PLC控制系統(tǒng)在污水處理廠凈水余壓發(fā)電裝置中的應(yīng)用

梁武科，李其昌，丁 科，鄧常亮

(1.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048；2.國家電投集團重慶獅子灘發(fā)電有限公司，重慶市 401220)

0 引 言

隨著城市化進程的加快、城市人口的增加、生活用水量的增加以及工業(yè)的蓬勃發(fā)展，產(chǎn)生的污水也在逐漸增加[1]。城市生產(chǎn)、生活用水及市區(qū)天然降水經(jīng)污水處理廠集中收集并凈化處理達標后直接排入就近江河，排放的凈水具有一定的勢能和動能，直接排放存在一定的資源浪費；可以充分利用污水處理站排放的凈水落差，通過特殊設(shè)計的節(jié)能回收裝置，對這部分能量進行回收利用發(fā)電；將回收電能直接用于污水處理廠日常消耗，可降低能耗，實現(xiàn)能源再次利用[2]。對污水處理廠排放凈水進行節(jié)能回收，充分響應(yīng)了國家對凈水資源再利用的政策和節(jié)能減排政策，同時還可創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益。

本文設(shè)計出一種凈水余壓發(fā)電設(shè)備耦合控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的核心基于PLC控制器。PLC控制器具有高度的穩(wěn)定性和可靠性，被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，不但能實現(xiàn)各種邏輯控制，還能用于運動控制、數(shù)據(jù)處理和通信等[3_5]。只需在凈水排放管道中安裝能量回收裝置(水輪機發(fā)電機)，通過控制系統(tǒng)可以在不影響污水處理廠正常運行條件下，根據(jù)污水處理排放流量變化，手動或者自動控制電動閥門的開關(guān)調(diào)節(jié)回收利用裝置，利用排放凈水進行發(fā)電；同時對機組各參數(shù)實時監(jiān)控，記錄設(shè)備和系統(tǒng)的運行狀態(tài)，及時捕捉設(shè)備故障或異常信號，并及時采取措施，提高污水處理廠凈水余壓發(fā)電裝置的安全性和可靠性，實現(xiàn)自動控制無人值守的目標；既滿足環(huán)境要求，又經(jīng)濟高效，并可將整體模式推廣到全國。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由兩部分組成：污水處理廠凈水余壓發(fā)電裝置及其耦合的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示，包含2條管道：主管道(主管道為污水處理廠凈水排放原始管道)和旁通管道(旁通管道為污水處理廠凈水余壓發(fā)電裝置安裝管道)。進水管入口處設(shè)置有壓力表和流量表，計量管道流體壓力及流量。旁通管的另一端通過能量回收裝置與出水管道的一端連接，能量回收裝置前后端安裝有進口伸縮節(jié)。主管路內(nèi)設(shè)置有主管路電動閥門，旁通管內(nèi)設(shè)置有設(shè)備進口電動閥門和設(shè)備出口電動閥。壓力表、流量表、主管路電動閥門、設(shè)備進口電動閥門、設(shè)備出口電動閥和能量回收裝置開關(guān)均與控制系統(tǒng)主控單元連接。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計示意圖

節(jié)能回收利用裝置在運行工況條件下滿足如下可靠性指標要求：裝置可在各凈水量下保證相應(yīng)出力；裝置啟停過程不會對污水處理站凈水排放造成影響；節(jié)能回收利用裝置能適應(yīng)每月每臺機開停機次數(shù)平均60次的要求；能量回收利用裝置機組外殼1 m處噪聲不大于85 dB；節(jié)能回收利用裝置結(jié)構(gòu)強度滿足電站按地震烈度7度設(shè)防的要求；節(jié)能回收利用裝置采用臥式安裝，可抽芯結(jié)構(gòu)，由推力軸承組承載軸向力，裝置本體設(shè)置在線溫度與滲漏監(jiān)測傳感器。

2 余壓發(fā)電裝置總體結(jié)構(gòu)

余壓發(fā)電裝置將潛水電機技術(shù)與燈泡貫流式水力技術(shù)相融合，安裝方式為管道臥式安裝。該裝置利用濕定子型潛水電機技術(shù)，克服了傳統(tǒng)燈泡貫流式冷卻、散熱、密封等難題；裝置結(jié)構(gòu)簡單、牢固，負荷控制簡單，運行維護方便。

