電氣自動化系統(tǒng)在污水處理廠的設(shè)計應(yīng)用

吳寶華

摘 ? 要：本文首先對一種常用的污水處理工藝AAO（厭氧-缺氧-好氧法）的基本工藝流程進行了介紹，在此基礎(chǔ)上重點對采用這種工藝的污水處理廠的電氣自動化系統(tǒng)進行綜合分析，根據(jù)工程實際經(jīng)驗對污水處理廠內(nèi)各種機電設(shè)備的設(shè)置、配電及控制系統(tǒng)進行分析，是對采用AAO工藝的污水處理廠電氣自動化系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用的經(jīng)驗總結(jié)。

關(guān)鍵詞：電氣自動化系統(tǒng)設(shè)計 ?低壓供配電 ?集散控制 ?檢測儀表設(shè)計

中圖分類號：TP29 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）02（b）-0066-03

Abstract：This paper first introduces the basic process of AAO （anaerobic anoxic aerobic process）， which is a common sewage treatment process. On this basis， it focuses on the comprehensive analysis of the electrical automation system of the sewage treatment plant using this process. According to the practical experience of the project， it analyzes the setting， power distribution and control system of various mechanical and electrical equipment in the sewage treatment plant， which is to use Experience summary of the design and application of the electric automation system of the sewage treatment plant in the AAO process.

Key Words：Electrical automation system design; Low voltage power supply and distribution; Distributed control; Detection instrument design

1 ?AAO污水處理工藝特點

在該工藝流程中水中有機物、氮、磷和固體懸浮物都將進行綜合去除，因而其工藝參數(shù)應(yīng)能同時滿足各種功能的要求，如在有效除磷或脫氮的同時也能高效地除去水中有機物，但微生物除磷和脫氮所需的適宜外部條件往往是相互矛盾的，為實現(xiàn)除磷和脫氮能同時高效率地進行，工藝流程各個環(huán)節(jié)中的溫度、流速、pH值、水位、泥位、污泥濃度、鼓風機曝氣流量等多種參數(shù)勢必只能局限在某一狹窄的范圍內(nèi)，超過或者不足都會影響到微生物除磷和脫氮的效果，甚至造成微生物的大面積死亡，而生活污水又是源源不斷地匯聚到污水廠，無法在源頭暫停排放，一旦污水不能被有效處理，只能通過溢流管排放到自然環(huán)境，造成環(huán)境污染。

為使微生物具有良好的生物活性就需要污水廠電氣自動化系統(tǒng)對多變量、強耦合、非線性的工藝過程進行有效的控制，使微生物始終處于適宜的外界條件下，高效進行污水生化降解，避免污水污染環(huán)境。

2 ?污水處理廠的電氣自動化系統(tǒng)

污水廠電氣自動化系統(tǒng)設(shè)計包括電氣供配電和自控系統(tǒng)及檢測儀表兩個方面，一方面需要對工廠的供配電系統(tǒng)進行設(shè)計，以工廠的進線端處為設(shè)計節(jié)點，由工廠內(nèi)變電所為起點，對各單體內(nèi)的多種用電設(shè)備進行供配電。另一方面需要對自控系統(tǒng)進行設(shè)計，設(shè)置各區(qū)域現(xiàn)場控制單元，其可根據(jù)儀表等的檢測數(shù)據(jù)獨立控制本區(qū)域內(nèi)電氣設(shè)備自動運行，并通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與中控室相連，通過中控室可優(yōu)化、協(xié)調(diào)控制各現(xiàn)場控制單元，并可顯示和記錄各單元檢測數(shù)據(jù)。通過自控系統(tǒng)可對污水廠各個重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行監(jiān)控，系統(tǒng)可根據(jù)各環(huán)節(jié)的運行參數(shù)情況，自動調(diào)整設(shè)備運行狀態(tài)，并可從整體上科學(xué)協(xié)調(diào)各環(huán)節(jié)的運行，實現(xiàn)優(yōu)化控制。

