城市生活污水處理電氣自控系統(tǒng)研究

葛英振 侯鋒* 劉成軍 陳筱秋

1.國投信開水環(huán)境投資有限公司，中國·北京 100010

2.成都興天水環(huán)境治理有限公司，中國·四川 成都 610000

1 引言

中國目前在城市生活污水處理工作中取得了較好的成效，整體上的發(fā)展處于快速成長期。在近幾年技術(shù)的快速發(fā)展下，中國的污水處理能力進步較快，處理效率也在不斷的提高。可以說，現(xiàn)階段中國各城市在開展污水處理工作中都在積極落實自動化的發(fā)展策略，這就需要著重對城市生活污水處理廠的電氣與自控系統(tǒng)進行設計，論文就針對這一點展開敘述。

2 污水處理廠電氣自動化控制系統(tǒng)

電氣自動化在污水處理廠中的應用十分廣泛，實際上現(xiàn)階段的城市污水處理工作越來越看重自動化和智能化的運作模式，通過自動化技術(shù)來有效減小人力資源的投入，提高工作的效率，從而達到更好的處理質(zhì)量。而何為電氣自動化控制系統(tǒng)？其本質(zhì)上講就是通過計算機硬軟件資源和PLC控制的“人機”一體化系統(tǒng)，所以要想保證電氣自動化系統(tǒng)能夠更加的貼合當前污水處理廠的工作需求，需要針對其進行嚴密的設計，對整體控制系統(tǒng)進行構(gòu)建，這就直接關系到電氣與控制系統(tǒng)的運行效率[1]。目前，在污水處理廠中的電氣自動化控制系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)和流程如圖1所示。

圖1 污水處理廠計算機控制系統(tǒng)

可以看出，計算機控制系統(tǒng)是整體污水處理系統(tǒng)的核心所在，通過計算機控制各個環(huán)節(jié)的流程。在對其進行設計的過程中需要著重于兩方面的內(nèi)容，即分別是電氣設計和自控設計，下面就針對這兩者進行設計。

3 城市生活污水處理廠的電氣設計

3.1 照明和電纜的設計

在照明系統(tǒng)的電氣設計中，為了能夠保證高效率和低成本，應該要選擇高效節(jié)能的燈具為主要的照明結(jié)構(gòu)，而在泵房和泵站等工業(yè)場所中的照明則選用工業(yè)照明燈具。為了能夠保證配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實際上在控制室、配電間、辦公室等場所需要選用LED光源的管燈。對于露天的工作場地和初沉池、生物反應池、二沉池等戶外構(gòu)筑物群區(qū)來說，由于兩者的工作環(huán)境不同，前者需要選擇LED三防工礦燈，而后者則是可以采用廣照型的高桿燈，其余特殊場所根據(jù)實際需要采用防爆燈具或其他專用燈具。

在電纜的設計中，電纜的設計與選型包括兩個方面，也就是目前在工程中常見的高壓電纜和低壓電纜。施工單位必須根據(jù)污水處理廠的具體需求來進行選擇。例如，對于控制電纜來說一般使用KVV型電纜，而在動力或者照明系統(tǒng)中一般都會采用YJV電纜及BV導線，潛水設備一般采用水下電纜，消防設備采用消防電纜。電纜的設計重點主要是在于其敷設施工，因為在目前的電氣工程中，電纜的敷設施工主要由三種方式，即電纜溝敷設、橋架敷設和穿管暗敷三種，要注意這三者的使用條件[2]。

