电气自动化系统在污水处理厂的设计应用
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摘 要：本文首先对一种常用的污水处理工艺AAO（厌氧-缺氧-好氧法）的基本工艺流程进行了介绍，在此基础上重点对采用这种工艺的污水处理厂的电气自动化系统进行综合分析，根据工程实际经验对污水处理厂内各种机电设备的设置、配电及控制系统进行分析，是对采用AAO工艺的污水处理厂电气自动化系统设计应用的经验总结。
关键词：电气自动化系统设计 低压供配电 集散控制 检测仪表设计
中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：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污水处理工艺特点
在该工艺流程中水中有机物、氮、磷和固体悬浮物都将进行综合去除，因而其工艺参数应能同时满足各种功能的要求，如在有效除磷或脱氮的同时也能高效地除去水中有机物，但微生物除磷和脱氮所需的适宜外部条件往往是相互矛盾的，为实现除磷和脱氮能同时高效率地进行，工艺流程各个环节中的温度、流速、pH值、水位、泥位、污泥浓度、鼓风机曝气流量等多种参数势必只能局限在某一狭窄的范围内，超过或者不足都会影响到微生物除磷和脱氮的效果，甚至造成微生物的大面积死亡，而生活污水又是源源不断地汇聚到污水厂，无法在源头暂停排放，一旦污水不能被有效处理，只能通过溢流管排放到自然环境，造成环境污染。
为使微生物具有良好的生物活性就需要污水厂电气自动化系统对多变量、强耦合、非线性的工艺过程进行有效的控制，使微生物始终处于适宜的外界条件下，高效进行污水生化降解，避免污水污染环境。
2 污水处理厂的电气自动化系统
污水厂电气自动化系统设计包括电气供配电和自控系统及检测仪表两个方面，一方面需要对工厂的供配电系统进行设计，以工厂的进线端处为设计节点，由工厂内变电所为起点，对各单体内的多種用电设备进行供配电。另一方面需要对自控系统进行设计，设置各区域现场控制单元，其可根据仪表等的检测数据独立控制本区域内电气设备自动运行，并通过网络系统与中控室相连，通过中控室可优化、协调控制各现场控制单元，并可显示和记录各单元检测数据。通过自控系统可对污水厂各个重要生产环节进行监控，系统可根据各环节的运行参数情况，自动调整设备运行状态，并可从整体上科学协调各环节的运行，实现优化控制。
3 污水处理厂电气供配电设计
3.1 污水厂用电负荷计算
负荷计算需要根据机电设备的工作电压、功率、安装台数、投用台数、运行时间等信息，查表确定机电设备的功率因数、效率因数，进而通过负荷计算来计算出各单体的用电负荷，以及全厂的用电总负荷，从而初步确定变电所内变压器容量、总进线容量以及各单体的供电容量，然后将厂区合理地划分为几个供电区域，每个供电区域包括一个或几个单体，并在此供电区域内的配电室内设置进线柜。某工程的负荷计算表（部分）如图1所示。
3.2 变压器的选择
根据全厂用电设备负荷计算得出的视在功率，并综合考虑投资、运行经济性、节能减排以及变电所所处位置等多种因素后确定变压器的容量。
污水厂变电所的选址一般位于全厂的负荷中心，靠近鼓风机、提升水泵等用电量较大的机电设备，但限于地理，周边环境等客观因素，变电所的选址可能会造成某段用电线路较长，造成线路损耗较大，需要在选择变压器时适当增加容量以抵消此部分的功率损耗，综合考虑经济、线损等各方面因素后，变压器的负荷率在70%～80%为宜。变压器应选用空载损耗和负载损耗低的新型节能产品，且容量不宜过大或过小，选择变压器容量过小会导致负荷率增加，一旦负荷率超过85%，会导致变压器效率及寿命显著减少。且不宜选用较大容量的变压器，变压器是能量转换装置，本身如果容量大则流过的电流大，其发热能耗会很可观，而散热则越发的困难，并且电路阻抗也随着温升而逐步加大，故单台变压器容量不宜超过1250kVA。当设计需要超过此最大容量的变压器时，可采用多台变压器并联运行的方式。 3.3 污水厂低压配电系统设计
污水厂用电设备的特点如下：（1）在提升泵房和鼓风机房和紫外线消毒池一般设有大功率用电设备，其中污水提升泵，鼓风机等电机类设备一般需采用软启动器以避免电机启动电流过大，从而保护用电设备，或由于工艺流程对风量、流量等进行精确调节的需要，而采用更加环保节能的变频器，不但可以实现电机软启动，还可对电机进行转速调节。由于用电设备功率较大其配电方式多采用直接从变电所低压配电柜出线至末端电控柜的一级放射式配电。（2）在各单体内分布着大量小功率低压设备，包括污泥泵、搅拌器、推流器、电动阀、螺旋运输机、格栅机、刮吸泥机等，其特点是小于15kW的设备一般可以采用直接启动的方式，如工艺流程对污泥泵、搅拌器等某些设备有调速需求，则设置变频器，进行变频控制。由于一般这种小功率设备的数量较多，其多采用二级放射式配电，在各流程分区设置二级配电总箱，由二级配电总箱为末端箱供电，减少了变电所的出线。（3）在建筑物内还会有用于通风的轴流风机，用于取暖的风机盘管，用于设备安装的起重机等非工艺流程设备，这些设备可由附近的二级配电总箱供电，而一些仪表、控制和监测设备，为保障停电时可继续采集和监测数据，需通过设计UPS不间断电源进行供电。