余壓發(fā)電能量回收裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計整體部分由發(fā)電機、水輪機組成。水輪機由導(dǎo)葉體、轉(zhuǎn)輪體、轉(zhuǎn)輪、泄水錐、擴散段等組成，轉(zhuǎn)輪采用定槳定導(dǎo)葉形式。發(fā)電機為臥軸三相異步發(fā)電機，采用干定子全水冷卻方式，不設(shè)勵磁系統(tǒng)；是利用定子與轉(zhuǎn)子間氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電流相互作用的一種交流發(fā)電機，不需要勵磁、集電環(huán)碳刷及上網(wǎng)同期裝置。裝置內(nèi)部同時還需要安裝漏水檢測、溫濕度傳感器、壓力傳感器等電氣元件，可以及時對設(shè)備運行的狀況進行數(shù)據(jù)采集，詳見圖2。

圖2 裝置真機圖

3 耦合控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 設(shè)計目標

本次設(shè)計的主要目標為：在 PLC耦合系統(tǒng)控制下裝置能夠?qū)崿F(xiàn)機組自動啟停機；自動并網(wǎng)、解列；保證機組的常規(guī)保護，在故障時能夠及時報警；事故情況下能夠緊急停機等功能；最終實現(xiàn)自動控制無人值守的目標。

3.2 系統(tǒng)組成

凈水節(jié)能回收利用系統(tǒng)主要由8個子系統(tǒng)組成，詳見圖3。通過系統(tǒng)集成方式將各子系統(tǒng)集成為一體，最終形成1套完整的凈水節(jié)能回收利用控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)主要元件包括：可編程控制器PLC、觸摸屏、市電EPS電源、轉(zhuǎn)速溫度滲漏監(jiān)測裝置、直流斷路器等。

圖3 凈水節(jié)能回收利用系統(tǒng)總圖

控制器選用可編程邏輯控制器(PLC)為基層控制核心，根據(jù)自帶的輸入輸出模塊進行電源控制；根據(jù)上位機的通訊控制命令進行繼電器控制，接通不同的母線使其實現(xiàn)短接功能或負載功能，能夠在規(guī)定的額定電流范圍內(nèi)帶載情況下斷開控制回路。PLC控制器基本參數(shù)為編程語言：LAD，F(xiàn)BD，STL，SCL，GRAPH；額定電源電壓：DC24 V(DC 19.2～28.8 V)；典型功耗：5.6 W；中央機架最大模塊數(shù)量：64；分布式I/O模塊：可通過網(wǎng)絡(luò)連接；硬件接口類型及速率：RJ45 100 Mbps。電源系統(tǒng)主要為整個系統(tǒng)提供電源輸入，輸入輸出為AC380 V。配置EPS應(yīng)急電源，當系統(tǒng)斷電時，可提供10 min的電能供系統(tǒng)操作。

顯示部分主要由10寸觸摸屏組成，作為系統(tǒng)的人機交互部分，可顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)，配合按鈕開關(guān)完成系統(tǒng)手動操作。機組監(jiān)測主要為機組的轉(zhuǎn)速、溫度、滲漏狀態(tài)提供監(jiān)測信號。采用TDS—0800型溫度巡檢儀，共有8路信號輸入，交流電源供電，具有雙上、下限開關(guān)量報警輸出和RS485通訊接口，可將現(xiàn)地設(shè)備的溫度傳感器信號通過通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心計算機。

轉(zhuǎn)速信號裝置采用TDS—4339型數(shù)字轉(zhuǎn)速信號測控裝置，該裝置是以適合工業(yè)自動化控制的單片機及相應(yīng)的外圍芯片構(gòu)成，專為水力發(fā)電廠而設(shè)計，適應(yīng)電渦流傳感器、磁電、磁阻傳感器，是用于測控發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速百分比、頻率的工業(yè)智能儀表。

裝置漏水監(jiān)測采用水極開關(guān)傳感器監(jiān)測，包括電機內(nèi)進水電極、接線盒內(nèi)浮子開關(guān)，傳感器將檢測到的信號傳給智能控制器，當裝置內(nèi)進水、接線盒內(nèi)進水，智能控制具有報警顯示功能。

閥門監(jiān)控部分采集閥門的位置信號并控制閥門的開啟和關(guān)閉操作。信號采集部分主要采集水位、壓力、流量及電量。圖4為系統(tǒng)控制框圖，系統(tǒng)控制部分包含斷路器和接觸器，相互配合工作控制與電網(wǎng)的投切。系統(tǒng)保護包括軟并網(wǎng)裝置、電機保護器裝置和逆功率保護裝置，作為整個系統(tǒng)的電力保護，整個控制系統(tǒng)主接線圖如圖5所示。

