健康城凈水廠電氣自控設(shè)計

彭躍進(jìn)

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東廣州 510507）

本工程建設(shè)內(nèi)容為廣州市白云區(qū)健康城凈水廠首期工程，本期工程設(shè)計總規(guī)模15萬m3/d，其中首期土建按15萬m3/d 一次完成，設(shè)備安裝10萬m3/d，凈水廠采用預(yù)處理+MBR 污水處理工藝。

根據(jù)建筑、工藝推薦的方案，主體構(gòu)筑物為地下式，將預(yù)處理、濃縮池、生化池、加藥間、儲泥池、污泥干化間等構(gòu)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(shè)開關(guān)房、生產(chǎn)調(diào)度中心等對環(huán)境影響較小的構(gòu)筑物。地埋式污水處理廠涉及給排水、建筑、結(jié)構(gòu)、電氣、自控、暖通、消防以及概預(yù)算等專業(yè)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(shè)計過程中起著至關(guān)重要的作用。電氣自控設(shè)計包括以下內(nèi)容。

（1）10/0.4 kV 變配電設(shè)計；

（2）動力照明設(shè)備配電及控制設(shè)計；

（3）防雷及接地設(shè)計；

（4）自動化控制系統(tǒng)及監(jiān)控儀表；

（5）電力監(jiān)控系統(tǒng)；

（6）安防系統(tǒng)。

1 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

污水廠電氣自動化系統(tǒng)設(shè)擇采用現(xiàn)階段的先進(jìn)技術(shù)，在今后相當(dāng)長一段時間內(nèi)可保持其技術(shù)先進(jìn)性、具有良好開放性和擴(kuò)展性能的產(chǎn)品。系統(tǒng)構(gòu)成能適應(yīng)計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢，實現(xiàn)全廠生產(chǎn)和管理的自動化，保障污水處理廠運行安全、可靠、出水水質(zhì)穩(wěn)定，同時還充分考慮經(jīng)濟(jì)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(jù)生產(chǎn)工藝的要求，按照工藝功能進(jìn)行檢測和控制站點設(shè)置，以將工藝過程故障分散，工藝管理集中，保證系統(tǒng)各部分運行的穩(wěn)定性和可靠性。在某一部分發(fā)生故障后，其他部分仍能正常工作，使系統(tǒng)整體性能為工藝生產(chǎn)的服務(wù)達(dá)到最優(yōu)。實現(xiàn)“集中監(jiān)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(chǎn)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(tǒng)在配置上的完整性和適應(yīng)性。集成化原則，應(yīng)選擇高效集成的設(shè)備，便于控制、管理和維護(hù)。模塊化原則，應(yīng)在軟、硬件上都采用商業(yè)化、通用化、模塊化結(jié)構(gòu)的設(shè)備，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的擴(kuò)展能力。

（3）硬件配置應(yīng)符合國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可靠性高、適應(yīng)能力強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、操作維護(hù)簡便。配置具有開放性結(jié)構(gòu)、良好的人機(jī)界面、完整的系統(tǒng)平臺軟件；管理軟件、監(jiān)控軟件、現(xiàn)場控制軟件的編制從方便管理、控制最優(yōu)的角度進(jìn)行；同時考慮用戶再次開發(fā)的潛力。

（4）較高的系統(tǒng)性價比。設(shè)計系統(tǒng)綜合考慮生產(chǎn)、管理、安全、經(jīng)濟(jì)等諸多因數(shù)；將工藝生產(chǎn)過程和相關(guān)設(shè)備納入系統(tǒng)綜合考慮；在設(shè)備的選型上，選用國內(nèi)外具有豐富的污水廠產(chǎn)品供貨經(jīng)驗和能力的廠家，保證設(shè)備的性能指標(biāo)。

2 電氣自控設(shè)計總體評價

對健康城凈水廠電氣、自動化系統(tǒng)工程進(jìn)行整體設(shè)計考慮，確定系統(tǒng)方案。設(shè)置污水處理廠監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場構(gòu)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(dá)到設(shè)計目標(biāo)和要求，達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)。同時節(jié)省工藝生產(chǎn)的能耗、物耗，提高工廠的生產(chǎn)水平和能力。

廠區(qū)自動化監(jiān)控系統(tǒng)讓管理人員能及時準(zhǔn)確地掌握進(jìn)出污水水質(zhì)及其變化過程，監(jiān)測和控制污水處理流程的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，改善操作環(huán)境，提高管理水平，準(zhǔn)確、全面地反映污水廠進(jìn)出廠水水質(zhì)參數(shù)和水量情況；自動獲取各個處理單元出口主要檢測參數(shù)，以監(jiān)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(shù)和物理參數(shù)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)視設(shè)備運行狀況，達(dá)到無人職守的目的。電力監(jiān)控系統(tǒng)對污水廠的高低壓配電系統(tǒng)的高低壓配電柜、變壓器、直流屏、UPS 等實施自動監(jiān)測及控制，實現(xiàn)電力系統(tǒng)運行的自動化，提高供配電系統(tǒng)運行的可靠性及管理效率。

