城鎮(zhèn)污水處理廠電氣負(fù)荷計(jì)算及自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄒文聰

（中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天門 430000）

2012年以來(lái)，我國(guó)城鎮(zhèn)化取得巨大成就，由此帶來(lái)的水資源污染問(wèn)題不容忽視。既要保證出水水質(zhì)正常，又要盡量低成本投入，對(duì)城鎮(zhèn)污水處理提出了兩大需求目標(biāo)?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒rogrammable Logic Controller，PLC）技術(shù)和新型電氣負(fù)荷計(jì)算的有效結(jié)合，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)污水處理廠各工藝設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，分析計(jì)算監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，調(diào)整電氣控制系統(tǒng)中各設(shè)備運(yùn)營(yíng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)污水處理廠控制系統(tǒng)的高質(zhì)量運(yùn)行[1]?？梢?jiàn)，研究城鎮(zhèn)污水處理廠電氣控制系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算與自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不僅有利于提高城鎮(zhèn)污水處理廠運(yùn)作效率和質(zhì)量，還有利于解決生態(tài)環(huán)境的改善與水資源短缺問(wèn)題。

1 城鎮(zhèn)污水處理廠電氣系統(tǒng)的負(fù)荷計(jì)算

1.1 城鎮(zhèn)污水處理廠工藝流程簡(jiǎn)介

以S市馬窩工業(yè)園污水處理廠（以下簡(jiǎn)稱“馬窩污水處理廠”）為例介紹電氣負(fù)荷計(jì)算。馬窩污水處理廠是為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)高速發(fā)展的S市因污水排放總量劇增而建設(shè)的，設(shè)計(jì)日處理規(guī)模為12萬(wàn)t，屬于三類污水處理廠。總體工藝流程充分考慮進(jìn)出水質(zhì)特點(diǎn)與要求，采取三級(jí)處理（分別為粗細(xì)格柵預(yù)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(jí)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(shè)備及其功能。第一，進(jìn)水泵、粗格柵、清污機(jī)。污水主要通過(guò)進(jìn)水泵輸送至處理池。進(jìn)水泵由4臺(tái)潛水泵構(gòu)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(xì)格柵、曝氣除砂池。污水中的較小漂浮物和懸浮物的截?cái)嘀饕杉?xì)格柵裝置完成。沉砂池包括轉(zhuǎn)鼓式細(xì)格柵、羅茨風(fēng)機(jī)等主要設(shè)備。污水中較大顆粒的砂粒和無(wú)機(jī)物在沉砂池截除。第三，生化池、鼓風(fēng)機(jī)房。污水中大多數(shù)可生化降解污染物的清除都在生化池中進(jìn)行，核心設(shè)備是能耗較大的鼓風(fēng)機(jī)。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(shí)現(xiàn)污泥和污水分離，關(guān)鍵設(shè)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(jìn)行深度處理[2]。

1.2 城鎮(zhèn)污水處理廠電氣系統(tǒng)的負(fù)荷計(jì)算

污水提升泵房、鼓風(fēng)機(jī)房、污泥脫水機(jī)房、生化系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等場(chǎng)所占據(jù)馬窩污水處理廠大部分用電負(fù)荷，其他生產(chǎn)和辦公地有少量分布。鼓風(fēng)機(jī)房包括300 kW和550 kW兩種類型風(fēng)機(jī)各3臺(tái)，使用4臺(tái)，分別備用1臺(tái)，總計(jì)2 550 kW安裝容量。鑒于污水處理廠設(shè)備運(yùn)行特點(diǎn)，選擇需要系數(shù)法作為基本方法，根據(jù)不同類別電氣設(shè)備的實(shí)際狀況不斷完善。預(yù)處理、膜生物反應(yīng)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(fù)荷區(qū)域，以下逐一分析并計(jì)算這些區(qū)域設(shè)備的用電負(fù)荷。

圖1 MBR工藝流程圖

1.2.1 預(yù)處理區(qū)域設(shè)備負(fù)荷計(jì)算

粗格柵、細(xì)格柵、沉砂池、初次沉淀池、輸送機(jī)、壓榨機(jī)以及污水提升泵等構(gòu)筑物和設(shè)備組成預(yù)處理區(qū)域[3]。格柵除污機(jī)是安裝在格柵的主要用電設(shè)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(gòu)筑物中的主要負(fù)荷設(shè)備。潛水泵是提升泵房的主要工具，也是預(yù)處理階段的主要用電負(fù)荷。

馬窩污水處理廠設(shè)計(jì)日處理規(guī)模為12萬(wàn)t，換算后為每小時(shí)為6 250 m3。每臺(tái)水泵的小時(shí)流量為2 065 m3，揚(yáng)程為11.5 m（同水池高），3組設(shè)備，潛水泵電機(jī)功率合計(jì)為90 kW。

