污水處理廠電氣控制設(shè)計(jì)及節(jié)能措施探討

邱宏偉

（北京禹冰水利勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，北京 100000）

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市化規(guī)模不斷擴(kuò)大，而城市郊區(qū)的污水處理廠也在逐漸增加，且隨著周邊人口密度的不斷增長，使人與自然的和諧關(guān)系遭到破壞。為此，國家逐步鼓勵(lì)城市建立地埋式污水處理廠，一般以箱體式結(jié)構(gòu)建設(shè)，具體方式為在箱體頂部覆土并種植綠化，以此建設(shè)成花園式的廠區(qū)，達(dá)到了與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)一致的效果。但此類建設(shè)方案的構(gòu)筑物和人員操作層均在地下，相比于地上污水處理廠的安全管理提出了更高的建設(shè)和管理要求。因此，在對污水處理廠的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)者首先要明確污水處理廠的主要組成、工藝及其電氣設(shè)計(jì)，然后再以此為依據(jù)，對電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，同時(shí)應(yīng)用更加合理的節(jié)能措施。

1 污水處理廠的主要組成及電氣設(shè)計(jì)分析

1.1 污水處理廠的主要組成

本次研究的是某污水處理廠的二期擴(kuò)建工程項(xiàng)目，該工程的總處理規(guī)模為8萬m3/d，建成后全廠總規(guī)模達(dá)到16萬m3/d，全為地下結(jié)構(gòu)。在擴(kuò)建過程中，二期新建工程需新建粗格柵及提升泵房、細(xì)格柵、曝氣沉砂池及膜格柵、MBR膜池及設(shè)備間、臭氧制備間及接觸池、加藥系統(tǒng)、加氯系統(tǒng)、抽樣制備間、水源熱泵房、再生水泵房、清水池、碳源投加系統(tǒng)、變配電所等。

該污水處理廠的主要設(shè)備功能包括以下幾方面：首先，污水從進(jìn)水管道進(jìn)入粗格柵間，截留較大的污物，以保護(hù)水泵等重要設(shè)備，且在經(jīng)過粗格柵后，污水便會(huì)進(jìn)入到進(jìn)水泵房中；接著，通過水泵將進(jìn)水提升到細(xì)格柵后，再通過細(xì)格柵截留細(xì)小污染物；然后，將污水排放到曝氣沉砂池中，以去除大砂粒和油脂；最后，在通過電磁流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量之后，污水會(huì)進(jìn)入MBR生物池，依次經(jīng)過厭氧區(qū)、第一缺氧區(qū)、第一好氧區(qū)、第二氧區(qū)、第二好氧區(qū)，以去除原水中大部分的有機(jī)污染物、NH3-N、TN、TP，在經(jīng)過生物處理后，進(jìn)入MBR膜池進(jìn)一步去除上述污染物，同時(shí)，將高濃度活性污泥回流至好氧區(qū)。具體工藝流程如圖1所示。

圖1 該污水處理廠的工藝流程示意圖

1.2 污水處理廠的電氣設(shè)計(jì)

1.2.1 供電電源

本工程負(fù)荷等級為二級，采用兩路10 kV的電源供電，并在廠區(qū)西南角設(shè)置一處10 kV的高壓分界室。需要說明的是，分界室為本次設(shè)計(jì)分界點(diǎn)，分界室以下部分為本設(shè)計(jì)內(nèi)容。從廠區(qū)二期高壓分界室引兩路10 kV電源為再生水廠（二期）供電，在正常情況下，兩路10 kV電源保持在同時(shí)工作狀態(tài)，并互相備用，即其中的任何一路電源都可以對整個(gè)擴(kuò)建工程中10%的負(fù)載進(jìn)行承擔(dān)。而新建的總變配電室10 kV配電系統(tǒng)采用單母線分段方式。通常，在正常運(yùn)行時(shí)，兩進(jìn)線開關(guān)閉合，母聯(lián)開關(guān)斷開，但兩進(jìn)線開關(guān)與母聯(lián)開關(guān)之間需加裝聯(lián)鎖。

1.2.2 變配電所

本工程共設(shè)置3座變配電所，分別位于三個(gè)區(qū)域的負(fù)荷中心位置。

1#變配電室在鼓風(fēng)機(jī)房旁，主要為粗格柵、細(xì)格柵、曝氣沉砂池、膜格柵、生物池、污泥處理系統(tǒng)、生化池鼓風(fēng)機(jī)房、除臭車間等構(gòu)筑物內(nèi)的所有的低壓用電設(shè)備提供電源、保護(hù)。其中，高壓配電室內(nèi)安裝4面10 kV交流金屬封閉中置柜（2面進(jìn)線柜、2面變壓器出線柜）；而低壓配電室內(nèi)安裝2臺(tái) SC（B）13-1600 kVA 10/0.4 kVA 的干式變壓器，以及24面0.4 kV 開關(guān)柜（MCC1）。