3 設(shè)計方案總結(jié)

3.1 智能化的能效管理設(shè)計

采用數(shù)字化的電力參數(shù)采集設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)，運用智能化的能效分析管理軟件，實現(xiàn)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(chǎn)設(shè)備，除鼓風(fēng)機(jī)、泵類、攪拌器類設(shè)備外，還包括通風(fēng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等輔助設(shè)備。為了實現(xiàn)對廠區(qū)用電及能源消耗狀況的全面監(jiān)測、分析和評估，優(yōu)化生產(chǎn)工藝用能過程，科學(xué)合理地制定能耗考核標(biāo)準(zhǔn)和體系，對能源消耗過程進(jìn)行信息化、可視化管理，在污水廠建立一套精細(xì)化的電力能效管理系統(tǒng)。

整個能效管理系統(tǒng)在中控室配置一臺監(jiān)控服務(wù)器，在各高低壓配電柜，動力配電箱、設(shè)備控制箱（柜）內(nèi)均設(shè)置帶數(shù)字通信接口的智能電力儀表和開關(guān)元件，通過廠區(qū)工業(yè)以太網(wǎng)將相關(guān)電力數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控計算機(jī)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(qū)域的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行報送和分析處理，并對各機(jī)械設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化配置，使其運行在最高效的狀態(tài)，從而提高整個污水廠的能效水平。

能效管理系統(tǒng)的功能主要包括以下幾個方面。

（1）能耗監(jiān)測。通過數(shù)字化智能電力表，將采集的能耗數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實時傳送到監(jiān)控計算機(jī)上，以供運行人員實時掌握整個廠區(qū)設(shè)備的運行狀況。

（2）能耗分析。利用系統(tǒng)強(qiáng)大的歷史數(shù)據(jù)追溯和分析功能，對污水處理廠不同時段所采集到的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行橫向和縱向分析，生成各種能耗數(shù)據(jù)報表與曲線，發(fā)現(xiàn)能耗結(jié)構(gòu)和過程中的深層次問題。

（3）節(jié)能分析。根據(jù)能耗分析的結(jié)果，對污水處理廠各工藝段的設(shè)備運行情況進(jìn)行優(yōu)化，針對水質(zhì)與水量實時進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得設(shè)備運行在最高效的區(qū)間內(nèi)，降低無謂的能源損耗。

（4）趨勢分析。對一段時間內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢分析，與歷史能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，預(yù)測下一階段的能耗變化水平與趨勢，提前提出優(yōu)化建議和方案。

（5）智能報表。系統(tǒng)可根據(jù)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(chǎn)、管理人員指導(dǎo)運行的依據(jù)，使污水廠能效始終保持在科學(xué)、合理的水平。

3.2 全面的節(jié)能增效措施

本工程電氣自控設(shè)計充分響應(yīng)“節(jié)能減排”的號召，設(shè)計供配電系統(tǒng)選用節(jié)能產(chǎn)品，實現(xiàn)電氣節(jié)能。

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

（2）選用SCB13節(jié)能型干式變壓器，采用在變電所低壓側(cè)設(shè)無功功率自動補(bǔ)償裝置集中補(bǔ)償，補(bǔ)償后計量功率因數(shù)達(dá)0.95以上。功率因數(shù)的提髙有效減少線路損耗，達(dá)到節(jié)能目的。

（3）污水廠的“用電大戶”離心式水泵的負(fù)載特性屬平方轉(zhuǎn)矩型的負(fù)載。理論上轉(zhuǎn)速與流量成正比、流量的平方與揚(yáng)程成正比、轉(zhuǎn)速的立方與泵的功率成正比。因此當(dāng)流量變化范圍大、系統(tǒng)管路靜壓較小時，釆用調(diào)速技術(shù)節(jié)能效果顯著。本工程中的污泥泵、風(fēng)機(jī)均配置了變頻裝置，以使設(shè)備運行在最佳工況點，達(dá)到節(jié)能效果。

（4）照明設(shè)計的房間或場所的照明功率密度值滿足規(guī)范規(guī)定的現(xiàn)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(bǔ)償至功率因數(shù)大于0.9，減少照明線路損耗。

