基于保山市大柱山净水厂电气与自控系统设计

摘 要：介绍了保山大柱山净水厂的高低压配电系统、负荷计算及自控系统、工艺仪表设置的设计要点，保障了净水厂工艺设备以及水厂内包装饮用水厂房的可靠安全运行，并为以后可能的扩建预留空间，以及针对高海拔潮湿环境的净水厂厂区电气自控设计提出了一些建议，可以为类似项目提供参考。

关键词：净水厂；配电系统；负荷计算；自控系统

中图分类号：TU852 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2024）09-0102-03

收稿日期：2024-04-05

作者简介：王宣元（1994—），男，吉林白山人，本科，工程师，研究方向：市政电气设计。

0 引言

根据保山市当地的水资源条件及当地供电部门要求，对保山大柱山净水厂的高低压配电系统及自控系统仪表设置的设计要点进行了研究，保障了净水厂工艺设备的可靠安全运行，并为以后可能的扩建预留空间。大柱山净水厂设计规模为4万m3/d，采用混合、絮凝、沉淀、过滤、除氟等净水工序，并包含一座包装饮用水厂房。

1 电气设计

1.1 10 kV配电系统设计

根据《城镇排水系统电气与自动化工程技术标准》（CJJT 120—2018）文中电气系统的一般规定，本工程属于排水设施，设备的供电负荷等级确定为二级[1]。经与当地电力部门沟通后，由当地电力部门规划两路10kV高压电源进线，两路高压电源一用一备，每路电源均能满足全厂100%的用电负荷。10 kV高压侧采用单母线分段，中间设联络开关的接线方式。10 kV电源进线采用带微机型综合继保装置的时限电流速断及过电流保护，10 kV高压断路器采用直流220 V弹簧操作机构，弹簧操作机构电源引自直流屏。

1.2 负荷计算与变压器选择

由于大柱山净水厂包括一座包装饮用水厂房，且除氟设备用电量较大，根据当地电力部门要求，当地变压器容量应小于等于2 000 kVA，因此本工程共设置4台1 600 kVA变压器，两用两备。由于除氟设备用电量占净水厂总用电量比重约为47.4%，为使变压器的负载较为均衡且方便后期的管理，因此4台变压器中划分出2台单独为除氟设备供电（除氟间设备接入#3、#4变压器，其余设备接入#1、#2变压器）。根据《城镇排水系统电气与自动化工程技术标准》（CJJT 120—2018）设备组需要系数确定功率计算的同时系数与功率因数，计算结果如表1、表2所示。

根据负荷计算，#1、#2变压器平均负载率约为76%（低压侧补偿到0.94），事故保证率100%；#3、#4变压器平均负载率约为70%（低压侧补偿到0.92），事故保证率100%。

1.3 低压系统设计

保证净水厂的正常运行以及方便后期维护和管理，0.4 kv低压侧采用单母线分段，中间设联络开关的接线方式，两路进线与联络开关采用三锁两钥匙机械及电气闭锁。为保证净水厂配电系统低压侧的功率因数不小于0.9，在低压进线处设置电容补偿柜，能够智能投加补偿电容。为保证供电质量，在低压进线处设置有源滤波柜，去除电源中的噪声与干扰。

为方便运营人员操作与维修，使柜体的使用更加安全和快捷，大柱山净水厂低压配电柜采用MNS抽屉柜。低压配电柜除为主要配电回路预留相同规格的断路器开关外，配电柜额外预留了部分整定电流不小于63 A的断路器开关，方便净水厂配电系统以后的扩展。

1.4 电缆敷设设计

一般情况下，配电间应设置于负荷中心，但是由于受到大柱山净水厂厂区地理条件的限制，大柱山净水厂配电间不能设置在厂区的中心位置，只能设置于厂区东南区域的清水池上，除规划预留用地外，水厂内所有建筑物或构筑物单体均在配电间的西侧与北侧，所以大柱山净水厂配电间相较于一般配电间需额外注意地面防水防潮设计，与配电间的回路出线设计。

本工程室外电缆敷设采用电缆沟、热镀锌钢管与不锈钢桥架相结合的方式。根据厂区用地标高的限制，清水池北部池体位于厂区中央道路下，所以配电间出线电缆沟无法设置于北侧，只能设置于配电间的西南侧，为保障预埋足够热镀锌钢管过路，考虑到单个水井的大小，可以穿过的热镀锌钢管根数有限，所以在配电间外侧电缆沟选择多个点位设置电缆手井，预埋热镀锌钢管过路管，方便电缆出线。由于配电间设置于厂区东南区域，距离其他建筑物或构筑物单体较远，所以为满足电压降要求，本工程采用的主杆电缆的规格较大。