2#變配電室在MBR設(shè)備間的上層，主要為膜設(shè)備間、水源熱泵房、膜擦洗鼓風(fēng)機(jī)房等構(gòu)筑物內(nèi)所有的低壓用電設(shè)備提供電源、保護(hù)。其中，高壓配電室內(nèi)安裝4面10 kV交流金屬封閉中置柜（2面進(jìn)線柜、2面變壓器出線柜）；而低壓配電室內(nèi)安裝變壓器，室內(nèi)安裝2臺(tái) SC（B）13-1250 kVA 10/0.4 kVA干式變壓器，以及28面0.4 kV的開關(guān)柜（MCC2），

3#變配電室在綜合泵房上，作為整個(gè)二期擴(kuò)建工程的10 kV配電中心（MCC3），主要為消防泵房、綜合泵間、地上臭氧制備車間、加藥間、機(jī)修間等低壓用電設(shè)備提供電源、保護(hù)。其中，2路10 kV電源引自二期廠區(qū)新建的10 kV分界室。其中，高壓配電室內(nèi)安裝16面10 kV交流金屬封閉中置柜（2面隔離柜、2面進(jìn)線柜、2面母線PT柜、2面母聯(lián)柜、6面變壓器出線柜、兩面?zhèn)溆霉瘢捎弥绷鞑僮鞣绞剑欢傋冸娛?0 kV系統(tǒng)為單母線分段接線，帶母聯(lián)開關(guān)；低壓配電室內(nèi)安裝2臺(tái)SC（B）13-1250 kVA 10/0.4 kVA 干式變壓器及28面 0.4 kV 的開關(guān)柜（MCC3）。

在正常情況下，變配電室的2臺(tái)變壓器同時(shí)運(yùn)行，其低壓側(cè)一起為本配電室的0.4 kV的系統(tǒng)提供2路電源，主要是為了在單臺(tái)進(jìn)行檢修或故障時(shí)，另一臺(tái)可承擔(dān)全廠不小于70%的用電負(fù)荷運(yùn)行，完全滿足該供電區(qū)域二類負(fù)荷設(shè)備可靠運(yùn)行。

1.2.3 無功補(bǔ)償及計(jì)量

在各變配電室0.4 kV系統(tǒng)中均設(shè)置集中自動(dòng)補(bǔ)償電容器，且根據(jù)運(yùn)行負(fù)荷的大小，自動(dòng)投、切。全廠低壓側(cè)功率因數(shù)補(bǔ)償后達(dá)到了0.95。

本工程采用高壓供電，高壓計(jì)量方式，在總照明進(jìn)線處設(shè)置照明計(jì)量子表。所有低壓進(jìn)線、母聯(lián)處設(shè)置綜合智能儀表；100 A以上的開關(guān)及電機(jī)出線處設(shè)置電流及電能變送表，信號均傳至自控系統(tǒng)，便于廠內(nèi)用電管理及節(jié)能分析。

1.2.4 防雷接地設(shè)計(jì)

在10 KV系統(tǒng)中，每一個(gè)進(jìn)線柜和出線柜中都進(jìn)行了避雷器設(shè)置，并將浪涌保護(hù)器設(shè)置在了低壓進(jìn)線柜中。而接地系統(tǒng)、裝置和建筑物等接地體主要是鋼筋，采用鍍鋅扁鋼形式的接地干線電纜對全部的電氣設(shè)備進(jìn)行接地端連接，并將TN-S型系統(tǒng)用作低壓配電系統(tǒng)。

在廠區(qū)內(nèi)，地上機(jī)修間及臭氧制備間均進(jìn)行了避雷網(wǎng)設(shè)置，將構(gòu)筑物中的鋼筋用作避雷引下線，使其和產(chǎn)區(qū)中的接地連成一體，使保護(hù)基地、工作接地以及防雷接地之間成為一個(gè)結(jié)合系統(tǒng)，其接地電阻可控制在1 Ω及以下[1]。

1.2.5 照明

值班室、配電室、控制室等均采用節(jié)能型T8直管型燈具；其他生產(chǎn)構(gòu)筑物采用工廠配照燈，壁燈等，光源采用LED節(jié)能型產(chǎn)品。通常，在每一個(gè)配變電室、人行通道中都需要設(shè)置應(yīng)急照明燈，在正常狀態(tài)下，此類燈具和其他所有照明燈具一樣工作，但在發(fā)生停電事故時(shí)，此類燈具依然可以維持一段時(shí)間的照明。地下構(gòu)筑物的照明系統(tǒng)主要分為三部分：

