李允全
山东华通环境科技股份有限公司青岛分公司 山东青岛 266000
摘要：本文主要分析了污水厂电气自动化系统的综合设计工作，探讨了自动化系统的设计的方案，以及在设计过程中，可以采取的方法，以及具体的措施，希望能够为今后水厂电气自动化系统的设计单位参考。
关键词：污水厂，电气自动化，设计
前言
污水厂的电气自动化系统，对于污水厂后期的运营来说是非常关键的，所以，在污水厂的建设过程中，做好电气自动化系统的设计，以及具体的施工工作是非常关键的。
1、污水处理工艺介绍
市政污水厂常见的水质参数指标有固体悬浮物SS、浊度、氨氮NH3-N、总磷TP、总氮TN、pH、化学需氧量COD、生物需氧量BOD,其中pH、COD、氨氮是污水厂进出水最重要的指标。根据不同的进水水质、出水排放标准,以及厂区、投资额等因素,所使用的污水处理工艺多种多样。常见的污水处理工艺有:AO、AAO、UCT、SBR、MBR、BAF、UNITANK、CASS、生物滤池、生物膜法等。
2、污水厂仪表自控及视频系统设计
2.1仪表、监控系统改建
仪表是根据工艺流程、生产管理和自动控制的要求配置的。在工艺改建过程中会涉及到仪表的拆除和新增，一般是工艺部分拆改多，仪表增减也就多。由于该污水厂期一处理工艺维持不变，只是将其出水再进行深度处理，所以仪表、监控系统基本不变，充分体现了节省投资，施工周期短，对原生产影响小的设计原则。
2.1.1自控系统现状
一期设有3个PLC现场控制站，即水线现场控制站PLC1，置于原总变配电站；泥线现场控制站PLC2，置于脱水机房；随鼓风机成套的现场控制站PLC3，置于鼓风机房。待二期监控系统建成后，将一期的3个现场控制站接入二期工控网上。
2.2仪表、监控系统扩建
二期工艺流程为：粗格栅、进水泵房→细格栅、曝气沉砂池→生物池→沉淀池→提升泵房→V型砂滤池→紫外消毒渠，相应建设鼓风机房、污泥脱水机房、排水池、冲洗水池、加药间等。
在新建的办公楼内设中心站，系统配置将考虑已建工程、扩建工程、污泥处理工程，并预留远期接口，重新设置软、硬件以提升污水厂的监控水平。
2.2.1监控系统层次
监控系统分为4层，即过程设备层、现场控制层、中心监控层、信息管理层。
过程设备层是指工艺流程中的过程设备，如各类水泵、风机、药剂制备装置、紫外线消毒设备、阀门执行机构等；电气控制设备，如智能IMCC、现场控制箱、现场变送器、随工艺设备成套的第三方控制设备；在线仪表，包括物位仪表和水质仪表。
现场控制层是指挂接在控制网络上的各现场控制站、工业以太网交换机以及操作员界面设备等，主要完成过程数据采集、转换、控制算法的执行、控制参数的设定及调整、过程设备的监测及控制指令的输出，是监控系统的核心层。
中心监控层即工程师、操作员站，实时接收PLC上传的各种数据，建立全厂生产过程信息数据库。主要完成数据、图形、状态的显示；故障声光报警并记录打印；数据分类、检索、历史数据存档访问、管理；定时或实时生产报表打印；实时动态调整回路参数、优化控制参数。通过人机界面功能及时地、全面地、准确地了解各现场控制分站的运行情况。向信息管理层上传污水厂数据和信息。
信息管理层是指厂长、总工、化验室计算机，厂级管理人员可实时监视全厂生产过程的各种信息、设备运行工况、历史记录、打印报表等，并发出调度指令。
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2.2.2监控系统网络
监控系统分为3网，即现场层网络、控制层网络、信息层网络。
现场层网络采用现场总线和I/O接点连接相结合的数据交换方式，将各现场设备与其相应的现场控制站连接，全厂统一现场总线通讯协议。
