健康城凈水廠電氣自控設計

彭躍進

（廣東省交通規劃設計研究院集團股份有限公司，廣東廣州 510507）

本工程建設內容為廣州市白云區健康城凈水廠首期工程，本期工程設計總規模15萬m3/d，其中首期土建按15萬m3/d 一次完成，設備安裝10萬m3/d，凈水廠采用預處理+MBR 污水處理工藝。

根據建筑、工藝推薦的方案，主體構筑物為地下式，將預處理、濃縮池、生化池、加藥間、儲泥池、污泥干化間等構筑物置于地下層以控制污水處理廠運行過程中的臭氣污染。而在地面層建設開關房、生產調度中心等對環境影響較小的構筑物。地埋式污水處理廠涉及給排水、建筑、結構、電氣、自控、暖通、消防以及概預算等專業之間的交叉及配合，其中，電氣自控在地埋式污水廠的整個設計過程中起著至關重要的作用。電氣自控設計包括以下內容。

（1）10/0.4 kV 變配電設計；

（2）動力照明設備配電及控制設計；

（3）防雷及接地設計；

（4）自動化控制系統及監控儀表；

（5）電力監控系統；

（6）安防系統。

1 設計標準

污水廠電氣自動化系統設擇采用現階段的先進技術，在今后相當長一段時間內可保持其技術先進性、具有良好開放性和擴展性能的產品。系統構成能適應計算機、網絡發展的趨勢，實現全廠生產和管理的自動化，保障污水處理廠運行安全、可靠、出水水質穩定，同時還充分考慮經濟適用性與合理性。

（1）遵循“分散控制、集中管理”。污水處理廠電氣、自動化典型控制效果如圖1所示。根據生產工藝的要求，按照工藝功能進行檢測和控制站點設置，以將工藝過程故障分散，工藝管理集中，保證系統各部分運行的穩定性和可靠性。在某一部分發生故障后，其他部分仍能正常工作，使系統整體性能為工藝生產的服務達到最優。實現“集中監控和管理、分散控制”，以保證整個污水處理廠運行效能。

圖1 污水處理廠電氣、自動化典型控制效果圖

（2）“集成化，模塊化”原則。滿足污水處理廠生產管理、污水處理工藝對自動化控制的要求，保證自動化控制系統在配置上的完整性和適應性。集成化原則，應選擇高效集成的設備，便于控制、管理和維護。模塊化原則，應在軟、硬件上都采用商業化、通用化、模塊化結構的設備，使系統具有較強的擴展能力。

（3）硬件配置應符合國際工業標準，可靠性高、適應能力強、擴展靈活、操作維護簡便。配置具有開放性結構、良好的人機界面、完整的系統平臺軟件；管理軟件、監控軟件、現場控制軟件的編制從方便管理、控制最優的角度進行；同時考慮用戶再次開發的潛力。

（4）較高的系統性價比。設計系統綜合考慮生產、管理、安全、經濟等諸多因數；將工藝生產過程和相關設備納入系統綜合考慮；在設備的選型上，選用國內外具有豐富的污水廠產品供貨經驗和能力的廠家，保證設備的性能指標。

2 電氣自控設計總體評價

對健康城凈水廠電氣、自動化系統工程進行整體設計考慮，確定系統方案。設置污水處理廠監控系統，根據現場構筑物的位置及工藝過程確定控制站點，以保證污水廠出水達到設計目標和要求，達到國家排放標準。同時節省工藝生產的能耗、物耗，提高工廠的生產水平和能力。

廠區自動化監控系統讓管理人員能及時準確地掌握進出污水水質及其變化過程，監測和控制污水處理流程的各個生產環節，改善操作環境，提高管理水平，準確、全面地反映污水廠進出廠水水質參數和水量情況；自動獲取各個處理單元出口主要檢測參數，以監視各個處理單元的處理效果；檢測參與控制的各種工藝參數和物理參數。視頻監控系統實時監視設備運行狀況，達到無人職守的目的。電力監控系統對污水廠的高低壓配電系統的高低壓配電柜、變壓器、直流屏、UPS 等實施自動監測及控制，實現電力系統運行的自動化，提高供配電系統運行的可靠性及管理效率。

