健康城净水厂电气自控设计

彭跃进

（广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广东广州 510507）

本工程建设内容为广州市白云区健康城净水厂首期工程，本期工程设计总规模15万m3/d，其中首期土建按15万m3/d 一次完成，设备安装10万m3/d，净水厂采用预处理+MBR 污水处理工艺。

根据建筑、工艺推荐的方案，主体构筑物为地下式，将预处理、浓缩池、生化池、加药间、储泥池、污泥干化间等构筑物置于地下层以控制污水处理厂运行过程中的臭气污染。而在地面层建设开关房、生产调度中心等对环境影响较小的构筑物。地埋式污水处理厂涉及给排水、建筑、结构、电气、自控、暖通、消防以及概预算等专业之间的交叉及配合，其中，电气自控在地埋式污水厂的整个设计过程中起着至关重要的作用。电气自控设计包括以下内容。

（1）10/0.4 kV 变配电设计；

（2）动力照明设备配电及控制设计；

（3）防雷及接地设计；

（4）自动化控制系统及监控仪表；

（5）电力监控系统；

（6）安防系统。

1 设计标准

污水厂电气自动化系统设择采用现阶段的先进技术，在今后相当长一段时间内可保持其技术先进性、具有良好开放性和扩展性能的产品。系统构成能适应计算机、网络发展的趋势，实现全厂生产和管理的自动化，保障污水处理厂运行安全、可靠、出水水质稳定，同时还充分考虑经济适用性与合理性。

（1）遵循“分散控制、集中管理”。污水处理厂电气、自动化典型控制效果如图1所示。根据生产工艺的要求，按照工艺功能进行检测和控制站点设置，以将工艺过程故障分散，工艺管理集中，保证系统各部分运行的稳定性和可靠性。在某一部分发生故障后，其他部分仍能正常工作，使系统整体性能为工艺生产的服务达到最优。实现“集中监控和管理、分散控制”，以保证整个污水处理厂运行效能。

图1 污水处理厂电气、自动化典型控制效果图

（2）“集成化，模块化”原则。满足污水处理厂生产管理、污水处理工艺对自动化控制的要求，保证自动化控制系统在配置上的完整性和适应性。集成化原则，应选择高效集成的设备，便于控制、管理和维护。模块化原则，应在软、硬件上都采用商业化、通用化、模块化结构的设备，使系统具有较强的扩展能力。

（3）硬件配置应符合国际工业标准，可靠性高、适应能力强、扩展灵活、操作维护简便。配置具有开放性结构、良好的人机界面、完整的系统平台软件；管理软件、监控软件、现场控制软件的编制从方便管理、控制最优的角度进行；同时考虑用户再次开发的潜力。

（4）较高的系统性价比。设计系统综合考虑生产、管理、安全、经济等诸多因数；将工艺生产过程和相关设备纳入系统综合考虑；在设备的选型上，选用国内外具有丰富的污水厂产品供货经验和能力的厂家，保证设备的性能指标。

2 电气自控设计总体评价

对健康城净水厂电气、自动化系统工程进行整体设计考虑，确定系统方案。设置污水处理厂监控系统，根据现场构筑物的位置及工艺过程确定控制站点，以保证污水厂出水达到设计目标和要求，达到国家排放标准。同时节省工艺生产的能耗、物耗，提高工厂的生产水平和能力。

厂区自动化监控系统让管理人员能及时准确地掌握进出污水水质及其变化过程，监测和控制污水处理流程的各个生产环节，改善操作环境，提高管理水平，准确、全面地反映污水厂进出厂水水质参数和水量情况；自动获取各个处理单元出口主要检测参数，以监视各个处理单元的处理效果；检测参与控制的各种工艺参数和物理参数。视频监控系统实时监视设备运行状况，达到无人职守的目的。电力监控系统对污水厂的高低压配电系统的高低压配电柜、变压器、直流屏、UPS 等实施自动监测及控制，实现电力系统运行的自动化，提高供配电系统运行的可靠性及管理效率。

3 设计方案总结

3.1 智能化的能效管理设计

采用数字化的电力参数采集设备和网络，运用智能化的能效分析管理软件，实现对污水厂智能化的电能能效分析和管理。

污水厂具有种类繁多的生产设备，除鼓风机、泵类、搅拌器类设备外，还包括通风系统、照明系统等辅助设备。为了实现对厂区用电及能源消耗状况的全面监测、分析和评估，优化生产工艺用能过程，科学合理地制定能耗考核标准和体系，对能源消耗过程进行信息化、可视化管理，在污水厂建立一套精细化的电力能效管理系统。

整个能效管理系统在中控室配置一台监控服务器，在各高低压配电柜，动力配电箱、设备控制箱（柜）内均设置带数字通信接口的智能电力仪表和开关元件，通过厂区工业以太网将相关电力数据传送到监控计算机中，然后运用智能化的能效管理软件，对不同时段、不同工况、不同区域的数据分别进行报送和分析处理，并对各机械设备进行优化配置，使其运行在最高效的状态，从而提高整个污水厂的能效水平。

能效管理系统的功能主要包括以下几个方面。

（1）能耗监测。通过数字化智能电力表，将采集的能耗数据通过网络实时传送到监控计算机上，以供运行人员实时掌握整个厂区设备的运行状况。

（2）能耗分析。利用系统强大的历史数据追溯和分析功能，对污水处理厂不同时段所采集到的数据分别进行横向和纵向分析，生成各种能耗数据报表与曲线，发现能耗结构和过程中的深层次问题。