3 ?污水處理廠電氣供配電設(shè)計

3.1 污水廠用電負荷計算

負荷計算需要根據(jù)機電設(shè)備的工作電壓、功率、安裝臺數(shù)、投用臺數(shù)、運行時間等信息，查表確定機電設(shè)備的功率因數(shù)、效率因數(shù)，進而通過負荷計算來計算出各單體的用電負荷，以及全廠的用電總負荷，從而初步確定變電所內(nèi)變壓器容量、總進線容量以及各單體的供電容量，然后將廠區(qū)合理地劃分為幾個供電區(qū)域，每個供電區(qū)域包括一個或幾個單體，并在此供電區(qū)域內(nèi)的配電室內(nèi)設(shè)置進線柜。某工程的負荷計算表（部分）如圖1所示。

3.2 變壓器的選擇

根據(jù)全廠用電設(shè)備負荷計算得出的視在功率，并綜合考慮投資、運行經(jīng)濟性、節(jié)能減排以及變電所所處位置等多種因素后確定變壓器的容量。

污水廠變電所的選址一般位于全廠的負荷中心，靠近鼓風機、提升水泵等用電量較大的機電設(shè)備，但限于地理，周邊環(huán)境等客觀因素，變電所的選址可能會造成某段用電線路較長，造成線路損耗較大，需要在選擇變壓器時適當增加容量以抵消此部分的功率損耗，綜合考慮經(jīng)濟、線損等各方面因素后，變壓器的負荷率在70%～80%為宜。變壓器應(yīng)選用空載損耗和負載損耗低的新型節(jié)能產(chǎn)品，且容量不宜過大或過小，選擇變壓器容量過小會導(dǎo)致負荷率增加，一旦負荷率超過85%，會導(dǎo)致變壓器效率及壽命顯著減少。且不宜選用較大容量的變壓器，變壓器是能量轉(zhuǎn)換裝置，本身如果容量大則流過的電流大，其發(fā)熱能耗會很可觀，而散熱則越發(fā)的困難，并且電路阻抗也隨著溫升而逐步加大，故單臺變壓器容量不宜超過1250kVA。當設(shè)計需要超過此最大容量的變壓器時，可采用多臺變壓器并聯(lián)運行的方式。

3.3 污水廠低壓配電系統(tǒng)設(shè)計

污水廠用電設(shè)備的特點如下：（1）在提升泵房和鼓風機房和紫外線消毒池一般設(shè)有大功率用電設(shè)備，其中污水提升泵，鼓風機等電機類設(shè)備一般需采用軟啟動器以避免電機啟動電流過大，從而保護用電設(shè)備，或由于工藝流程對風量、流量等進行精確調(diào)節(jié)的需要，而采用更加環(huán)保節(jié)能的變頻器，不但可以實現(xiàn)電機軟啟動，還可對電機進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。由于用電設(shè)備功率較大其配電方式多采用直接從變電所低壓配電柜出線至末端電控柜的一級放射式配電。（2）在各單體內(nèi)分布著大量小功率低壓設(shè)備，包括污泥泵、攪拌器、推流器、電動閥、螺旋運輸機、格柵機、刮吸泥機等，其特點是小于15kW的設(shè)備一般可以采用直接啟動的方式，如工藝流程對污泥泵、攪拌器等某些設(shè)備有調(diào)速需求，則設(shè)置變頻器，進行變頻控制。由于一般這種小功率設(shè)備的數(shù)量較多，其多采用二級放射式配電，在各流程分區(qū)設(shè)置二級配電總箱，由二級配電總箱為末端箱供電，減少了變電所的出線。（3）在建筑物內(nèi)還會有用于通風的軸流風機，用于取暖的風機盤管，用于設(shè)備安裝的起重機等非工藝流程設(shè)備，這些設(shè)備可由附近的二級配電總箱供電，而一些儀表、控制和監(jiān)測設(shè)備，為保障停電時可繼續(xù)采集和監(jiān)測數(shù)據(jù)，需通過設(shè)計UPS不間斷電源進行供電。