4 污水处理厂自控系统设计
通常污水厂自控系统包括现场设备控制系统和上位检测系统，并在两者间选择合适的网络连接方式，通常将自控系统的各现场控制站（以PLC为例）通过光纤环状网络与上位检测系统连接，现场控制站与现场智能设备间则采用现场总线连接，现场控制站既是现场总线中的一个站又是以太网中的一个站点，上位检测系统的上位机则只作为以太网中的节点，而不是现场总线网络中的站点，以太网上各站点相互之间可进行数据交换，上位机可通过以太网从现场控制站（PLC）的寄存器中读取现场各种检测信息，也可通过以太网下传控制参数到主站PLC的寄存器，再由现场总线主/从协议下传到各从站。
4.1 现场控制器选择
全厂可根据需要设立若干个现场控制器，设立原则是方便现场控制器与各设备的通信连接，避免与设备距离过远导致通信不良，一般4～20mA電流模拟量信号和以太网网线的传输距离不宜大于100m，同时各现场控制器信号接点的设置数量应适度，过多则该现场控制器监控设备较多，一旦出现故障，则影响范围过大，过少则必然浪费现场控制器的一部分有效资源，增加自控系统的资金投入。
目前选择PLC作为污水厂自控系统的现场控制器的设计方式比较普遍，也有部分污水厂采用构建DCS控制系统的方式来进行设计，其采用专用DCS现场控制器。DCS是一种“分散控制系统”，而PLC仅仅是一种通用控制“装置”，相比于整体考虑方案的DCS系统，PLC构建的系统在传输网络、协调控制、可扩展性及安全性等方面都有一定的劣势，但PLC自身具备较高的稳定性，较强的处理数据能力，容错能力较佳，且价格较为低廉，如果对安全性、可扩展性等要求不高，则选择PLC是一种比较适宜的方案。
4.2 上位监测系统
上位机监测系统是污水厂的中心控制系统，可对整个自控系统系统的设备及运行结果具有控制、监视、参数设定等功能;可根据工艺及逻辑要求，执行设备的启停、故障或紧急停机等功能;可读取系统状态信息并操作实现各种控制功能;可选择合适的自动运行策略，使整个系统正常有序运行，达到污水处理工艺要求;当设备或控制参数接近非正常状态时，可进行声光报警，并进行报警历史记录，可供以后查询;历史数据通过历史数据库进行存储，并可在需要时可随时调用及打印。上位监测系统一般设在中控室，内设若干台工控计算机设备，大屏显示设备，网络通信设备及打印机等，上位监测系统可利用组态软件快速构建一套适合污水厂的应用系统，将工艺流程以图形化的方式直观显示出来，并可对其中的各个变量进行操控，其底层是与现场控制器相连的I/O驱动程序接口，底层I/O检测数据与上位机之间通过中间层的实时数据库实现数据间的关联和控制，可将底层I/O接口的实时监测信息通过人机界面显示出来，连接操作员与自控系统，同时可将操作员及自控系统下达的控制命令转换为底层的I/O信号，实现对电气设备的远程控制。
5 污水处理厂检测仪表设计
污水厂自控系统检测仪表可大致分为两种：一种是用于检测生产环节中温度、流量、压力、液位等物理参数的仪表，另一种则是用于检测水质如污泥浓度、氧化还原反应电位、氨氮含量、pH值、生物耗氧量等化学物质含量的仪表，仪表的设计应根据工艺流程、各检测点的工艺参数、安装位置等因素来对仪表进行选型，例如，粗细格栅处会设置检测格栅机前后液位差的液位差计，比较常用的是超声波液位差计，根据液位差的数值来控制格栅机的启停。提升泵、调节池通常设置出口压力、流量检测，根据压力、流量的检测数值来控制水泵的投入及运行状态，由于检测介质为污水，为避免颗粒状固体堵塞仪表内部导管，通常选用隔膜密封式压力传感器，而污水管道的流量检测则通常选用比较精确、可靠的电磁流量计，由于污水管道常常安装在不便于操作的池壁，井下等位置，这时需要选择传感器与变送器分开设计的分体式流量计，将变送器安装在人员便于操作的位置，而传感器则放置于池壁、井下等适于检测的位置，中间通过该仪表专用的配套电缆进行连接。
6 设计原则
一般污水处理厂内部如提升泵、鼓风机等用电设备的功率较大，消耗电能较多，常常成为其所在区域的用电大户，因此电气设计应注重考虑电气节能，从电缆、电气设备选型到控制设备、照明设备均应注重降低电能损耗，通过合理有效的电气设计来降低运行成本，实现节能环保运行。
污水处理过程是具有大时延环节的非线性系统，污水厂的电控系统在设计时需与工艺专业密切配合，按照工艺流程合理设置各种自控设备以及检测仪表，其设计的优良关系到污水厂前期自控设备投入的性价比以及污水厂后期运行维护的难易程度，在满足电气规范及给排水规范中相关内容的前提下，既要保障控制系统的稳定运行，又应尽可能节约投资，减少不必要的浪费。
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