基于保山市大柱山凈水廠電氣與自控系統設計

摘 要：介紹了保山大柱山凈水廠的高低壓配電系統、負荷計算及自控系統、工藝儀表設置的設計要點，保障了凈水廠工藝設備以及水廠內包裝飲用水廠房的可靠安全運行，并為以后可能的擴建預留空間，以及針對高海拔潮濕環境的凈水廠廠區電氣自控設計提出了一些建議，可以為類似項目提供參考。

關鍵詞：凈水廠；配電系統；負荷計算；自控系統

中圖分類號：TU852 文獻標識碼：A 文章編號：2096-6903（2024）09-0102-03

收稿日期：2024-04-05

作者簡介：王宣元（1994—），男，吉林白山人，本科，工程師，研究方向：市政電氣設計。

0 引言

根據保山市當地的水資源條件及當地供電部門要求，對保山大柱山凈水廠的高低壓配電系統及自控系統儀表設置的設計要點進行了研究，保障了凈水廠工藝設備的可靠安全運行，并為以后可能的擴建預留空間。大柱山凈水廠設計規模為4萬m3/d，采用混合、絮凝、沉淀、過濾、除氟等凈水工序，并包含一座包裝飲用水廠房。

1 電氣設計

1.1 10 kV配電系統設計

根據《城鎮排水系統電氣與自動化工程技術標準》（CJJT 120—2018）文中電氣系統的一般規定，本工程屬于排水設施，設備的供電負荷等級確定為二級[1]。經與當地電力部門溝通后，由當地電力部門規劃兩路10kV高壓電源進線，兩路高壓電源一用一備，每路電源均能滿足全廠100%的用電負荷。10 kV高壓側采用單母線分段，中間設聯絡開關的接線方式。10 kV電源進線采用帶微機型綜合繼保裝置的時限電流速斷及過電流保護，10 kV高壓斷路器采用直流220 V彈簧操作機構，彈簧操作機構電源引自直流屏。

1.2 負荷計算與變壓器選擇

由于大柱山凈水廠包括一座包裝飲用水廠房，且除氟設備用電量較大，根據當地電力部門要求，當地變壓器容量應小于等于2 000 kVA，因此本工程共設置4臺1 600 kVA變壓器，兩用兩備。由于除氟設備用電量占凈水廠總用電量比重約為47.4%，為使變壓器的負載較為均衡且方便后期的管理，因此4臺變壓器中劃分出2臺單獨為除氟設備供電（除氟間設備接入#3、#4變壓器，其余設備接入#1、#2變壓器）。根據《城鎮排水系統電氣與自動化工程技術標準》（CJJT 120—2018）設備組需要系數確定功率計算的同時系數與功率因數，計算結果如表1、表2所示。

根據負荷計算，#1、#2變壓器平均負載率約為76%（低壓側補償到0.94），事故保證率100%；#3、#4變壓器平均負載率約為70%（低壓側補償到0.92），事故保證率100%。

1.3 低壓系統設計

保證凈水廠的正常運行以及方便后期維護和管理，0.4 kv低壓側采用單母線分段，中間設聯絡開關的接線方式，兩路進線與聯絡開關采用三鎖兩鑰匙機械及電氣閉鎖。為保證凈水廠配電系統低壓側的功率因數不小于0.9，在低壓進線處設置電容補償柜，能夠智能投加補償電容。為保證供電質量，在低壓進線處設置有源濾波柜，去除電源中的噪聲與干擾。

為方便運營人員操作與維修，使柜體的使用更加安全和快捷，大柱山凈水廠低壓配電柜采用MNS抽屜柜。低壓配電柜除為主要配電回路預留相同規格的斷路器開關外，配電柜額外預留了部分整定電流不小于63 A的斷路器開關，方便凈水廠配電系統以后的擴展。

1.4 電纜敷設設計

一般情況下，配電間應設置于負荷中心，但是由于受到大柱山凈水廠廠區地理條件的限制，大柱山凈水廠配電間不能設置在廠區的中心位置，只能設置于廠區東南區域的清水池上，除規劃預留用地外，水廠內所有建筑物或構筑物單體均在配電間的西側與北側，所以大柱山凈水廠配電間相較于一般配電間需額外注意地面防水防潮設計，與配電間的回路出線設計。

本工程室外電纜敷設采用電纜溝、熱鍍鋅鋼管與不銹鋼橋架相結合的方式。根據廠區用地標高的限制，清水池北部池體位于廠區中央道路下，所以配電間出線電纜溝無法設置于北側，只能設置于配電間的西南側，為保障預埋足夠熱鍍鋅鋼管過路，考慮到單個水井的大小，可以穿過的熱鍍鋅鋼管根數有限，所以在配電間外側電纜溝選擇多個點位設置電纜手井，預埋熱鍍鋅鋼管過路管，方便電纜出線。由于配電間設置于廠區東南區域，距離其他建筑物或構筑物單體較遠，所以為滿足電壓降要求，本工程采用的主桿電纜的規格較大。

