污水处理厂电气控制设计及节能措施探讨

邱宏伟

（北京禹冰水利勘测规划设计有限公司，北京 100000）

随着我国经济快速发展，城市化规模不断扩大，而城市郊区的污水处理厂也在逐渐增加，且随着周边人口密度的不断增长，使人与自然的和谐关系遭到破坏。为此，国家逐步鼓励城市建立地埋式污水处理厂，一般以箱体式结构建设，具体方式为在箱体顶部覆土并种植绿化，以此建设成花园式的厂区，达到了与周边环境协调一致的效果。但此类建设方案的构筑物和人员操作层均在地下，相比于地上污水处理厂的安全管理提出了更高的建设和管理要求。因此，在对污水处理厂的电气控制系统进行设计的过程中，设计者首先要明确污水处理厂的主要组成、工艺及其电气设计，然后再以此为依据，对电气控制系统进行科学设计，同时应用更加合理的节能措施。

1 污水处理厂的主要组成及电气设计分析

1.1 污水处理厂的主要组成

本次研究的是某污水处理厂的二期扩建工程项目，该工程的总处理规模为8万m3/d，建成后全厂总规模达到16万m3/d，全为地下结构。在扩建过程中，二期新建工程需新建粗格栅及提升泵房、细格栅、曝气沉砂池及膜格栅、MBR膜池及设备间、臭氧制备间及接触池、加药系统、加氯系统、抽样制备间、水源热泵房、再生水泵房、清水池、碳源投加系统、变配电所等。

该污水处理厂的主要设备功能包括以下几方面：首先，污水从进水管道进入粗格栅间，截留较大的污物，以保护水泵等重要设备，且在经过粗格栅后，污水便会进入到进水泵房中；接着，通过水泵将进水提升到细格栅后，再通过细格栅截留细小污染物；然后，将污水排放到曝气沉砂池中，以去除大砂粒和油脂；最后，在通过电磁流量计进行计量之后，污水会进入MBR生物池，依次经过厌氧区、第一缺氧区、第一好氧区、第二氧区、第二好氧区，以去除原水中大部分的有机污染物、NH3-N、TN、TP，在经过生物处理后，进入MBR膜池进一步去除上述污染物，同时，将高浓度活性污泥回流至好氧区。具体工艺流程如图1所示。

图1 该污水处理厂的工艺流程示意图

1.2 污水处理厂的电气设计

1.2.1 供电电源

本工程负荷等级为二级，采用两路10 kV的电源供电，并在厂区西南角设置一处10 kV的高压分界室。需要说明的是，分界室为本次设计分界点，分界室以下部分为本设计内容。从厂区二期高压分界室引两路10 kV电源为再生水厂（二期）供电，在正常情况下，两路10 kV电源保持在同时工作状态，并互相备用，即其中的任何一路电源都可以对整个扩建工程中10%的负载进行承担。而新建的总变配电室10 kV配电系统采用单母线分段方式。通常，在正常运行时，两进线开关闭合，母联开关断开，但两进线开关与母联开关之间需加装联锁。

1.2.2 变配电所

本工程共设置3座变配电所，分别位于三个区域的负荷中心位置。

1#变配电室在鼓风机房旁，主要为粗格栅、细格栅、曝气沉砂池、膜格栅、生物池、污泥处理系统、生化池鼓风机房、除臭车间等构筑物内的所有的低压用电设备提供电源、保护。其中，高压配电室内安装4面10 kV交流金属封闭中置柜（2面进线柜、2面变压器出线柜）；而低压配电室内安装2台 SC（B）13-1600 kVA 10/0.4 kVA 的干式变压器，以及24面0.4 kV 开关柜（MCC1）。

2#变配电室在MBR设备间的上层，主要为膜设备间、水源热泵房、膜擦洗鼓风机房等构筑物内所有的低压用电设备提供电源、保护。其中，高压配电室内安装4面10 kV交流金属封闭中置柜（2面进线柜、2面变压器出线柜）；而低压配电室内安装变压器，室内安装2台 SC（B）13-1250 kVA 10/0.4 kVA干式变压器，以及28面0.4 kV的开关柜（MCC2），

3#变配电室在综合泵房上，作为整个二期扩建工程的10 kV配电中心（MCC3），主要为消防泵房、综合泵间、地上臭氧制备车间、加药间、机修间等低压用电设备提供电源、保护。其中，2路10 kV电源引自二期厂区新建的10 kV分界室。其中，高压配电室内安装16面10 kV交流金属封闭中置柜（2面隔离柜、2面进线柜、2面母线PT柜、2面母联柜、6面变压器出线柜、两面备用柜），采用直流操作方式；而总变电室10 kV系统为单母线分段接线，带母联开关；低压配电室内安装2台SC（B）13-1250 kVA 10/0.4 kVA 干式变压器及28面 0.4 kV 的开关柜（MCC3）。