3.2 防雷接地

對于防雷接地的設計，根據(jù)中國的相應規(guī)范，各污水處理廠必須針對自身的各項設備結(jié)構(gòu)、房屋建筑體系等進行分析，比如說污泥消化池、加氯間等構(gòu)筑物則屬于二類防雷建筑物。在防雷接地設計中盡量將其與交流工作接地、直流工作接地、安全保護接地等共用一組接地裝置，而對于10V以下的變電所來說，如果其建筑物基礎滿足接地體的基本要求，并且接地電阻與相應的規(guī)定值相符合時就可以不設置人工接地體[3]。在不同的裝置或者是場所中需要遵循不同的接地規(guī)律。例如，在配電裝置中，其構(gòu)架必須保證和接地網(wǎng)連接，而屋頂上的避雷針也必須與接地網(wǎng)相連接，在連接點的周圍也需要設置接地結(jié)構(gòu)。在變電所中，其低壓總保護柜應該要設置第一級電源浪涌保護器，而總配電箱這應該要設置二級浪涌總保護器，在供電末段中由于儀表配電箱較為重要，所以還需要對其設置三級電源浪涌保護器。需要注意的是，無論是哪種設計，其本質(zhì)上都需要遵循以人為本的核心，保護相關人員的生命財產(chǎn)安全，必須保證金屬構(gòu)件、金屬支架等可能帶電的物體能夠接地，并且要在接地系統(tǒng)中設置人工接地裝置，在使用上也必須盡可能的使用自然接地體[4]。

3.3 電氣設備的選擇和校驗

在具體的電氣設計中，為了能夠選用更加符合污水處理廠需求的電氣設備，在設備選型上需要以兩個方面原則為基礎。

一方面是要以正常條件來進行選擇，所謂正常條件就是主要包括設備的環(huán)境條件和技術(shù)條件。環(huán)境條件就是指電氣設備的安裝位置及其周圍環(huán)境中包含的可能影響到電氣設備的因素，而技術(shù)條件是指電氣設備的電壓、電流等多方面的技術(shù)要求。另外，針對一些特殊的電氣裝置，比如開關、熔斷器等還需要考慮到開斷電流的能力。

另一方面就是按照短路的條件來進行校驗，具體包括動穩(wěn)定和熱穩(wěn)定兩個方面。動穩(wěn)定校驗就是指導體和電器承受短路電流機械效力的能力，而熱穩(wěn)定校驗則是指短路電流在通過該器件的過程中電器的各個部位的溫度都不應該要超過其在短時發(fā)熱的最高允許值。

遵循上述的設計要點下，對于設備的選擇也需要分為兩個方面，即分別是高壓設備和低壓設備的選擇。對于高壓設備來說，其必須滿足一次電路正常情況和在發(fā)生短路故障下的具體要求，并且保證設備的安全可靠性，確保設備在維修過程中能夠更加簡便，在成本上滿足一定的經(jīng)濟性條件[5]。而低壓設備則更加需要考慮到其安裝的位置。具體可以按照表1和表2中的各項數(shù)據(jù)來進行選擇。

表1 高壓電器相關參數(shù)

表2 低壓電器相關參數(shù)

4 城市生活污水處理廠的自控系統(tǒng)設計

4.1 污水處理廠的PLC控制站設計

在污水處理廠的電氣自控系統(tǒng)的設計中，需要包含三方面的內(nèi)容，也就是編程計算機、工業(yè)監(jiān)控、PLC三個方面，組成三層計算機監(jiān)控系統(tǒng)模式。具體來說，在設計PLC控制站中需要將上述三個內(nèi)容，分成PLC站控制層、中央管理層和現(xiàn)場設備層，便于對污水進行綜合處理。所謂中央管理層，實際上就是通過與PLC站進行結(jié)合，通過環(huán)形光纖工業(yè)以太網(wǎng)來對監(jiān)控系統(tǒng)進行組網(wǎng)，從而更好的提高對污水處理的效率[6]。而PLC站控制層就是污水處理廠電氣自控系統(tǒng)的核心所在，所以對其的設計應該要更加合理，在設計上應該要使用就近原則，針對具體的污水處理工藝和相應的廠內(nèi)結(jié)構(gòu)布局來進行設計，保證線路的合理，并提高自身的監(jiān)控效果。當然，作為自控系統(tǒng)，其在信息獲取方面必須保證效率和質(zhì)量，確保監(jiān)控資源的實時和共享，保證污水處理效率的有效傳遞。