4 ?污水處理廠自控系統(tǒng)設(shè)計

通常污水廠自控系統(tǒng)包括現(xiàn)場設(shè)備控制系統(tǒng)和上位檢測系統(tǒng)，并在兩者間選擇合適的網(wǎng)絡(luò)連接方式，通常將自控系統(tǒng)的各現(xiàn)場控制站（以PLC為例）通過光纖環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)與上位檢測系統(tǒng)連接，現(xiàn)場控制站與現(xiàn)場智能設(shè)備間則采用現(xiàn)場總線連接，現(xiàn)場控制站既是現(xiàn)場總線中的一個站又是以太網(wǎng)中的一個站點，上位檢測系統(tǒng)的上位機則只作為以太網(wǎng)中的節(jié)點，而不是現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中的站點，以太網(wǎng)上各站點相互之間可進行數(shù)據(jù)交換，上位機可通過以太網(wǎng)從現(xiàn)場控制站（PLC）的寄存器中讀取現(xiàn)場各種檢測信息，也可通過以太網(wǎng)下傳控制參數(shù)到主站PLC的寄存器，再由現(xiàn)場總線主/從協(xié)議下傳到各從站。

4.1 現(xiàn)場控制器選擇

全廠可根據(jù)需要設(shè)立若干個現(xiàn)場控制器，設(shè)立原則是方便現(xiàn)場控制器與各設(shè)備的通信連接，避免與設(shè)備距離過遠導(dǎo)致通信不良，一般4～20mA電流模擬量信號和以太網(wǎng)網(wǎng)線的傳輸距離不宜大于100m，同時各現(xiàn)場控制器信號接點的設(shè)置數(shù)量應(yīng)適度，過多則該現(xiàn)場控制器監(jiān)控設(shè)備較多，一旦出現(xiàn)故障，則影響范圍過大，過少則必然浪費現(xiàn)場控制器的一部分有效資源，增加自控系統(tǒng)的資金投入。

目前選擇PLC作為污水廠自控系統(tǒng)的現(xiàn)場控制器的設(shè)計方式比較普遍，也有部分污水廠采用構(gòu)建DCS控制系統(tǒng)的方式來進行設(shè)計，其采用專用DCS現(xiàn)場控制器。DCS是一種“分散控制系統(tǒng)”，而PLC僅僅是一種通用控制“裝置”，相比于整體考慮方案的DCS系統(tǒng)，PLC構(gòu)建的系統(tǒng)在傳輸網(wǎng)絡(luò)、協(xié)調(diào)控制、可擴展性及安全性等方面都有一定的劣勢，但PLC自身具備較高的穩(wěn)定性，較強的處理數(shù)據(jù)能力，容錯能力較佳，且價格較為低廉，如果對安全性、可擴展性等要求不高，則選擇PLC是一種比較適宜的方案。

4.2 上位監(jiān)測系統(tǒng)

上位機監(jiān)測系統(tǒng)是污水廠的中心控制系統(tǒng)，可對整個自控系統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)備及運行結(jié)果具有控制、監(jiān)視、參數(shù)設(shè)定等功能;可根據(jù)工藝及邏輯要求，執(zhí)行設(shè)備的啟停、故障或緊急停機等功能;可讀取系統(tǒng)狀態(tài)信息并操作實現(xiàn)各種控制功能;可選擇合適的自動運行策略，使整個系統(tǒng)正常有序運行，達到污水處理工藝要求;當設(shè)備或控制參數(shù)接近非正常狀態(tài)時，可進行聲光報警，并進行報警歷史記錄，可供以后查詢;歷史數(shù)據(jù)通過歷史數(shù)據(jù)庫進行存儲，并可在需要時可隨時調(diào)用及打印。上位監(jiān)測系統(tǒng)一般設(shè)在中控室，內(nèi)設(shè)若干臺工控計算機設(shè)備，大屏顯示設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備及打印機等，上位監(jiān)測系統(tǒng)可利用組態(tài)軟件快速構(gòu)建一套適合污水廠的應(yīng)用系統(tǒng)，將工藝流程以圖形化的方式直觀顯示出來，并可對其中的各個變量進行操控，其底層是與現(xiàn)場控制器相連的I/O驅(qū)動程序接口，底層I/O檢測數(shù)據(jù)與上位機之間通過中間層的實時數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)和控制，可將底層I/O接口的實時監(jiān)測信息通過人機界面顯示出來，連接操作員與自控系統(tǒng)，同時可將操作員及自控系統(tǒng)下達的控制命令轉(zhuǎn)換為底層的I/O信號，實現(xiàn)對電氣設(shè)備的遠程控制。