在正常情况下，变配电室的2台变压器同时运行，其低压侧一起为本配电室的0.4 kV的系统提供2路电源，主要是为了在单台进行检修或故障时，另一台可承担全厂不小于70%的用电负荷运行，完全满足该供电区域二类负荷设备可靠运行。

1.2.3 无功补偿及计量

在各变配电室0.4 kV系统中均设置集中自动补偿电容器，且根据运行负荷的大小，自动投、切。全厂低压侧功率因数补偿后达到了0.95。

本工程采用高压供电，高压计量方式，在总照明进线处设置照明计量子表。所有低压进线、母联处设置综合智能仪表；100 A以上的开关及电机出线处设置电流及电能变送表，信号均传至自控系统，便于厂内用电管理及节能分析。

1.2.4 防雷接地设计

在10 KV系统中，每一个进线柜和出线柜中都进行了避雷器设置，并将浪涌保护器设置在了低压进线柜中。而接地系统、装置和建筑物等接地体主要是钢筋，采用镀锌扁钢形式的接地干线电缆对全部的电气设备进行接地端连接，并将TN-S型系统用作低压配电系统。

在厂区内，地上机修间及臭氧制备间均进行了避雷网设置，将构筑物中的钢筋用作避雷引下线，使其和产区中的接地连成一体，使保护基地、工作接地以及防雷接地之间成为一个结合系统，其接地电阻可控制在1 Ω及以下[1]。

1.2.5 照明

值班室、配电室、控制室等均采用节能型T8直管型灯具；其他生产构筑物采用工厂配照灯，壁灯等，光源采用LED节能型产品。通常，在每一个配变电室、人行通道中都需要设置应急照明灯，在正常状态下，此类灯具和其他所有照明灯具一样工作，但在发生停电事故时，此类灯具依然可以维持一段时间的照明。地下构筑物的照明系统主要分为三部分：

正常照明部分：在相对供电中心位置设置正常照明配电箱，电源引自各分变配电室的0.4 kV系统。

应急照明部分：在相对的供电中心位置设置应急照明配电箱，电源引自变配电室的0.4 kV系统。若市电断电时，应急照明灯具能持续供电至少1 h。

疏散照明部分：由应急疏散照明分配电装置、应急疏散照明应急电源、应急疏散指示标识、安全出口指示标识、特殊部位应急投光灯等组成，电源引自疏散照明专用电源。

1.2.6 地下空间内电气设备的防腐措施

地下污水处理厂的电气设备是在密闭环境下运行的，一般被布设在封闭的墙体中。由于是在其内部安置各种管道和污水池，所以使得整个机箱的内部变得非常潮湿。因此，在进行污水处理的过程中要多方面考虑，主要是因为进水前端会产生多种腐蚀气体，会对箱内的电子设备造成损耗。尽管在箱体内部安置了通风系统，但由于防潮、防腐的工作不到位，还是会对电子设备的运行和后期维护造成一定影响。所以，要根据箱体内部的实际情况进行防腐措施，如可以使用不锈钢或聚碳酸酯材料预防这种情况。同时，还要注意箱体内部的通风散热，如果各个设备之间的距离过于紧凑，就会导致箱体内部的温度急剧上升，最终会影响箱体内部电子设备的正常运行。基于以上原因，本工程又结合了以往项目运营人员的反馈，在设计中需做好以下几点预防：（1）预处理区域配电柜及部分成套设备要采用不锈钢材质，防护等级IP55。（2）加药间内设备控制箱及与水池相近的设备控制箱采用不锈钢材质，防护等级IP55。(3)地下车间电缆桥架选用热镀锌材质，部分高腐蚀区域桥架采用玻璃钢材质。

2 污水处理厂电气控制系统设计分析

2.1 总体结构设计

在设计污水处理厂的自动控制系统时，主要是将PLC控制站作为核心部分，并借助上位机组态软件以及计算机来建立中央控制系统，从而通过资源共享、集中管理以及分布式控制的形式来进行网络通信、数据、自动化控制以及计算机等各项技术的有机融合。通常，中央控制器可对数据进行监控，现场控制站可对现场数据进行采集，并对现场设备进行控制，且采用网络通信的形式对数据进行采集、控制与传输。在自动化控制系统中，主要的网络构成有三层：