控制层网络采用标准的全双工1000Mbps快速光纤以太环网，在环网发生故障时，网络结构可以在小于30ms的时间内切换成总线结构，系统照常运行，传输介质采用多模光缆。
信息层网络采用100Mbps以太网星型网络拓扑结构，传输介质采用同轴电缆或双绞线。
3、污水厂电气设计
污水厂的电气系统设计与其它项目的电气设计思路基本相同,新建污水厂常用的电气设计步骤如下:
3.1用电负荷计算
在进行污水厂电气系统设计之前,必须先列出整个厂区所有机电设备的功率、效率、安装台数、实用台数等,还必须了解每种机电设备的相数、工作电压、功率因素、额定电流等。经过负荷计算表,计算出全厂机电设备的总负荷以及有效符合(计算负荷)。
3.2低压配电系统一二次设计
低压配电系统主要包括低压进线柜、功率补偿柜、联络柜、馈线柜。污水厂的低压一次回路设计一般遵循“自下而上”的原则。先确定主配电房和各子配电房的位置;再根据全厂机电设备的额定电流、台数、安装位置、启动方式等,设计出每一区域、工艺段的子配电系统;然后根据各主要设备和子配电系统的计算负荷、额定电流等,确定主配电房的低压出线回路。全厂机电设备的出线回路确定好以后,就能根据配电房的位置情况等,确定进线柜、母联柜、无功因素补偿柜,还可确定各重要设备的变频器、软起动器配置。低压进线总开关的容量,应比全厂总计算负荷高一个等级,并留有一定的余量。无功功率补偿柜的容量根据变压器的容量而定,一般取变压器额定容量的1/3左右为宜。
3.3变压器容量选择
根据计算的全厂用电设备的有效负荷、配电房的地理位置等,推算出变压器的容量(kVA数)。供电局是根据用户端报装的变压器容量的大小来收取基本电费的,比如用户报装的变压器容量是800kVA,供电局就按800kVA等级来收取每月的基本电费,不会因为用电量达不到报装容量而少收基本电费。所以变压器的容量不是越大越好的,除了一次性采购成本增加外,还会额外增加每个月的基本电费损失。但是,变压器容量也不能选得太小,如果用电负荷非常接近变压器的容量,会造成变压器长期满负荷运行,发热量过大;同时大功率设备的启动瞬间峰值电流会对变压器和电网造成冲击,这是绝对不允许的。变压器经济运行负载率一般在60%左右,这时变压器的损耗最小。但变压器的负载率不宜超过85%。在污水厂电气设计中,综合各方面的因素考虑,变压器的负载率在70~80%为宜。
3.4动力柜及现场控制箱的设计
在污水厂配电系统设计时,我们常常会把重要设备如提升泵、回流泵、鼓风机等的一次控制回路放到低压配电房的一次系统中。但考虑到子配电房的设置、设备的功率、台数,以及动力电缆的布线方便等因素,会把提升泵动力柜放在提升泵房,把鼓风机动力柜放在鼓风机房旁边的子配电房。
污水厂的机电设备基本都要求设置现场控制箱或机旁按钮箱。其区别是:现场控制箱中安装断路器、接触器、热继电器,以及按钮、指示灯等;机旁按钮箱中只安装接线端子、水泵保护器等,面板上安装旋转开关、按钮、指示灯,一次控制回路的元器件(断路器、接触器、热继电器,以及变频器、软起动器)集中安装在配电房的出线柜中。
4、结束语
污水厂的运营，有非常多的基础，其中一个基础就是电气自动化系统，所以在建设过程中，一定要做好电气自动化系统的建设工作，确保在系统建设的过程中，更加符合方案的设计要求，提高污水厂的运行的效果。
参考文献：
[1]《电气控制设备》(GB/T3797-2005).中国国家标准化管理委员会.
论文作者:李允全
论文发表刊物:《防护工程》2018年第9期
论文发表时间:2018/9/5
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