4.2 系統(tǒng)選型

對于系統(tǒng)的選型主要包括自控系統(tǒng)的設備選型和自控儀表的選型。對于前者來說，其必須根據(jù)具體的處理工藝和污水處理廠規(guī)模為基礎，針對污水處理廠的中央管理層上位機控制系統(tǒng)和具體的設備需求、PLC控制站的具體情況來選型。例如，在污水處理廠的電氣自控系統(tǒng)中，通過合理的選型可以有效的加強中央的管理層與PLC站的結(jié)合，確保其信息傳遞的高效，結(jié)合以太網(wǎng)交換機選擇智能網(wǎng)關監(jiān)控系統(tǒng)也可以更好的提高信息的質(zhì)量，確保信息數(shù)據(jù)在傳遞過程中的穩(wěn)定性和安全性。對于后者來說，在自控儀表選型方面則主要是檢測水質(zhì)的儀表儀器以及檢測生產(chǎn)物理參數(shù)的儀表儀器。對于前者來說則是氨氮儀表、濁度儀表、有機物質(zhì)檢測儀表、pH儀表等，后者則是包括溫度、流量、壓力和液位等檢測儀表，因為不同的儀表具有不同的原理，所以也需要結(jié)合污水處理廠的現(xiàn)狀來進行選擇[7]。

4.3 自控儀表的設計

為了能夠更好的提高自控系統(tǒng)的效率，提高污水處理的質(zhì)量，還需要加強對水質(zhì)等眾多參數(shù)的監(jiān)控和分析。而上述的自控儀表選型工作應該要在科學合理的自控儀表設計工作下進行。一方面，設計人員需要針對污水的處理流程進行嚴格的分析，要針對各個流程的需求來設置好檢測的儀表。也就是說，為了能夠更好的提高儀表的合理性，設計人員要匯總各個工藝流程，并針對現(xiàn)場的建筑結(jié)構(gòu)進行充分的研究，根據(jù)相應的技術(shù)規(guī)程和國家標準來選擇合適的自控儀表類型；另一方面需要注意的是，要根據(jù)各個工藝環(huán)節(jié)設置相應的安全儀表，用以保障人員安全，如甲烷、硫化氫、CO、氧氣等氣體檢測儀表。因為檢測儀表的具體作用就是收集相應的信息，并且將該信息傳輸?shù)缴鲜龅腜LC運輸站之中，而這些數(shù)據(jù)將通過PLC運輸站導入中央管理層，這樣就可以方便檢測人員去對這些數(shù)據(jù)進行分析和處理，采取相應的措施來提高工藝流程的質(zhì)量和效率，所以還需要設計人員能夠更加了解到污水處理的各項工藝，明確當前污水處理廠面臨的主要任務和需求，這樣才能夠更好提高設計效果[8]。

5 節(jié)能減耗研究

在污水處理廠中具體要對五個方面進行節(jié)能。

第一點是在工藝上進行節(jié)能，這一點至關重要。

一是提升泵房和回流污泥泵要采用高效率的潛污泵，進水泵則需要根據(jù)流量來進行設置，要大小泵搭配，在高水位啟動泵，這樣可以減少能耗。二是要在氧化溝鼓風曝氣等流程中采用具有高效、變頻調(diào)速功能的鼓風機，并且根據(jù)具體的進水量和水質(zhì)情況來選擇供氧量。

第二點是對變配電設備進行節(jié)能，則需要選擇變壓器的容量和數(shù)量，合理選用運行方式，并且選擇合適的測量計。在電力方面則需要盡可能將單項用電分散與三相網(wǎng)絡中，并根據(jù)具體的需求來抑制非線性負荷產(chǎn)生的高次諧波。

第三點是對電動機進行節(jié)能，需要選擇高效率的電動機，并確保電動機具有調(diào)速的功能。異步電動機可以適當?shù)氖褂镁偷匮a償裝置，提高功率因素和降低損耗。另外對于大功率設備盡量采用變頻等措施，并且做好電壓、電流表的配置，加強對其運行參數(shù)的檢測。

第四點則是對照明系統(tǒng)的節(jié)能，其本質(zhì)上就是要求保證不影響照明效果的條件下對線路進行設計，最大程度的利用電能，其主要包括使用節(jié)能附件、改進燈具的控制方式等，這還需要對具體的情況進行分析。

第五點則是建筑節(jié)能，其主要是通過設置遮陽板、減少窗墻比等方式來達到節(jié)能效果。

6 結(jié)語

綜上所述，論文探討了關于城市生活污水的電氣與自控系統(tǒng)的設計與研究，提出了關于電氣體系、自控體系的相關設計內(nèi)容，并且提出了節(jié)能減耗的五個要點，重點講述了城市污水研究的重要性和必要性。