圖4 控制框圖

圖5 系統(tǒng)主接線圖

3.3 控制系統(tǒng)的主要功能

控制系統(tǒng)包含1套獨立的PLC系統(tǒng)、測量儀表及通訊網(wǎng)絡(luò)，可完成機組的監(jiān)控?，F(xiàn)場控制元件、輸入輸出元件安裝于控制柜內(nèi)，配置工程師站主機及組態(tài)軟件，可以實現(xiàn)對整個發(fā)電系統(tǒng)的遠程監(jiān)測和自動控制功能。監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能如下：

3.4 控制系統(tǒng)工作方式

在并網(wǎng)柜上有現(xiàn)地及遠程開關(guān)，可通過此開關(guān)來切換控制系統(tǒng)的兩種工作模式：模式一是手動工作模式，模式二是控制單元自動控制工作模式?？刂葡到y(tǒng)既可以自動控制電動閥門的開通與關(guān)閉，也可以手動開通或關(guān)閉電動閥門；保證了整個能量回收裝置系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行，簡化了工作流程，也提高了工作效率。

3.4.1 手動切換模式

手動工作模式是指當污水處理廠凈水排放流量滿足裝置最小發(fā)電流量時，手動開啟裝置進口電動閥門，關(guān)閉主管路電動閥門；當水頭達到裝置最小利用水頭時，手動開啟節(jié)能回收利用裝置，手動打開裝置出口電動閥門；通過手動操作，讓節(jié)能回收利用裝置整個系統(tǒng)運行在旁通管道中。在觸摸屏上可手動操作控制閥門動作，詳見圖6。

圖6 觸摸屏展示圖

手動工作模式操作流程：

3.4.2 自動控制模式

自動控制模式是整個系統(tǒng)運行在設(shè)定的程序下，不需要人為干預(yù)，系統(tǒng)能夠根據(jù)凈水排放流量自動切換主管路與旁通管電動閥門的開啟和關(guān)閉。當前池水位滿足要求且主管路流量計檢測到流量數(shù)據(jù)達到裝置最小利用流量并持續(xù)一段時間，系統(tǒng)自動調(diào)整旁通管道進水閥門至全開，調(diào)整主管路電動閥門使水頭穩(wěn)定在運行水頭，開啟旁通管道出口電動閥門至空載開度。當轉(zhuǎn)速達到并網(wǎng)要求時，啟動并網(wǎng)程序，自動并網(wǎng)。并網(wǎng)完成后，根據(jù)主管道流量計、旁通管道流量計及壓力表自動調(diào)整旁通管道出口電動閥和主管道電動閥門開度，調(diào)整機組出力及凈水排放。

當前池水位不滿足要求且主管路流量計檢測到流量數(shù)據(jù)小于裝置最小利用流量時，機組自動停機；等待下一次前池水位滿足要求且主管路流量計檢測到流量數(shù)據(jù)達到裝置最小利用流量并持續(xù)一段時間，系統(tǒng)自動開機運行。當前池水位和主管路流量計檢測到流量數(shù)據(jù)滿足要求機組自動開啟后，機組在該流量狀態(tài)下能穩(wěn)定運行輸出最大功率，通過變流器輸入至電網(wǎng)。當進水流量不滿足設(shè)定數(shù)據(jù)時，變流器工作使機組與電網(wǎng)解列，控制閥門動作使機組停機。

自動控制模式提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)在無需人工干預(yù)下能夠自動穩(wěn)定運行，系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)定的運行參數(shù)自動工作，詳見圖7。

圖7 系統(tǒng)監(jiān)控展示圖

在自動模式下運行時，若需要人為停機(檢修、河道水位高漲淹沒機坑或其他情況)時，在調(diào)試界面操作右上角的停機按鈕(按壓約3 s左右)，機組可在自動模式下正常停機。停機完成后切換并網(wǎng)柜面板手/自動旋鈕開關(guān)至手動位置，待檢修完成后切至自動狀態(tài)，機組自動運行。

兩種工作模式保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，即使其中某一工作模式失效，系統(tǒng)能夠迅速切換至另一模式，不會使系統(tǒng)處于非控制狀態(tài)。

控制系統(tǒng)設(shè)備現(xiàn)場可以不安排運行人員，通過實時檢測的流量數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定的開停機數(shù)據(jù)自動啟停機組，實現(xiàn)無人值守安全穩(wěn)定運行的目標。

4 結(jié) 論

以PLC為控制中心設(shè)計了污水處理站凈水余壓發(fā)電裝置耦合的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠根據(jù)污水處理排放流量變化自適應(yīng)地控制電動閥門的開關(guān)調(diào)節(jié)回收利用裝置，調(diào)整機組出力及凈水排放，實現(xiàn)無人值守遠程操控的目標，提高了污水處理站能量利用率，降低了電站損耗。