5 ?污水處理廠檢測儀表設(shè)計

污水廠自控系統(tǒng)檢測儀表可大致分為兩種：一種是用于檢測生產(chǎn)環(huán)節(jié)中溫度、流量、壓力、液位等物理參數(shù)的儀表，另一種則是用于檢測水質(zhì)如污泥濃度、氧化還原反應(yīng)電位、氨氮含量、pH值、生物耗氧量等化學(xué)物質(zhì)含量的儀表，儀表的設(shè)計應(yīng)根據(jù)工藝流程、各檢測點的工藝參數(shù)、安裝位置等因素來對儀表進行選型，例如，粗細格柵處會設(shè)置檢測格柵機前后液位差的液位差計，比較常用的是超聲波液位差計，根據(jù)液位差的數(shù)值來控制格柵機的啟停。提升泵、調(diào)節(jié)池通常設(shè)置出口壓力、流量檢測，根據(jù)壓力、流量的檢測數(shù)值來控制水泵的投入及運行狀態(tài)，由于檢測介質(zhì)為污水，為避免顆粒狀固體堵塞儀表內(nèi)部導(dǎo)管，通常選用隔膜密封式壓力傳感器，而污水管道的流量檢測則通常選用比較精確、可靠的電磁流量計，由于污水管道常常安裝在不便于操作的池壁，井下等位置，這時需要選擇傳感器與變送器分開設(shè)計的分體式流量計，將變送器安裝在人員便于操作的位置，而傳感器則放置于池壁、井下等適于檢測的位置，中間通過該儀表專用的配套電纜進行連接。

6 ?設(shè)計原則

一般污水處理廠內(nèi)部如提升泵、鼓風機等用電設(shè)備的功率較大，消耗電能較多，常常成為其所在區(qū)域的用電大戶，因此電氣設(shè)計應(yīng)注重考慮電氣節(jié)能，從電纜、電氣設(shè)備選型到控制設(shè)備、照明設(shè)備均應(yīng)注重降低電能損耗，通過合理有效的電氣設(shè)計來降低運行成本，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保運行。

污水處理過程是具有大時延環(huán)節(jié)的非線性系統(tǒng)，污水廠的電控系統(tǒng)在設(shè)計時需與工藝專業(yè)密切配合，按照工藝流程合理設(shè)置各種自控設(shè)備以及檢測儀表，其設(shè)計的優(yōu)良關(guān)系到污水廠前期自控設(shè)備投入的性價比以及污水廠后期運行維護的難易程度，在滿足電氣規(guī)范及給排水規(guī)范中相關(guān)內(nèi)容的前提下，既要保障控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，又應(yīng)盡可能節(jié)約投資，減少不必要的浪費。

參考文獻

[1] 龐立，翁志強.基于PROFIBUS現(xiàn)場總線的污水生物處理自動控制系統(tǒng)[J].電氣自動化， 2005（4）：55-57，84.

[2] 侯蘇育.城市生活污水處理廠電氣與自控設(shè)計研究[J]. 中國高新科技，2019（3）：87-89.

[3] 任亞清.污水廠改、擴建電氣自動化設(shè)計[J].中國儀器儀表，2009（6）：46-50.

[4] 趙琦.污水處理廠電氣控制設(shè)計及節(jié)能措施探討[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2019，399（1）：81-84，87.

[5] 白龍.電氣自控系統(tǒng)在污水處理廠的運用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2014（4）：23.

[6] 周密，劉湘東，樊元志.工廠污水處理系統(tǒng)電氣控制自動化研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2019，279（1）：163.

[7] 胡文岳.工廠污水處理系統(tǒng)電氣控制自動化研究[J].電子技術(shù)與軟件工程，2016（14）：154.