3 設計方案總結

3.1 智能化的能效管理設計

采用數字化的電力參數采集設備和網絡，運用智能化的能效分析管理軟件，實現對污水廠智能化的電能能效分析和管理。

污水廠具有種類繁多的生產設備，除鼓風機、泵類、攪拌器類設備外，還包括通風系統、照明系統等輔助設備。為了實現對廠區用電及能源消耗狀況的全面監測、分析和評估，優化生產工藝用能過程，科學合理地制定能耗考核標準和體系，對能源消耗過程進行信息化、可視化管理，在污水廠建立一套精細化的電力能效管理系統。

整個能效管理系統在中控室配置一臺監控服務器，在各高低壓配電柜，動力配電箱、設備控制箱（柜）內均設置帶數字通信接口的智能電力儀表和開關元件，通過廠區工業以太網將相關電力數據傳送到監控計算機中，然后運用智能化的能效管理軟件，對不同時段、不同工況、不同區域的數據分別進行報送和分析處理，并對各機械設備進行優化配置，使其運行在最高效的狀態，從而提高整個污水廠的能效水平。

能效管理系統的功能主要包括以下幾個方面。

（1）能耗監測。通過數字化智能電力表，將采集的能耗數據通過網絡實時傳送到監控計算機上，以供運行人員實時掌握整個廠區設備的運行狀況。

（2）能耗分析。利用系統強大的歷史數據追溯和分析功能，對污水處理廠不同時段所采集到的數據分別進行橫向和縱向分析，生成各種能耗數據報表與曲線，發現能耗結構和過程中的深層次問題。

（3）節能分析。根據能耗分析的結果，對污水處理廠各工藝段的設備運行情況進行優化，針對水質與水量實時進行調節，使得設備運行在最高效的區間內，降低無謂的能源損耗。

（4）趨勢分析。對一段時間內采集到的數據進行趨勢分析，與歷史能耗數據進行對比，預測下一階段的能耗變化水平與趨勢，提前提出優化建議和方案。

（5）智能報表。系統可根據污水廠運行管理的需要，分時段、分工藝段輸出各種類型的智能分析報表，報表可作為生產、管理人員指導運行的依據，使污水廠能效始終保持在科學、合理的水平。

3.2 全面的節能增效措施

本工程電氣自控設計充分響應“節能減排”的號召，設計供配電系統選用節能產品，實現電氣節能。

（1）變電所位于用電負荷中心。本期工程共設1個高壓配電中心、5個分配電中心，除開關房外，所有配電中心均建在負一層。

（2）選用SCB13節能型干式變壓器，采用在變電所低壓側設無功功率自動補償裝置集中補償，補償后計量功率因數達0.95以上。功率因數的提髙有效減少線路損耗，達到節能目的。

（3）污水廠的“用電大戶”離心式水泵的負載特性屬平方轉矩型的負載。理論上轉速與流量成正比、流量的平方與揚程成正比、轉速的立方與泵的功率成正比。因此當流量變化范圍大、系統管路靜壓較小時，釆用調速技術節能效果顯著。本工程中的污泥泵、風機均配置了變頻裝置，以使設備運行在最佳工況點，達到節能效果。

（4）照明設計的房間或場所的照明功率密度值滿足規范規定的現行值的要求，減少能耗。照明光源采用新型LED 燈，所有燈具均單燈補償至功率因數大于0.9，減少照明線路損耗。

3.3 全數字網絡、實時監控的智能化工廠

基于分布式PLC 控制器的自控系統在污水處理生產流程過程控制中得到了普遍采用。無論是檢測執行級還是中央監控級，均采用全數字化網絡，配合全廠設置的共5套PLC 智能化現場測控站，組成全數字網絡的智能化工廠。