由預(yù)處理區(qū)域內(nèi)各部分用電設(shè)備提供的資料，不難計(jì)算出預(yù)處理區(qū)域總負(fù)荷。

1.2.2 MBR生化池設(shè)備負(fù)荷計(jì)算

MBR生化池區(qū)域劃分為厭氧區(qū)、缺氧區(qū)Ⅰ、好氧區(qū)、缺氧區(qū)Ⅱ等幾個(gè)部分[4]。

潛水?dāng)嚢杵魇菂捬鯀^(qū)的主要用電設(shè)備。馬窩污水處理廠厭氧區(qū)設(shè)計(jì)安裝8臺(tái)槳葉直徑為580 mm、轉(zhuǎn)速為475 r·m-1、功率為7.6 kW的潛水?dāng)嚢杵鳌?/p>

潛水推進(jìn)器是缺氧區(qū)Ⅰ內(nèi)的主要用電設(shè)備。馬窩污水處理廠缺氧區(qū)Ⅰ內(nèi)設(shè)計(jì)安裝10臺(tái)槳葉直徑為2 500 mm、轉(zhuǎn)速為42 r·m-1、功率為5.3 kW的潛水推進(jìn)器。

曝氣風(fēng)機(jī)、潛水推進(jìn)器、混合液回流泵是好氧區(qū)內(nèi)的主要用電設(shè)備。馬窩污水處理廠好氧區(qū)內(nèi)設(shè)計(jì)安裝4臺(tái)槳葉直徑為2 500 mm、轉(zhuǎn)速為28 r·m-1、功率為5.3 kW的潛水推進(jìn)器。根據(jù)工藝要求，設(shè)計(jì)3臺(tái)（含1臺(tái)備用）流量為187 m3·min-1、壓強(qiáng)為76 kPa的高級(jí)單速離心風(fēng)機(jī)，計(jì)算功率為340 kW?；旌弦夯亓鞅迷O(shè)計(jì)參數(shù)流量為2 100 m3·h-1，揚(yáng)程為1.0 m。引用提升泵房?jī)?nèi)水泵計(jì)算公式，計(jì)算回流泵功率為11.8 kW，設(shè)計(jì)安裝6臺(tái)，另外備用1臺(tái)。

潛水推進(jìn)器在缺氧區(qū)Ⅱ?yàn)殡姎庳?fù)荷最大的設(shè)備，其次為污泥回流泵。馬窩污水處理廠缺氧區(qū)Ⅱ內(nèi)設(shè)計(jì)安裝4臺(tái)槳葉直徑為2 500 mm、轉(zhuǎn)速為42 r·m-1、功率為5.3 kW的潛水推進(jìn)器。污泥回流泵用于輸送缺氧區(qū)Ⅱ的活性污泥，確保厭氧區(qū)的活性污泥濃度在一定范圍內(nèi)。缺氧區(qū)Ⅱ內(nèi)設(shè)計(jì)安裝4臺(tái)流量為2 100 m3·h-1、揚(yáng)程為1.0 m、功率為11.8 kW的污泥回流泵。

MBR生化池區(qū)域總負(fù)荷由MBR生化池區(qū)域內(nèi)各部分用電設(shè)備提供資料計(jì)算求解。

1.2.3 MBR膜池設(shè)備負(fù)荷計(jì)算

生化反應(yīng)后的活性污泥需要進(jìn)一步處理，大分子有機(jī)物也要經(jīng)過(guò)處理后進(jìn)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(shè)備。MBR平片膜組件結(jié)構(gòu)獨(dú)特，在曝氣池中充當(dāng)過(guò)濾器，由此過(guò)濾出污水中的水泥。

MBR膜池區(qū)分為膜池和設(shè)備間兩個(gè)部分。污泥回流泵是膜池部分耗電大戶，MBR膜池設(shè)計(jì)安裝7臺(tái)（含1臺(tái)備用）流量為3 500 m3·h-1、揚(yáng)程為1.35 m、功率為27 kW的回流泵。

設(shè)備間主要安放膜系統(tǒng)設(shè)備，包括產(chǎn)水泵、反洗泵、排空泵、剩余污泥泵、壓縮空氣及真空管路系統(tǒng)等。由膜池過(guò)濾時(shí)間和空曝氣時(shí)間2個(gè)參數(shù)可以計(jì)算日過(guò)濾時(shí)間為20.4 hr（計(jì)算過(guò)程為24 hr×8.5 min÷10 min）。

