組接地裝置，而對于10V以下的變電所來說，如果其建筑物基礎(chǔ)滿足接地體的基本要求，并且接地電阻與相應(yīng)的規(guī)定值相符合時就可以不設(shè)置人工接地體[3]。在不同的裝置或者是場所中需要遵循不同的接地規(guī)律。例如，在配電裝置中，其構(gòu)架必須保證和接地網(wǎng)連接，而屋頂上的避雷針也必須與接地網(wǎng)相連接，在連接點(diǎn)的周圍也需要設(shè)置接地結(jié)構(gòu)。在變電所中，其低壓總保護(hù)柜應(yīng)該要設(shè)置第一級電源浪涌保護(hù)器，而總配電箱這應(yīng)該要設(shè)置二級浪涌總保護(hù)器，在供電末段中由于儀表配電箱較為重要，所以還需要對其設(shè)置三級電源浪涌保護(hù)器。需要注意的是，無論是哪種設(shè)計，其本質(zhì)上都需要遵循以人為本的核心，保護(hù)相關(guān)人員的生命財產(chǎn)安全，必須保證金屬構(gòu)件、金屬支架等可能帶電的物體能夠接地，并且要在接地系統(tǒng)中設(shè)置人工接地裝置，在使用上也必須盡可能的使用自然接地體[4]。

3.3 電氣設(shè)備的選擇和校驗(yàn)

在具體的電氣設(shè)計中，為了能夠選用更加符合污水處理廠需求的電氣設(shè)備，在設(shè)備選型上需要以兩個方面原則為基礎(chǔ)。

一方面是要以正常條件來進(jìn)行選擇，所謂正常條件就是主要包括設(shè)備的環(huán)境條件和技術(shù)條件。環(huán)境條件就是指電氣設(shè)備的安裝位置及其周圍環(huán)境中包含的可能影響到電氣設(shè)備的因素，而技術(shù)條件是指電氣設(shè)備的電壓、電流等多方面的技術(shù)要求。另外，針對一些特殊的電氣裝置，比如開關(guān)、熔斷器等還需要考慮到開斷電流的能力。

另一方面就是按照短路的條件來進(jìn)行校驗(yàn)，具體包括動穩(wěn)定和熱穩(wěn)定兩個方面。動穩(wěn)定校驗(yàn)就是指導(dǎo)體和電器承受短路電流機(jī)械效力的能力，而熱穩(wěn)定校驗(yàn)則是指短路電流在通過該器件的過程中電器的各個部位的溫度都不應(yīng)該要超過其在短時發(fā)熱的最高允許值。

遵循上述的設(shè)計要點(diǎn)下，對于設(shè)備的選擇也需要分為兩個方面，即分別是高壓設(shè)備和低壓設(shè)備的選擇。對于高壓設(shè)備來說，其必須滿足一次電路正常情況和在發(fā)生短路故障下的具體要求，并且保證設(shè)備的安全可靠性，確保設(shè)備在維修過程中能夠更加簡便，在成本上滿足一定的經(jīng)濟(jì)性條件[5]。而低壓設(shè)備則更加需要考慮到其安裝的位置。具體可以按照表1和表2中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)來進(jìn)行選擇。

表1 高壓電器相關(guān)參數(shù)

表2 低壓電器相關(guān)參數(shù)

4 城市生活污水處理廠的自控系統(tǒng)設(shè)計

4.1 污水處理廠的PLC控制站設(shè)計

在污水處理廠的電氣自控系統(tǒng)的設(shè)計中，需要包含三方面的內(nèi)容，也就是編程計算機(jī)、工業(yè)監(jiān)控、PLC三個方面，組成三層計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)模式。具體來說，在設(shè)計PLC控制站中需要將上述三個內(nèi)容，分成PLC站控制層、中央管理層和現(xiàn)場設(shè)備層，便于對污水進(jìn)行綜合處理。所謂中央管理層，實(shí)際上就是通過與PLC站進(jìn)行結(jié)合，通過環(huán)形光纖工業(yè)以太網(wǎng)來對監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行組網(wǎng)，從而更好的提高對污水處理的效率[6]。而PLC站控制層就是污水處理廠電氣自控系統(tǒng)的核心所在，所以對其的設(shè)計應(yīng)該要更加合理，在設(shè)計上應(yīng)該要使用就近原則，針對具體的污水處理工藝和相應(yīng)的廠內(nèi)結(jié)構(gòu)布局來進(jìn)行設(shè)計，保證線路的合理，并提高自身的監(jiān)控效果。當(dāng)然，作為自控系統(tǒng)，其在信息獲取方面必須保證效率和質(zhì)量，確保監(jiān)控資源的實(shí)時和共享，保證污水處理效率的有效傳遞。