1.5 建筑物、構筑物單體設備配電設計

在建筑物或構筑物單體設置配電箱，為單體內設備提供電源，并在單體配電箱中預留備用回路及插座。在工藝設備就近處設置按鈕箱與控制箱，部分控制箱根據工藝要求配套變頻控制。由于保山市位于云南省西南部，海拔較高為1 800 m左右，晝夜溫差較大，導致清晨霧氣較多容易在配電箱中凝結水珠，所以在配電箱中配有通風設備并為容易積水的配電箱增加加熱設備?？紤]到凈水工藝流程中添加的藥劑腐蝕性較大，會加快構筑物內的金屬的腐蝕，所以構筑物單體內的配電箱外殼、工藝設備的按鈕箱與控制箱外殼以及電纜敷設使用的橋架采用不銹鋼材質。

本工程接地方式采用TN-S制，在電源進線處設置重復接地，在各單體總配電箱處設置總等電位端子，在進線處設置一級防浪涌裝置。沿單體外圍設置接地線，方便工藝設備的金屬外殼和其他金屬器件的接地連接，構成共同接地體，確保工作人員的安全。

根據凈水生產工藝的需求，本工程需要用到潛水泵、干式泵、風機、閥門等設備。其中運行功率在15 kW以上的電機需采用變頻控制。潛水泵由于在水下工作，本工程將潛水泵電機的超溫、泄漏、過載、故障等信號傳送至PLC，以便對水泵的運行狀態進行智能監控，在潛水泵電機出現故障時能夠切斷水泵電源并通知有關人員。

為方便操作人員在控制設備時能夠實時了解相關工藝流程的運行狀態，設備的控制箱與按鈕箱就近設置，控制箱上設置有控制面板，現場每臺設備均可進行現場手動控制，每臺設備可隨時投入或撤出自動控制系統。由于部分池體外圍走道板較為狹窄，設備配套控制箱采用槽鋼作為基礎落地安裝后，不方便工作人員通行或者操作控制箱，所以在走道板狹窄處，采用槽鋼固定于欄桿上支柱安裝配電箱，為方便工作人員察看面板數據以及操作使用，將按鈕箱與控制箱的面板離地高度設置為1.3 m。

2 包裝飲用水廠房設計

本項目包裝飲用水廠房建設于大柱山凈水廠內，廠房占地1 857㎡，包含500 ml瓶裝水生產線1條，購置12 L桶裝水生產線1條，并配套部分設備、水處理、污水處理等公用工程設備，形成年新產3.1萬噸包裝飲用水（500 mL瓶裝水3 600萬瓶/年，12 L桶裝水110萬桶/年）的生產能力。

為滿足包裝飲用水廠房的生產需求，本工程考慮了如下措施：第一，為保障包裝飲用水廠房的生產活動能夠連續運行，包裝飲用水廠房的電源引自配電間低壓柜，電源采用獨立回路，不與其他構筑物或建筑物單體共用電源，且不與其他負荷混用。確保了電源的穩定性、獨立性，方便包裝飲用水廠工作人員的管理，不會因凈水廠工藝設備的檢修調試影響包裝飲用水的生產

第二，為保障包裝飲用水生產所需要的無菌條件，因此選擇對環境影響較小的嵌入式燈具，避免燈具的積灰，方便工作人員清理、降低維護難度。與廠區其他單體內為方便設備維修調試而選擇電纜穿橋架或熱鍍鋅鋼管明敷不同，包裝飲用水廠房內電纜選擇在墻內或頂板暗敷，優化電纜走線布局，避免對環境造成影響。通向外界的管線應在進戶處做好封堵，通風風機的開口應設置防護網。由于包裝飲用水廠的生產條件密閉性較好，如果發生火災對人體傷害較大，因此選擇阻燃電纜，并設置自動滅火裝置[2]。

3 自控設計

3.1 自控系統設計

根據集中管理，分散控制的自控設計原則為凈水廠建立一套控制系統。由1個中央站與4個現場子站構成控制環網。在凈水廠廠區綜合樓的中控室設1個中央站，在配水井及絮凝沉淀池、V型濾池及反沖洗泵房、加壓泵房及清水池各設置一個PLC現場控制站，對各單體的所有工藝設備、儀器儀表進行監測、控制，PLC內應預留足夠的卡件數量以便將來擴充。脫水機房、加氯加藥等一體化設備采用光纖接入到就近PLC中。為廠區外的取水泵房預留4G/5G無線通信接口[3]。