膜下部借助曝氣風(fēng)機(jī)產(chǎn)生曝氣，保證MBR膜池平穩(wěn)運(yùn)行。馬窩污水處理廠MBR膜池設(shè)計(jì)平均膜通量為17 L·m-2·h，膜區(qū)擦洗汽水比為5.4∶1～7.5∶1。正常工作情況下，3臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)（含1臺(tái)備用）按最大汽水比7.5∶1計(jì)算，則每臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)流量為260 m3·min-1。依據(jù)提供的資料，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓為50 kPa，可以計(jì)算出風(fēng)機(jī)功率為320 kW。

產(chǎn)水泵是將膜池進(jìn)化后的水傳送至紫外消毒池進(jìn)行下一步消毒處理。按最大日處理量計(jì)算，則12列膜池產(chǎn)水泵設(shè)計(jì)流量為531 m3·min-1。依據(jù)提供的相關(guān)資料，揚(yáng)程設(shè)計(jì)為22 m，可以計(jì)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(shè)計(jì)安裝2臺(tái)（含1臺(tái)備用）流量為350 m3·h-1、揚(yáng)程為12 m、功率為18.5 kW的排空泵。設(shè)計(jì)安裝2臺(tái)流量為550 m3·h-1、揚(yáng)程為10 m、功率為22 kW的反洗泵。設(shè)計(jì)安裝2臺(tái)（含1臺(tái)備用）流量為100 m3·h-1、揚(yáng)程為15 m、功率為7.5 kW的剩余污泥泵。

區(qū)域總負(fù)荷由MBR膜池各部分用電設(shè)備提供的資料計(jì)算所得。

1.2.4 其他構(gòu)筑物內(nèi)負(fù)荷計(jì)算

隔膜計(jì)量泵、排水泵、中心傳動(dòng)刮泥機(jī)分別是加藥間、排水泵井、濃縮池及儲(chǔ)泥池內(nèi)的主要用電設(shè)備。消毒區(qū)域的主要用電設(shè)備是回水泵和紫外消毒設(shè)備與水流控制裝置。除了上述設(shè)備，負(fù)荷計(jì)算需考慮建筑通風(fēng)、除臭、照明以及自控等設(shè)備[5]。

1.2.5 污水廠內(nèi)整體負(fù)荷計(jì)算

馬窩污水處理廠總用電負(fù)荷是各區(qū)域電氣負(fù)荷的總和乘一個(gè)系數(shù)，同時(shí)對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。全廠補(bǔ)償后的功率因數(shù)不低于0.96。

1.2.6 污水處理廠高低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廠區(qū)內(nèi)設(shè)置1處10/0.4 kV變電所，其中10 kV配電系統(tǒng)包括320 kW、340 kW風(fēng)機(jī)各3臺(tái)，各使用2臺(tái)，分別備用1臺(tái)，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(tǒng)工作容量為3 325.5 kW。

2 城鎮(zhèn)污水處理廠電氣自控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

馬窩污水處理廠電氣自控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)為一個(gè)具有冗余的工業(yè)千兆以太網(wǎng)主干光纖網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)主要的工藝段設(shè)備都必須設(shè)計(jì)一個(gè)PLC控制主站點(diǎn)。中控室設(shè)計(jì)一個(gè)獨(dú)立的自控監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備和工藝的監(jiān)測(cè)、控制、趨勢(shì)、報(bào)表以及數(shù)據(jù)庫(kù)等功能。

冗余服務(wù)器（輸入/輸出服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、電能監(jiān)控服務(wù)器等）、站點(diǎn)（工程師站、操作員站、遠(yuǎn)程通信工作站等）、打印機(jī)共同組成中央監(jiān)控系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)之間的連接方式采用以太網(wǎng)。

多個(gè)模塊化的通信接口（EtherNet、RS-232、工業(yè)總線等）是現(xiàn)場(chǎng)控制站的設(shè)備，被安裝在同一個(gè)PLC機(jī)架上，在各種網(wǎng)絡(luò)之間組態(tài)一個(gè)網(wǎng)關(guān)（工業(yè)總線在5～100 Mb·s-1）進(jìn)行橋接和數(shù)據(jù)傳送[6]。

整體式是設(shè)備級(jí)控制單元產(chǎn)品結(jié)構(gòu)類型，既可以與擴(kuò)展模塊相互銜接，也可以與系統(tǒng)提供的現(xiàn)場(chǎng)總線通信接口、RS-232等結(jié)合。現(xiàn)場(chǎng)總線速率最大可達(dá)1 Mb·s-1。

3 結(jié)語(yǔ)

以某市馬窩污水處理廠為例，簡(jiǎn)要介紹該污水處理廠整體用電負(fù)荷的推算過(guò)程。通過(guò)電氣負(fù)荷計(jì)算與自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不僅為同類型污水處理廠電氣負(fù)荷計(jì)算提供借鑒，也有利于操作人員熟悉污水處理廠設(shè)備參數(shù)，從而確保其穩(wěn)定運(yùn)行。