4.2 系統(tǒng)選型

對于系統(tǒng)的選型主要包括自控系統(tǒng)的設(shè)備選型和自控儀表的選型。對于前者來說，其必須根據(jù)具體的處理工藝和污水處理廠規(guī)模為基礎(chǔ)，針對污水處理廠的中央管理層上位機(jī)控制系統(tǒng)和具體的設(shè)備需求、PLC控制站的具體情況來選型。例如，在污水處理廠的電氣自控系統(tǒng)中，通過合理的選型可以有效的加強(qiáng)中央的管理層與PLC站的結(jié)合，確保其信息傳遞的高效，結(jié)合以太網(wǎng)交換機(jī)選擇智能網(wǎng)關(guān)監(jiān)控系統(tǒng)也可以更好的提高信息的質(zhì)量，確保信息數(shù)據(jù)在傳遞過程中的穩(wěn)定性和安全性。對于后者來說，在自控儀表選型方面則主要是檢測水質(zhì)的儀表儀器以及檢測生產(chǎn)物理參數(shù)的儀表儀器。對于前者來說則是氨氮儀表、濁度儀表、有機(jī)物質(zhì)檢測儀表、pH儀表等，后者則是包括溫度、流量、壓力和液位等檢測儀表，因?yàn)椴煌膬x表具有不同的原理，所以也需要結(jié)合污水處理廠的現(xiàn)狀來進(jìn)行選擇[7]。

4.3 自控儀表的設(shè)計

為了能夠更好的提高自控系統(tǒng)的效率，提高污水處理的質(zhì)量，還需要加強(qiáng)對水質(zhì)等眾多參數(shù)的監(jiān)控和分析。而上述的自控儀表選型工作應(yīng)該要在科學(xué)合理的自控儀表設(shè)計工作下進(jìn)行。一方面，設(shè)計人員需要針對污水的處理流程進(jìn)行嚴(yán)格的分析，要針對各個流程的需求來設(shè)置好檢測的儀表。也就是說，為了能夠更好的提高儀表的合理性，設(shè)計人員要匯總各個工藝流程，并針對現(xiàn)場的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分的研究，根據(jù)相應(yīng)的技術(shù)規(guī)程和國家標(biāo)準(zhǔn)來選擇合適的自控儀表類型；另一方面需要注意的是，要根據(jù)各個工藝環(huán)節(jié)設(shè)置相應(yīng)的安全儀表，用以保障人員安全，如甲烷、硫化氫、CO、氧氣等氣體檢測儀表。因?yàn)闄z測儀表的具體作用就是收集相應(yīng)的信息，并且將該信息傳輸?shù)缴鲜龅腜LC運(yùn)輸站之中，而這些數(shù)據(jù)將通過PLC運(yùn)輸站導(dǎo)入中央管理層，這樣就可以方便檢測人員去對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，采取相應(yīng)的措施來提高工藝流程的質(zhì)量和效率，所以還需要設(shè)計人員能夠更加了解到污水處理的各項(xiàng)工藝，明確當(dāng)前污水處理廠面臨的主要任務(wù)和需求，這樣才能夠更好提高設(shè)計效果[8]。

5 節(jié)能減耗研究

在污水處理廠中具體要對五個方面進(jìn)行節(jié)能。

第一點(diǎn)是在工藝上進(jìn)行節(jié)能，這一點(diǎn)至關(guān)重要。

一是提升泵房和回流污泥泵要采用高效率的潛污泵，進(jìn)水泵則需要根據(jù)流量來進(jìn)行設(shè)置，要大小泵搭配，在高水位啟動泵，這樣可以減少能耗。二是要在氧化溝鼓風(fēng)曝氣等流程中采用具有高效、變頻調(diào)速功能的鼓風(fēng)機(jī)，并且根據(jù)具體的進(jìn)水量和水質(zhì)情況來選擇供氧量。

第二點(diǎn)是對變配電設(shè)備進(jìn)行節(jié)能，則需要選擇變壓器的容量和數(shù)量，合理選用運(yùn)行方式，并且選擇合適的測量計。在電力方面則需要盡可能將單項(xiàng)用電分散與三相網(wǎng)絡(luò)中，并根據(jù)具體的需求來抑制非線性負(fù)荷產(chǎn)生的高次諧波。

第三點(diǎn)是對電動機(jī)進(jìn)行節(jié)能，需要選擇高效率的電動機(jī)，并確保電動機(jī)具有調(diào)速的功能。異步電動機(jī)可以適當(dāng)?shù)氖褂镁偷匮a(bǔ)償裝置，提高功率因素和降低損耗。另外對于大功率設(shè)備盡量采用變頻等措施，并且做好電壓、電流表的配置，加強(qiáng)對其運(yùn)行參數(shù)的檢測。

第四點(diǎn)則是對照明系統(tǒng)的節(jié)能，其本質(zhì)上就是要求保證不影響照明效果的條件下對線路進(jìn)行設(shè)計，最大程度的利用電能，其主要包括使用節(jié)能附件、改進(jìn)燈具的控制方式等，這還需要對具體的情況進(jìn)行分析。

第五點(diǎn)則是建筑節(jié)能，其主要是通過設(shè)置遮陽板、減少窗墻比等方式來達(dá)到節(jié)能效果。

6 結(jié)語

綜上所述，論文探討了關(guān)于城市生活污水的電氣與自控系統(tǒng)的設(shè)計與研究，提出了關(guān)于電氣體系、自控體系的相關(guān)設(shè)計內(nèi)容，并且提出了節(jié)能減耗的五個要點(diǎn)，重點(diǎn)講述了城市污水研究的重要性和必要性。