城鎮污水處理廠電氣負荷計算及自控系統設計

鄒文聰

（中信建筑設計研究總院有限公司，天門 430000）

2012年以來，我國城鎮化取得巨大成就，由此帶來的水資源污染問題不容忽視。既要保證出水水質正常，又要盡量低成本投入，對城鎮污水處理提出了兩大需求目標。可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）技術和新型電氣負荷計算的有效結合，可實時監測污水處理廠各工藝設備運轉狀況，分析計算監測數據，調整電氣控制系統中各設備運營參數，實現城鎮污水處理廠控制系統的高質量運行[1]。可見，研究城鎮污水處理廠電氣控制系統負荷計算與自動控制系統設計，不僅有利于提高城鎮污水處理廠運作效率和質量，還有利于解決生態環境的改善與水資源短缺問題。

1 城鎮污水處理廠電氣系統的負荷計算

1.1 城鎮污水處理廠工藝流程簡介

以S市馬窩工業園污水處理廠（以下簡稱“馬窩污水處理廠”）為例介紹電氣負荷計算。馬窩污水處理廠是為適應經濟和社會高速發展的S市因污水排放總量劇增而建設的，設計日處理規模為12萬t，屬于三類污水處理廠。總體工藝流程充分考慮進出水質特點與要求，采取三級處理（分別為粗細格柵預處理、除砂池和氧化池處理、沉淀池和V形濾池處理），且污泥和污水分別被排放。馬窩污水處理廠三級處理總體工藝流程如圖1所示。

由污水處理工藝流程圖，可知它的主要設備及其功能。第一，進水泵、粗格柵、清污機。污水主要通過進水泵輸送至處理池。進水泵由4臺潛水泵構成。污水中大粒徑污染物和垃圾的清理工作主要由粗格柵完成。第二，細格柵、曝氣除砂池。污水中的較小漂浮物和懸浮物的截斷主要由細格柵裝置完成。沉砂池包括轉鼓式細格柵、羅茨風機等主要設備。污水中較大顆粒的砂粒和無機物在沉砂池截除。第三，生化池、鼓風機房。污水中大多數可生化降解污染物的清除都在生化池中進行，核心設備是能耗較大的鼓風機。第四，二沉池、污泥濃縮池、污泥干化間。生化池處理后的污水流入二沉池，實現污泥和污水分離，關鍵設備包括回流污泥泵和出水提升泵。污泥分開后，在污泥濃縮池和污泥干化間進行深度處理[2]。

1.2 城鎮污水處理廠電氣系統的負荷計算

污水提升泵房、鼓風機房、污泥脫水機房、生化系統、通風系統等場所占據馬窩污水處理廠大部分用電負荷，其他生產和辦公地有少量分布。鼓風機房包括300 kW和550 kW兩種類型風機各3臺，使用4臺，分別備用1臺，總計2 550 kW安裝容量。鑒于污水處理廠設備運行特點，選擇需要系數法作為基本方法，根據不同類別電氣設備的實際狀況不斷完善。預處理、膜生物反應器（Membrane Bio-Reactor，MBR）生化池、MBR膜池是馬窩污水處理廠的主要用電負荷區域，以下逐一分析并計算這些區域設備的用電負荷。

圖1 MBR工藝流程圖

1.2.1 預處理區域設備負荷計算

粗格柵、細格柵、沉砂池、初次沉淀池、輸送機、壓榨機以及污水提升泵等構筑物和設備組成預處理區域[3]。格柵除污機是安裝在格柵的主要用電設備。砂水分離器和提砂泵雖然功率不大，但是在1～10 kW是該構筑物中的主要負荷設備。潛水泵是提升泵房的主要工具，也是預處理階段的主要用電負荷。

馬窩污水處理廠設計日處理規模為12萬t，換算后為每小時為6 250 m3。每臺水泵的小時流量為2 065 m3，揚程為11.5 m（同水池高），3組設備，潛水泵電機功率合計為90 kW。

由預處理區域內各部分用電設備提供的資料，不難計算出預處理區域總負荷。

1.2.2 MBR生化池設備負荷計算

MBR生化池區域劃分為厭氧區、缺氧區Ⅰ、好氧區、缺氧區Ⅱ等幾個部分[4]。

潛水攪拌器是厭氧區的主要用電設備。馬窩污水處理廠厭氧區設計安裝8臺槳葉直徑為580 mm、轉速為475 r·m-1、功率為7.6 kW的潛水攪拌器。

潛水推進器是缺氧區Ⅰ內的主要用電設備。馬窩污水處理廠缺氧區Ⅰ內設計安裝10臺槳葉直徑為2 500 mm、轉速為42 r·m-1、功率為5.3 kW的潛水推進器。

曝氣風機、潛水推進器、混合液回流泵是好氧區內的主要用電設備。馬窩污水處理廠好氧區內設計安裝4臺槳葉直徑為2 500 mm、轉速為28 r·m-1、功率為5.3 kW的潛水推進器。根據工藝要求，設計3臺（含1臺備用）流量為187 m3·min-1、壓強為76 kPa的高級單速離心風機，計算功率為340 kW。混合液回流泵設計參數流量為2 100 m3·h-1，揚程為1.0 m。引用提升泵房內水泵計算公式，計算回流泵功率為11.8 kW，設計安裝6臺，另外備用1臺。