為滿足凈水廠網絡安全的需求，在中控室自控設備中設置安全管理平臺，設置工業防火墻，監控設備的運行狀態，監測網絡的通信安全，并且能夠對廠區網絡內部的安全威脅進行分析與清除。

3.2 儀表設計

在進水處設置流量井，在流量井內設置電磁流量計，監控整個廠區的進水水量，方便工作人員調整后續凈水工藝流程。

在配水井-絮凝沉淀池進水處設置濁度計和PH/T計，監控進水水質是否達標。在配水井-絮凝沉淀池出水處設置濁度計，通過前后濁度計的數據對比了解絮凝沉淀池出沉淀效率，判斷當前水質是否可以進行進一步的深化處理[4]。

在V型濾池-反沖洗泵房的濾格中設置超聲波液位計，監控液位變化，保持濾格中液位恒定，在濾格中設置水頭損失儀，通過過濾前后損失的液位，監控過濾效率。當過濾效率較低濾池濾板達不到預定過濾效率時，對濾池濾板進行反沖洗。在反沖洗泵房中設置空氣壓力傳感器、空氣流量計、液體壓力傳感器、液體流量計，監控反沖洗管道內的氣體和液體的流速，借此控制反沖洗羅茨鼓風機和清水泵的運行狀態。

在清水池、污泥濃縮池和排泥池處分別設置超聲波液位計、污泥濃度計、和泥位計確保相關工藝流程處在相對平穩的運行狀態。

在加壓泵房出水處設置壓力計、濁度計、pH/T計和余氯計。確保凈水廠出水水質滿足設計標準，并且出水水壓達到要求。根據當地相關部門要求水質監測儀表應預留上傳接口，可以通過4G或5G通信將出水水質的監控數據實時上傳至當地管理平臺[5]。

除工藝流程所需要設置的儀表外，在脫水機房設置了硫化氫測量儀，在加藥加氯間設置了氫氣測量儀，并額外為廠區工作人員配備一臺手持式硫化氫測量儀，方便工作人員使用，保障廠區設備的運行安全與工作人員的生命安全。

為保障儀表的正常工作和測量數據的可靠性，所有儀表接入共同接地體，且戶外儀表進入PLC端口時設置浪涌保護器。

3.3 安防設計

為滿足廠區的安防需求，在每個構筑物或建筑物單體戶外各設置1套1080P槍式攝像頭，并在圍墻處設置4套1080P槍式攝像頭，在綜合樓內會議室、中控室等房間按需設置攝像頭，攝像頭全天候工作，攝像機接入大柱山凈水廠視頻監控系統，配備長延時記錄裝置，視頻資料需要保存3個月以上。

在廠區圍墻處設置電子圍欄設備，并接入大柱山凈水廠電子圍欄系統。凈水廠廠區圍墻約900 m，根據100～300 m劃1個分區和廠區圍墻實際情況考慮，需增設10個分區控制系統，各分區控制機應能接入水廠電子圍欄系統。

在廠區出入口、綜合樓出入口以及重要房間如中控室、會議室的門口設置門禁系統，防止未經授權的人員進入，確保只有授權人員才能進入特定區域。進出水儀表檢測間的門口獨立設置門禁系統，滿足當地環保部門的要求，確保上傳水質數據的可靠性。

3.4 中控室設計

為滿足中控室設備的正常運行，保障數據的可靠性，在中控室設置靜電地板。在中控室內設置主機、顯示器、打印機等設備。為使凈水廠設備的工作狀態、各類儀表的數據能夠直觀清晰地呈現給工作人員，在中控室墻上設置LED顯示屏。

4 結束語

本文介紹了大柱山凈水廠在設計過程中應注意的相關事項，根據廠區的負荷等級與當地電力部門的要求，高壓側采用兩路10 kV高壓進線，低壓側采用4臺變壓器，兩用兩備。再結合廠區配電間無法設置在廠區用電負荷中心等實際情況，合理放大電纜規格，滿足設備運行電壓要求，優化電氣布局及其他事項，確保包裝飲用水廠房的正常運營和安全等。凈水廠電氣自控設計應優先考慮水處理系統的穩定運行和工作效率，根據凈水廠的實際需求，選擇合適的配電與自控方式。

參考文獻

[1] CJJT 120-2018，城鎮排水系統電氣與自動化工程技術標準[S].

[2] 潘清城.自來水廠電氣及自控設計[J].化學工程與裝備，2018 （7）：188-190.

[3] 朱敏智.某凈水廠電氣主接線設計和比較[J].現代建筑電氣， 2019，10（7）：45-48.

[4] 趙琳，吳霖，徐偉.某生物凈水廠過程控制設備及儀表位號研究與設計[J].水利技術監督，2023（4）：20-23.

[5] 張偉，張福順.新型凈水廠中智慧水務系統的應用與探究[J].智能建筑，2021（12）：45-50.