1.5 建筑物、构筑物单体设备配电设计

在建筑物或构筑物单体设置配电箱，为单体内设备提供电源，并在单体配电箱中预留备用回路及插座。在工艺设备就近处设置按钮箱与控制箱，部分控制箱根据工艺要求配套变频控制。由于保山市位于云南省西南部，海拔较高为1 800 m左右，昼夜温差较大，导致清晨雾气较多容易在配电箱中凝结水珠，所以在配电箱中配有通风设备并为容易积水的配电箱增加加热设备。考虑到净水工艺流程中添加的药剂腐蚀性较大，会加快构筑物内的金属的腐蚀，所以构筑物单体内的配电箱外壳、工艺设备的按钮箱与控制箱外壳以及电缆敷设使用的桥架采用不锈钢材质。

本工程接地方式采用TN-S制，在电源进线处设置重复接地，在各单体总配电箱处设置总等电位端子，在进线处设置一级防浪涌装置。沿单体外围设置接地线，方便工艺设备的金属外壳和其他金属器件的接地连接，构成共同接地体，确保工作人员的安全。

根据净水生产工艺的需求，本工程需要用到潜水泵、干式泵、风机、阀门等设备。其中运行功率在15 kW以上的电机需采用变频控制。潜水泵由于在水下工作，本工程将潜水泵电机的超温、泄漏、过载、故障等信号传送至PLC，以便对水泵的运行状态进行智能监控，在潜水泵电机出现故障时能够切断水泵电源并通知有关人员。

为方便操作人员在控制设备时能够实时了解相关工艺流程的运行状态，设备的控制箱与按钮箱就近设置，控制箱上设置有控制面板，现场每台设备均可进行现场手动控制，每台设备可随时投入或撤出自动控制系统。由于部分池体外围走道板较为狭窄，设备配套控制箱采用槽钢作为基础落地安装后，不方便工作人员通行或者操作控制箱，所以在走道板狭窄处，采用槽钢固定于栏杆上支柱安装配电箱，为方便工作人员察看面板数据以及操作使用，将按钮箱与控制箱的面板离地高度设置为1.3 m。

2 包装饮用水厂房设计

本项目包装饮用水厂房建设于大柱山净水厂内，厂房占地1 857㎡，包含500 ml瓶装水生产线1条，购置12 L桶装水生产线1条，并配套部分设备、水处理、污水处理等公用工程设备，形成年新产3.1万吨包装饮用水（500 mL瓶装水3 600万瓶/年，12 L桶装水110万桶/年）的生产能力。

为满足包装饮用水厂房的生产需求，本工程考虑了如下措施：第一，为保障包装饮用水厂房的生产活动能够连续运行，包装饮用水厂房的电源引自配电间低压柜，电源采用独立回路，不与其他构筑物或建筑物单体共用电源，且不与其他负荷混用。确保了电源的稳定性、独立性，方便包装饮用水厂工作人员的管理，不会因净水厂工艺设备的检修调试影响包装饮用水的生产

第二，为保障包装饮用水生产所需要的无菌条件，因此选择对环境影响较小的嵌入式灯具，避免灯具的积灰，方便工作人员清理、降低维护难度。与厂区其他单体内为方便设备维修调试而选择电缆穿桥架或热镀锌钢管明敷不同，包装饮用水厂房内电缆选择在墙内或顶板暗敷，优化电缆走线布局，避免对环境造成影响。通向外界的管线应在进户处做好封堵，通风风机的开口应设置防护网。由于包装饮用水厂的生产条件密闭性较好，如果发生火灾对人体伤害较大，因此选择阻燃电缆，并设置自动灭火装置[2]。

3 自控设计

3.1 自控系统设计

根据集中管理，分散控制的自控设计原则为净水厂建立一套控制系统。由1个中央站与4个现场子站构成控制环网。在净水厂厂区综合楼的中控室设1个中央站，在配水井及絮凝沉淀池、V型滤池及反冲洗泵房、加压泵房及清水池各设置一个PLC现场控制站，对各单体的所有工艺设备、仪器仪表进行监测、控制，PLC内应预留足够的卡件数量以便将来扩充。脱水机房、加氯加药等一体化设备采用光纤接入到就近PLC中。为厂区外的取水泵房预留4G/5G无线通信接口[3]。