第一层是信息层，其主要组成部分包括网络打印机、以太网交换机、便携式计算机、服务器、工程师站、操作员站、信息层等。同时，将IEEE802.3u这一标准中的快速以太网（100 MbPs）作为依据，通过双绞线进行传输。

第二层是控制层，其主要组成部分包括工业以太网以及现场控制分站，将IEEE802.3u的标准化全双工快速以太网（1 000 Mbps）作为基础，通过双绞线进行传输。

第三层是设备层，其主要组成部分包括现场控制设备以及智能化仪表，并将以IEC61158这一标准的现场总线通信或I/O方法作为基础，和现场控制单元之间进行通信，其中的现场总线协议需要按照设备以及仪表的实际选型来加以确定。

在该污水处理厂中，其自动化控制系统的控制模式主要有三种，第一是自动模式，第二是遥控模式，第三是手动模式，且不同模式的优先级别也不同，其中手动控制具有较高的优先级别。

2.2 仪表选型与设计

按照该污水处理项目的主要工艺流程，结合其自动控制方面的实际应用需求，在本次设计中，需将水质分析仪和过程参数检测仪设置在进水和出水的在线检测室中，这样便于为污水处理厂提供检测设备，以此来满足其整体检测需求。其中，主要的检测设备有污泥浓度仪表、在线攻讦氧检测仪表、pH值检测仪表、氨氮检测仪表、COD检测仪表、液位检测仪表以及流量计量仪表等[2]。

在对上述仪表选型的过程中，不仅需要使其和环境条件与对象特质相符，同时，也需要确保其测量范围足够精准，防护等级与实际要求相符，且需要符合项目所在地的气候特征。在本次设计中，所有的仪表都选择了带有现场显示变送器的智能仪表，并借助控制电缆将其连接到PLC系统中的I/O模块上。

2.3 系统控制功能设计

在该污水处理系统中，是通过PLC对现场控制站进行控制与管理，以此来实现各项设备与参数的实时监督控制，同时将相应的信息传输给中央控制室，使其得到有效处理。在控制现场，开关柜、控制箱以及各种仪表主要是借助于电缆线路连接在一起，以此实现数据传输和控制运算，并向相关设备进行数据输出。而控制站与中控室之间的信号主要是借助光纤环网来进行传输。通常，污水处理厂的自动控制系统主要是对污水处理过程进行自动控制和自动调节，系统应具有以下功能：自动操作功能、显示和存贮功能、打印功能和自动保护，自动报警功能。

3 污水处理厂电气节能措施分析

本工程是采用地下布置形式，所以，在除臭、通风以及照明方面都具有更高的要求。首先是除臭，由于污水处理厂处于地下，环境封闭，因此，相比于普通的污水处理厂，其除臭标准要进一步提升，即在对池中臭气收集处理的同时，也需要对污泥处理和预处理等重点区域实施多重隔离，可通过相对隔断的空间来进行臭气收集处理[3]；而对于人员活动比较频繁的区域，可通过离子风加送的方式来强化其除臭效果。再比如，相比于普通污水处理厂只在建筑物内和安装路灯进行夜间照明之外，该处理厂在地下箱体中都进行了照明设备的设置，且照明采用24 h连续照明的模式，在这样的情况下，照明设备应用的数量会更多，时间会更长。为了达到良好的节能效果，本次工程设计中主要采取了以下几方面的措施：

第一是通过精确曝气的方式对生反池中的曝气风量以及溶氧浓度加以精确控制，使曝气风机在运行中的能耗得以最大化降低。

第二是对地下污水处理厂中的水利高程以及竖向设计加以优化，使全程水头损失得以有效控制，且最大限度降低水泵的提升高度与提升次数，以此实现水泵运行能耗的最大化降低。

第三是将智能通风与除臭系统应用到污水处理厂中，主要是通过智能化数据的实时采集来实现风机开启数量的智能化控制，而局部是通过机械通风与自然通风相结合的方式进行除臭处理，以此实现风机运行能耗的最大化降低。

4 结语

综上所述，在对污水处理厂进行设计与建设的过程中，电气控制设计以及节能措施至关重要。基于此，相关单位与设计人员需将其主要组成作为依据，再对整个污水处理厂进行合理的电气设计，然后根据电气的实际设计情况来设计控制系统，并将各项的节能措施合理应用到电气设计与控制系统设计中，以此达到良好的节能效果。这对于污水处理厂中各种设备的自动化电气控制以及提升节能效果都十分有利，从而可促进污水处理厂的良好运行和可持续发展。