正常照明部分：在相對供電中心位置設(shè)置正常照明配電箱，電源引自各分變配電室的0.4 kV系統(tǒng)。

應(yīng)急照明部分：在相對的供電中心位置設(shè)置應(yīng)急照明配電箱，電源引自變配電室的0.4 kV系統(tǒng)。若市電斷電時(shí)，應(yīng)急照明燈具能持續(xù)供電至少1 h。

疏散照明部分：由應(yīng)急疏散照明分配電裝置、應(yīng)急疏散照明應(yīng)急電源、應(yīng)急疏散指示標(biāo)識、安全出口指示標(biāo)識、特殊部位應(yīng)急投光燈等組成，電源引自疏散照明專用電源。

1.2.6 地下空間內(nèi)電氣設(shè)備的防腐措施

地下污水處理廠的電氣設(shè)備是在密閉環(huán)境下運(yùn)行的，一般被布設(shè)在封閉的墻體中。由于是在其內(nèi)部安置各種管道和污水池，所以使得整個(gè)機(jī)箱的內(nèi)部變得非常潮濕。因此，在進(jìn)行污水處理的過程中要多方面考慮，主要是因?yàn)檫M(jìn)水前端會(huì)產(chǎn)生多種腐蝕氣體，會(huì)對箱內(nèi)的電子設(shè)備造成損耗。盡管在箱體內(nèi)部安置了通風(fēng)系統(tǒng)，但由于防潮、防腐的工作不到位，還是會(huì)對電子設(shè)備的運(yùn)行和后期維護(hù)造成一定影響。所以，要根據(jù)箱體內(nèi)部的實(shí)際情況進(jìn)行防腐措施，如可以使用不銹鋼或聚碳酸酯材料預(yù)防這種情況。同時(shí)，還要注意箱體內(nèi)部的通風(fēng)散熱，如果各個(gè)設(shè)備之間的距離過于緊湊，就會(huì)導(dǎo)致箱體內(nèi)部的溫度急劇上升，最終會(huì)影響箱體內(nèi)部電子設(shè)備的正常運(yùn)行。基于以上原因，本工程又結(jié)合了以往項(xiàng)目運(yùn)營人員的反饋，在設(shè)計(jì)中需做好以下幾點(diǎn)預(yù)防：（1）預(yù)處理區(qū)域配電柜及部分成套設(shè)備要采用不銹鋼材質(zhì)，防護(hù)等級IP55。（2）加藥間內(nèi)設(shè)備控制箱及與水池相近的設(shè)備控制箱采用不銹鋼材質(zhì)，防護(hù)等級IP55。(3)地下車間電纜橋架選用熱鍍鋅材質(zhì)，部分高腐蝕區(qū)域橋架采用玻璃鋼材質(zhì)。

2 污水處理廠電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)污水處理廠的自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，主要是將PLC控制站作為核心部分，并借助上位機(jī)組態(tài)軟件以及計(jì)算機(jī)來建立中央控制系統(tǒng)，從而通過資源共享、集中管理以及分布式控制的形式來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)、自動(dòng)化控制以及計(jì)算機(jī)等各項(xiàng)技術(shù)的有機(jī)融合。通常，中央控制器可對數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，現(xiàn)場控制站可對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制，且采用網(wǎng)絡(luò)通信的形式對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、控制與傳輸。在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，主要的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成有三層：

第一層是信息層，其主要組成部分包括網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)、以太網(wǎng)交換機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、工程師站、操作員站、信息層等。同時(shí)，將IEEE802.3u這一標(biāo)準(zhǔn)中的快速以太網(wǎng)（100 MbPs）作為依據(jù)，通過雙絞線進(jìn)行傳輸。

第二層是控制層，其主要組成部分包括工業(yè)以太網(wǎng)以及現(xiàn)場控制分站，將IEEE802.3u的標(biāo)準(zhǔn)化全雙工快速以太網(wǎng)（1 000 Mbps）作為基礎(chǔ)，通過雙絞線進(jìn)行傳輸。

第三層是設(shè)備層，其主要組成部分包括現(xiàn)場控制設(shè)備以及智能化儀表，并將以IEC61158這一標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線通信或I/O方法作為基礎(chǔ)，和現(xiàn)場控制單元之間進(jìn)行通信，其中的現(xiàn)場總線協(xié)議需要按照設(shè)備以及儀表的實(shí)際選型來加以確定。

在該污水處理廠中，其自動(dòng)化控制系統(tǒng)的控制模式主要有三種，第一是自動(dòng)模式，第二是遙控模式，第三是手動(dòng)模式，且不同模式的優(yōu)先級別也不同，其中手動(dòng)控制具有較高的優(yōu)先級別。

2.2 儀表選型與設(shè)計(jì)