（3）节能分析。根据能耗分析的结果，对污水处理厂各工艺段的设备运行情况进行优化，针对水质与水量实时进行调节，使得设备运行在最高效的区间内，降低无谓的能源损耗。

（4）趋势分析。对一段时间内采集到的数据进行趋势分析，与历史能耗数据进行对比，预测下一阶段的能耗变化水平与趋势，提前提出优化建议和方案。

（5）智能报表。系统可根据污水厂运行管理的需要，分时段、分工艺段输出各种类型的智能分析报表，报表可作为生产、管理人员指导运行的依据，使污水厂能效始终保持在科学、合理的水平。

3.2 全面的节能增效措施

本工程电气自控设计充分响应“节能减排”的号召，设计供配电系统选用节能产品，实现电气节能。

（1）变电所位于用电负荷中心。本期工程共设1个高压配电中心、5个分配电中心，除开关房外，所有配电中心均建在负一层。

（2）选用SCB13节能型干式变压器，采用在变电所低压侧设无功功率自动补偿装置集中补偿，补偿后计量功率因数达0.95以上。功率因数的提髙有效减少线路损耗，达到节能目的。

（3）污水厂的“用电大户”离心式水泵的负载特性属平方转矩型的负载。理论上转速与流量成正比、流量的平方与扬程成正比、转速的立方与泵的功率成正比。因此当流量变化范围大、系统管路静压较小时，釆用调速技术节能效果显著。本工程中的污泥泵、风机均配置了变频装置，以使设备运行在最佳工况点，达到节能效果。

（4）照明设计的房间或场所的照明功率密度值满足规范规定的现行值的要求，减少能耗。照明光源采用新型LED 灯，所有灯具均单灯补偿至功率因数大于0.9，减少照明线路损耗。

3.3 全数字网络、实时监控的智能化工厂

基于分布式PLC 控制器的自控系统在污水处理生产流程过程控制中得到了普遍采用。无论是检测执行级还是中央监控级，均采用全数字化网络，配合全厂设置的共5套PLC 智能化现场测控站，组成全数字网络的智能化工厂。

在信息管理监控层和现场控制层之间，采用1000 M 光纤形冗余全交换工业以太网。全交换的网络构架和高速的网络带宽确保了数据传输的实时性。环形冗余的光纤结构避免了线路故障带来的系统失效，大大提高了可靠性。

数字化网络技术为各个智能化子系统提供了高速的信息互通通道，为厂区的智能化管理和控制提供了保障。

3.4 优化的数据存储及管理分析系统

污水厂中控室机房内设置容错数据库服务器，同时运行实时数据库及历史数据库软件，通过对系统的整合和上位软件的编制，构建全厂的数据服务系统，实现全厂智能决策调度。

从监控组态软件的实时数据库中获取数据，为精细化运行管理提供数据支撑；为工艺参数计算、综合报表处理等提供统一、标准的解决方案。

全厂管理系统以数据库服务器和实时数据库系统作为企业办公管理决策体系和工业自动化系统的数据共享和数据交换的基础平台，通过数据库软件将生产运行数据进行预处理，以实现采集、存储生产运行数据，分析、指导生产运行调度，及时、准确生成统计分析报表，科学规范地管理设备资产等各项功能，从而实现全面提升生产管理效率和运营水平的信息化管理目标。

4 设计问题的思考与总结

4.1 加强管线综合设计

（1）目前存在问题。地下污水处理厂的各类管线众多，涵盖工艺、通风、消防、电气、监控等各个专业的管线，目前的管线综合设计主要针对各类工艺管线，造成在项目实施阶段各种管线的路由发生冲突（业主与施工单位均多次反映该问题），影响项目实施质量。

（2）建议的解决措施。①在项目设计阶段的管线综合设计中能真正涵盖各个专业的主要管线，定义好各个专业主要路由管线的标高及空间位置。管线综合专业图纸必须经过各专业设计人会签方可成为正式设计文件；②同时，可以辅助BIM 等设计手段，让污水厂的管线设计更加科学、合理。

4.2 加强节能设计及能耗管理

（1）目前存在问题。节能设计是地下污水厂设计的一项重要工作，根据最新的规定，所有达到一定规模的污水厂均要在项目初期进行节能评估，项目施工后进行节能专项验收，其中电气节能是节能设计一个重要组成部分。

目前，电气、自控专业通过采用新型节能设备（包括节能型变压器、节能LED 光源、消谐智能功率补偿装置、设备变频），智能照明控制系统，智能电能监控系统以及强化设备的智能控制设计等措施降低污水厂的能耗，但目前地下污水处理厂的用电设备包括工艺设备、通风除臭设备的能耗越来越多（每吨水的用电量），多次受到节能评估单位的质疑。

（2）建议的解决措施。在今后的工作中，如何与工艺、通风专业一起把控设备能耗将是一项重要的工作，否则无法消除外界“高耗能换取高水质”的质疑。

4.3 加强有毒有害气体的监测与报警

（1）目前存在问题。根据《城镇排水系统电气与自动化工程技术标准》（CJJ120-2018）的要求，目前的有毒有害气体检测主要设置在预处理区（H2S）和泥区（H2S 及CH4），根据目前的一些调研结果，在污水厂区域尚有其他的有毒有害气体成分，如CO、NH3等。

（2）建议的解决措施。今后将与通风专业加强设计方面的联络与沟通，根据已完工的污水厂的气体检测结果，加强有毒有害气体的监测设计，制定出新的联动控制模式，同时根据有毒有害气体的监测结果启动相应的通风设备。

5 结束语

在城市地埋污水厂电气自控设计过程中，需要严格按照相关程序开展设计工作，及时梳理设计过程中的不足，通过优化设计布局、完善控制架构、提升维护效率等方式，保证设计的合理性和有效性。同时需要重视污水处理厂中的电气自控设计，加大先进技术、设备的引进力度，构建和完善智慧水务体系，为污水厂的自动化、高效化、智能化打下坚实的基础。