潛水推進器在缺氧區Ⅱ為電氣負荷最大的設備，其次為污泥回流泵。馬窩污水處理廠缺氧區Ⅱ內設計安裝4臺槳葉直徑為2 500 mm、轉速為42 r·m-1、功率為5.3 kW的潛水推進器。污泥回流泵用于輸送缺氧區Ⅱ的活性污泥，確保厭氧區的活性污泥濃度在一定范圍內。缺氧區Ⅱ內設計安裝4臺流量為2 100 m3·h-1、揚程為1.0 m、功率為11.8 kW的污泥回流泵。

MBR生化池區域總負荷由MBR生化池區域內各部分用電設備提供資料計算求解。

1.2.3 MBR膜池設備負荷計算

生化反應后的活性污泥需要進一步處理，大分子有機物也要經過處理后進入下道工序，它們共同被截留于MBR膜池。MBR膜池的“秘密武器”是膜分離設備。MBR平片膜組件結構獨特，在曝氣池中充當過濾器，由此過濾出污水中的水泥。

MBR膜池區分為膜池和設備間兩個部分。污泥回流泵是膜池部分耗電大戶，MBR膜池設計安裝7臺（含1臺備用）流量為3 500 m3·h-1、揚程為1.35 m、功率為27 kW的回流泵。

設備間主要安放膜系統設備，包括產水泵、反洗泵、排空泵、剩余污泥泵、壓縮空氣及真空管路系統等。由膜池過濾時間和空曝氣時間2個參數可以計算日過濾時間為20.4 hr（計算過程為24 hr×8.5 min÷10 min）。

膜下部借助曝氣風機產生曝氣，保證MBR膜池平穩運行。馬窩污水處理廠MBR膜池設計平均膜通量為17 L·m-2·h，膜區擦洗汽水比為5.4∶1～7.5∶1。正常工作情況下，3臺鼓風機（含1臺備用）按最大汽水比7.5∶1計算，則每臺鼓風機設計流量為260 m3·min-1。依據提供的資料，風機風壓為50 kPa，可以計算出風機功率為320 kW。

產水泵是將膜池進化后的水傳送至紫外消毒池進行下一步消毒處理。按最大日處理量計算，則12列膜池產水泵設計流量為531 m3·min-1。依據提供的相關資料，揚程設計為22 m，可以計算出水泵功率為45 kW。排空泵用于清空膜池，馬窩污水處理廠膜池設計安裝2臺（含1臺備用）流量為350 m3·h-1、揚程為12 m、功率為18.5 kW的排空泵。設計安裝2臺流量為550 m3·h-1、揚程為10 m、功率為22 kW的反洗泵。設計安裝2臺（含1臺備用）流量為100 m3·h-1、揚程為15 m、功率為7.5 kW的剩余污泥泵。

區域總負荷由MBR膜池各部分用電設備提供的資料計算所得。

1.2.4 其他構筑物內負荷計算

隔膜計量泵、排水泵、中心傳動刮泥機分別是加藥間、排水泵井、濃縮池及儲泥池內的主要用電設備。消毒區域的主要用電設備是回水泵和紫外消毒設備與水流控制裝置。除了上述設備，負荷計算需考慮建筑通風、除臭、照明以及自控等設備[5]。

1.2.5 污水廠內整體負荷計算

馬窩污水處理廠總用電負荷是各區域電氣負荷的總和乘一個系數，同時對功率因數進行補償。全廠補償后的功率因數不低于0.96。

1.2.6 污水處理廠高低壓配電系統設計

廠區內設置1處10/0.4 kV變電所，其中10 kV配電系統包括320 kW、340 kW風機各3臺，各使用2臺，分別備用1臺，安裝容量和工作容量分別是1 980 kW、1 320 kW。0.4 kV配電系統工作容量為3 325.5 kW。

2 城鎮污水處理廠電氣自控系統的總體設計

馬窩污水處理廠電氣自控系統總體設計為一個具有冗余的工業千兆以太網主干光纖網絡。每個主要的工藝段設備都必須設計一個PLC控制主站點。中控室設計一個獨立的自控監測控制系統，實現對設備和工藝的監測、控制、趨勢、報表以及數據庫等功能。

冗余服務器（輸入/輸出服務器、數據服務器、電能監控服務器等）、站點（工程師站、操作員站、遠程通信工作站等）、打印機共同組成中央監控系統。計算機之間的連接方式采用以太網。

多個模塊化的通信接口（EtherNet、RS-232、工業總線等）是現場控制站的設備，被安裝在同一個PLC機架上，在各種網絡之間組態一個網關（工業總線在5～100 Mb·s-1）進行橋接和數據傳送[6]。

整體式是設備級控制單元產品結構類型，既可以與擴展模塊相互銜接，也可以與系統提供的現場總線通信接口、RS-232等結合。現場總線速率最大可達1 Mb·s-1。

3 結語

以某市馬窩污水處理廠為例，簡要介紹該污水處理廠整體用電負荷的推算過程。通過電氣負荷計算與自控系統設計，不僅為同類型污水處理廠電氣負荷計算提供借鑒，也有利于操作人員熟悉污水處理廠設備參數，從而確保其穩定運行。