按照該污水處理項(xiàng)目的主要工藝流程，結(jié)合其自動(dòng)控制方面的實(shí)際應(yīng)用需求，在本次設(shè)計(jì)中，需將水質(zhì)分析儀和過程參數(shù)檢測儀設(shè)置在進(jìn)水和出水的在線檢測室中，這樣便于為污水處理廠提供檢測設(shè)備，以此來滿足其整體檢測需求。其中，主要的檢測設(shè)備有污泥濃度儀表、在線攻訐氧檢測儀表、pH值檢測儀表、氨氮檢測儀表、COD檢測儀表、液位檢測儀表以及流量計(jì)量儀表等[2]。

在對上述儀表選型的過程中，不僅需要使其和環(huán)境條件與對象特質(zhì)相符，同時(shí)，也需要確保其測量范圍足夠精準(zhǔn)，防護(hù)等級與實(shí)際要求相符，且需要符合項(xiàng)目所在地的氣候特征。在本次設(shè)計(jì)中，所有的儀表都選擇了帶有現(xiàn)場顯示變送器的智能儀表，并借助控制電纜將其連接到PLC系統(tǒng)中的I/O模塊上。

2.3 系統(tǒng)控制功能設(shè)計(jì)

在該污水處理系統(tǒng)中，是通過PLC對現(xiàn)場控制站進(jìn)行控制與管理，以此來實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)設(shè)備與參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)督控制，同時(shí)將相應(yīng)的信息傳輸給中央控制室，使其得到有效處理。在控制現(xiàn)場，開關(guān)柜、控制箱以及各種儀表主要是借助于電纜線路連接在一起，以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和控制運(yùn)算，并向相關(guān)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。而控制站與中控室之間的信號主要是借助光纖環(huán)網(wǎng)來進(jìn)行傳輸。通常，污水處理廠的自動(dòng)控制系統(tǒng)主要是對污水處理過程進(jìn)行自動(dòng)控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：自動(dòng)操作功能、顯示和存貯功能、打印功能和自動(dòng)保護(hù)，自動(dòng)報(bào)警功能。

3 污水處理廠電氣節(jié)能措施分析

本工程是采用地下布置形式，所以，在除臭、通風(fēng)以及照明方面都具有更高的要求。首先是除臭，由于污水處理廠處于地下，環(huán)境封閉，因此，相比于普通的污水處理廠，其除臭標(biāo)準(zhǔn)要進(jìn)一步提升，即在對池中臭氣收集處理的同時(shí)，也需要對污泥處理和預(yù)處理等重點(diǎn)區(qū)域?qū)嵤┒嘀馗綦x，可通過相對隔斷的空間來進(jìn)行臭氣收集處理[3]；而對于人員活動(dòng)比較頻繁的區(qū)域，可通過離子風(fēng)加送的方式來強(qiáng)化其除臭效果。再比如，相比于普通污水處理廠只在建筑物內(nèi)和安裝路燈進(jìn)行夜間照明之外，該處理廠在地下箱體中都進(jìn)行了照明設(shè)備的設(shè)置，且照明采用24 h連續(xù)照明的模式，在這樣的情況下，照明設(shè)備應(yīng)用的數(shù)量會(huì)更多，時(shí)間會(huì)更長。為了達(dá)到良好的節(jié)能效果，本次工程設(shè)計(jì)中主要采取了以下幾方面的措施：

第一是通過精確曝氣的方式對生反池中的曝氣風(fēng)量以及溶氧濃度加以精確控制，使曝氣風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中的能耗得以最大化降低。

第二是對地下污水處理廠中的水利高程以及豎向設(shè)計(jì)加以優(yōu)化，使全程水頭損失得以有效控制，且最大限度降低水泵的提升高度與提升次數(shù)，以此實(shí)現(xiàn)水泵運(yùn)行能耗的最大化降低。

第三是將智能通風(fēng)與除臭系統(tǒng)應(yīng)用到污水處理廠中，主要是通過智能化數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集來實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)開啟數(shù)量的智能化控制，而局部是通過機(jī)械通風(fēng)與自然通風(fēng)相結(jié)合的方式進(jìn)行除臭處理，以此實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)運(yùn)行能耗的最大化降低。

4 結(jié)語

綜上所述，在對污水處理廠進(jìn)行設(shè)計(jì)與建設(shè)的過程中，電氣控制設(shè)計(jì)以及節(jié)能措施至關(guān)重要。基于此，相關(guān)單位與設(shè)計(jì)人員需將其主要組成作為依據(jù)，再對整個(gè)污水處理廠進(jìn)行合理的電氣設(shè)計(jì)，然后根據(jù)電氣的實(shí)際設(shè)計(jì)情況來設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，并將各項(xiàng)的節(jié)能措施合理應(yīng)用到電氣設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，以此達(dá)到良好的節(jié)能效果。這對于污水處理廠中各種設(shè)備的自動(dòng)化電氣控制以及提升節(jié)能效果都十分有利，從而可促進(jìn)污水處理廠的良好運(yùn)行和可持續(xù)發(fā)展。