在信息管理監控層和現場控制層之間，采用1000 M 光纖形冗余全交換工業以太網。全交換的網絡構架和高速的網絡帶寬確保了數據傳輸的實時性。環形冗余的光纖結構避免了線路故障帶來的系統失效，大大提高了可靠性。

數字化網絡技術為各個智能化子系統提供了高速的信息互通通道，為廠區的智能化管理和控制提供了保障。

3.4 優化的數據存儲及管理分析系統

污水廠中控室機房內設置容錯數據庫服務器，同時運行實時數據庫及歷史數據庫軟件，通過對系統的整合和上位軟件的編制，構建全廠的數據服務系統，實現全廠智能決策調度。

從監控組態軟件的實時數據庫中獲取數據，為精細化運行管理提供數據支撐；為工藝參數計算、綜合報表處理等提供統一、標準的解決方案。

全廠管理系統以數據庫服務器和實時數據庫系統作為企業辦公管理決策體系和工業自動化系統的數據共享和數據交換的基礎平臺，通過數據庫軟件將生產運行數據進行預處理，以實現采集、存儲生產運行數據，分析、指導生產運行調度，及時、準確生成統計分析報表，科學規范地管理設備資產等各項功能，從而實現全面提升生產管理效率和運營水平的信息化管理目標。

4 設計問題的思考與總結

4.1 加強管線綜合設計

（1）目前存在問題。地下污水處理廠的各類管線眾多，涵蓋工藝、通風、消防、電氣、監控等各個專業的管線，目前的管線綜合設計主要針對各類工藝管線，造成在項目實施階段各種管線的路由發生沖突（業主與施工單位均多次反映該問題），影響項目實施質量。

（2）建議的解決措施。①在項目設計階段的管線綜合設計中能真正涵蓋各個專業的主要管線，定義好各個專業主要路由管線的標高及空間位置。管線綜合專業圖紙必須經過各專業設計人會簽方可成為正式設計文件；②同時，可以輔助BIM 等設計手段，讓污水廠的管線設計更加科學、合理。

4.2 加強節能設計及能耗管理

（1）目前存在問題。節能設計是地下污水廠設計的一項重要工作，根據最新的規定，所有達到一定規模的污水廠均要在項目初期進行節能評估，項目施工后進行節能專項驗收，其中電氣節能是節能設計一個重要組成部分。

目前，電氣、自控專業通過采用新型節能設備（包括節能型變壓器、節能LED 光源、消諧智能功率補償裝置、設備變頻），智能照明控制系統，智能電能監控系統以及強化設備的智能控制設計等措施降低污水廠的能耗，但目前地下污水處理廠的用電設備包括工藝設備、通風除臭設備的能耗越來越多（每噸水的用電量），多次受到節能評估單位的質疑。

（2）建議的解決措施。在今后的工作中，如何與工藝、通風專業一起把控設備能耗將是一項重要的工作，否則無法消除外界“高耗能換取高水質”的質疑。

4.3 加強有毒有害氣體的監測與報警

（1）目前存在問題。根據《城鎮排水系統電氣與自動化工程技術標準》（CJJ120-2018）的要求，目前的有毒有害氣體檢測主要設置在預處理區（H2S）和泥區（H2S 及CH4），根據目前的一些調研結果，在污水廠區域尚有其他的有毒有害氣體成分，如CO、NH3等。

（2）建議的解決措施。今后將與通風專業加強設計方面的聯絡與溝通，根據已完工的污水廠的氣體檢測結果，加強有毒有害氣體的監測設計，制定出新的聯動控制模式，同時根據有毒有害氣體的監測結果啟動相應的通風設備。

5 結束語

在城市地埋污水廠電氣自控設計過程中，需要嚴格按照相關程序開展設計工作，及時梳理設計過程中的不足，通過優化設計布局、完善控制架構、提升維護效率等方式，保證設計的合理性和有效性。同時需要重視污水處理廠中的電氣自控設計，加大先進技術、設備的引進力度，構建和完善智慧水務體系，為污水廠的自動化、高效化、智能化打下堅實的基礎。