3.3 全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)、實時監(jiān)控的智能化工廠

基于分布式PLC 控制器的自控系統(tǒng)在污水處理生產(chǎn)流程過程控制中得到了普遍采用。無論是檢測執(zhí)行級還是中央監(jiān)控級，均采用全數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)，配合全廠設(shè)置的共5套PLC 智能化現(xiàn)場測控站，組成全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的智能化工廠。

在信息管理監(jiān)控層和現(xiàn)場控制層之間，采用1000 M 光纖形冗余全交換工業(yè)以太網(wǎng)。全交換的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架和高速的網(wǎng)絡(luò)帶寬確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。環(huán)形冗余的光纖結(jié)構(gòu)避免了線路故障帶來的系統(tǒng)失效，大大提高了可靠性。

數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為各個智能化子系統(tǒng)提供了高速的信息互通通道，為廠區(qū)的智能化管理和控制提供了保障。

3.4 優(yōu)化的數(shù)據(jù)存儲及管理分析系統(tǒng)

污水廠中控室機(jī)房內(nèi)設(shè)置容錯數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，同時運行實時數(shù)據(jù)庫及歷史數(shù)據(jù)庫軟件，通過對系統(tǒng)的整合和上位軟件的編制，構(gòu)建全廠的數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)全廠智能決策調(diào)度。

從監(jiān)控組態(tài)軟件的實時數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)，為精細(xì)化運行管理提供數(shù)據(jù)支撐；為工藝參數(shù)計算、綜合報表處理等提供統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的解決方案。

全廠管理系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)作為企業(yè)辦公管理決策體系和工業(yè)自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)交換的基礎(chǔ)平臺，通過數(shù)據(jù)庫軟件將生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以實現(xiàn)采集、存儲生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)，分析、指導(dǎo)生產(chǎn)運行調(diào)度，及時、準(zhǔn)確生成統(tǒng)計分析報表，科學(xué)規(guī)范地管理設(shè)備資產(chǎn)等各項功能，從而實現(xiàn)全面提升生產(chǎn)管理效率和運營水平的信息化管理目標(biāo)。

4 設(shè)計問題的思考與總結(jié)

4.1 加強(qiáng)管線綜合設(shè)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(fēng)、消防、電氣、監(jiān)控等各個專業(yè)的管線，目前的管線綜合設(shè)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(fā)生沖突（業(yè)主與施工單位均多次反映該問題），影響項目實施質(zhì)量。

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

4.2 加強(qiáng)節(jié)能設(shè)計及能耗管理

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

目前，電氣、自控專業(yè)通過采用新型節(jié)能設(shè)備（包括節(jié)能型變壓器、節(jié)能LED 光源、消諧智能功率補(bǔ)償裝置、設(shè)備變頻），智能照明控制系統(tǒng)，智能電能監(jiān)控系統(tǒng)以及強(qiáng)化設(shè)備的智能控制設(shè)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(shè)備包括工藝設(shè)備、通風(fēng)除臭設(shè)備的能耗越來越多（每噸水的用電量），多次受到節(jié)能評估單位的質(zhì)疑。

（2）建議的解決措施。在今后的工作中，如何與工藝、通風(fēng)專業(yè)一起把控設(shè)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(zhì)”的質(zhì)疑。

4.3 加強(qiáng)有毒有害氣體的監(jiān)測與報警

（1）目前存在問題。根據(jù)《城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)電氣與自動化工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ120-2018）的要求，目前的有毒有害氣體檢測主要設(shè)置在預(yù)處理區(qū)（H2S）和泥區(qū)（H2S 及CH4），根據(jù)目前的一些調(diào)研結(jié)果，在污水廠區(qū)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(fēng)專業(yè)加強(qiáng)設(shè)計方面的聯(lián)絡(luò)與溝通，根據(jù)已完工的污水廠的氣體檢測結(jié)果，加強(qiáng)有毒有害氣體的監(jiān)測設(shè)計，制定出新的聯(lián)動控制模式，同時根據(jù)有毒有害氣體的監(jiān)測結(jié)果啟動相應(yīng)的通風(fēng)設(shè)備。

5 結(jié)束語

在城市地埋污水廠電氣自控設(shè)計過程中，需要嚴(yán)格按照相關(guān)程序開展設(shè)計工作，及時梳理設(shè)計過程中的不足，通過優(yōu)化設(shè)計布局、完善控制架構(gòu)、提升維護(hù)效率等方式，保證設(shè)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(shè)計，加大先進(jìn)技術(shù)、設(shè)備的引進(jìn)力度，構(gòu)建和完善智慧水務(wù)體系，為污水廠的自動化、高效化、智能化打下堅實的基礎(chǔ)。