为满足净水厂网络安全的需求，在中控室自控设备中设置安全管理平台，设置工业防火墙，监控设备的运行状态，监测网络的通信安全，并且能够对厂区网络内部的安全威胁进行分析与清除。

3.2 仪表设计

在进水处设置流量井，在流量井内设置电磁流量计，监控整个厂区的进水水量，方便工作人员调整后续净水工艺流程。

在配水井-絮凝沉淀池进水处设置浊度计和PH/T计，监控进水水质是否达标。在配水井-絮凝沉淀池出水处设置浊度计，通过前后浊度计的数据对比了解絮凝沉淀池出沉淀效率，判断当前水质是否可以进行进一步的深化处理[4]。

在V型滤池-反冲洗泵房的滤格中设置超声波液位计，监控液位变化，保持滤格中液位恒定，在滤格中设置水头损失仪，通过过滤前后损失的液位，监控过滤效率。当过滤效率较低滤池滤板达不到预定过滤效率时，对滤池滤板进行反冲洗。在反冲洗泵房中设置空气压力传感器、空气流量计、液体压力传感器、液体流量计，监控反冲洗管道内的气体和液体的流速，借此控制反冲洗罗茨鼓风机和清水泵的运行状态。

在清水池、污泥浓缩池和排泥池处分别设置超声波液位计、污泥浓度计、和泥位计确保相关工艺流程处在相对平稳的运行状态。

在加压泵房出水处设置压力计、浊度计、pH/T计和余氯计。确保净水厂出水水质满足设计标准，并且出水水压达到要求。根据当地相关部门要求水质监测仪表应预留上传接口，可以通过4G或5G通信将出水水质的监控数据实时上传至当地管理平台[5]。

除工艺流程所需要设置的仪表外，在脱水机房设置了硫化氢测量仪，在加药加氯间设置了氢气测量仪，并额外为厂区工作人员配备一台手持式硫化氢测量仪，方便工作人员使用，保障厂区设备的运行安全与工作人员的生命安全。

为保障仪表的正常工作和测量数据的可靠性，所有仪表接入共同接地体，且户外仪表进入PLC端口时设置浪涌保护器。

3.3 安防设计

为满足厂区的安防需求，在每个构筑物或建筑物单体户外各设置1套1080P枪式摄像头，并在围墙处设置4套1080P枪式摄像头，在综合楼内会议室、中控室等房间按需设置摄像头，摄像头全天候工作，摄像机接入大柱山净水厂视频监控系统，配备长延时记录装置，视频资料需要保存3个月以上。

在厂区围墙处设置电子围栏设备，并接入大柱山净水厂电子围栏系统。净水厂厂区围墙约900 m，根据100～300 m划1个分区和厂区围墙实际情况考虑，需增设10个分区控制系统，各分区控制机应能接入水厂电子围栏系统。

在厂区出入口、综合楼出入口以及重要房间如中控室、会议室的门口设置门禁系统，防止未经授权的人员进入，确保只有授权人员才能进入特定区域。进出水仪表检测间的门口独立设置门禁系统，满足当地环保部门的要求，确保上传水质数据的可靠性。

3.4 中控室设计

为满足中控室设备的正常运行，保障数据的可靠性，在中控室设置静电地板。在中控室内设置主机、显示器、打印机等设备。为使净水厂设备的工作状态、各类仪表的数据能够直观清晰地呈现给工作人员，在中控室墙上设置LED显示屏。

4 结束语

本文介绍了大柱山净水厂在设计过程中应注意的相关事项，根据厂区的负荷等级与当地电力部门的要求，高压侧采用两路10 kV高压进线，低压侧采用4台变压器，两用两备。再结合厂区配电间无法设置在厂区用电负荷中心等实际情况，合理放大电缆规格，满足设备运行电压要求，优化电气布局及其他事项，确保包装饮用水厂房的正常运营和安全等。净水厂电气自控设计应优先考虑水处理系统的稳定运行和工作效率，根据净水厂的实际需求，选择合适的配电与自控方式。

参考文献

[1] CJJT 120-2018，城镇排水系统电气与自动化工程技术标准[S].

[2] 潘清城.自来水厂电气及自控设计[J].化学工程与装备，2018 （7）：188-190.

[3] 朱敏智.某净水厂电气主接线设计和比较[J].现代建筑电气， 2019，10（7）：45-48.

[4] 赵琳，吴霖，徐伟.某生物净水厂过程控制设备及仪表位号研究与设计[J].水利技术监督，2023（4）：20-23.

[5] 张伟，张福顺.新型净水厂中智慧水务系统的应用与探究[J].智能建筑，2021（12）：45-50.