污水处理厂电气及自动化工程设计及应用.pdf

2024 年第 1 期108中国高新科技生态环境|ECOLOGICAL ENVIRONMENT污水处理厂电气及自动化工程设计及应用韩丹大连市市政设计研究院有限责任公司，辽宁 大连 116011摘要：污水处理厂作为处理和净化废水的关键设施，在确保水资源安全和环境可持续发展方面发挥着重要作用。文章研究了污水处理厂的电气及自动化工程设计和应用。通过分析工程案例的电气工程现状和存在的问题，提出改进方案，可为污水处理厂提供电气及自动化工程方面的参考和指导，提高运行效率和环境保护水平。关键词：污水处理厂；电气及自动化工程；可持续性文献标识码：A中图分类号：U664文章编号：2096-4137（2024）01-108-03DOI：10.13535/ki.10-1507/n.2024.01.31Design and application of electrical and automation Sewage TreatmentHAN DanDalian Municipal Design and Research Institute Co.,Ltd.,Dalian 116011,ChinaAbstract:As a key facility for wastewater treatment and purification,sewage treatment play an important role in ensuring water security and environmental sustainability.This paper studies the electrical and automation design and application of sewage treatment.By analyzing the current situation and existing problems of electrical engineering,the improvement scheme is put forward,can provide electrical and automation sewage treatment reference and guidance to improve operational efficiency and environmental protection.Keywords:sewage treatment;electrical and automation;sustainability传统的污水处理厂在电气和自动化方面存在供电不稳定、能耗高、运行效率低及监控和控制体系不完善等突出问题。为了提高污水处理厂的运行效率、降低能耗并满足环保要求，需要重点关注电气及自动化工程的设计及其应用。通过合理的工程设计和先进的自动化技术，可以实现供电可靠性、能源节约和智能化运营。1工程概况该污水处理厂位于市区，总占地面积约 10 万 m2。设计处理能力为28万m3/d的废水，满足周边居民和工业区的需求。该工程主要包括进水管道、初沉池、生化池、二沉池、消毒装置等核心处理设备，以及相应的电气及自动化系统。目标是将废水经过一系列处理工艺，使其达到国家排放标准。该污水处理厂效果如图 1 所示。图1该污水处理厂效果图2供电现状分析通过对现有供电设备和线路的数据进行分析，可以评估供电系统的性能，并发现存在的问题，为后续改进方案的制定提供依据。根据现有数据，汇总该污水处理厂一期配电室和二期配电室的供电容量、负载情况和功率因数等参数。一期配电室的额定容量为 500kVA，当前负载为 300kVA，功率因数为 0.82。二期配电室的额定容量为 800kVA，当前负载为600kVA，功率因数为0.76。通过对供电现状的详细分析，发现存在以下问题：（1）负载过高。部分配电室的负载已接近或超过额定容量，存在供电能力不足的风险。在一期配电室中，当前负载已达到 300kVA，接近其额定容量的 60%。同样，在二期配电室中，当前负载已达到 600kVA，占据额定容量的 75%。这表明在高负载条件下，供电系统可能无法满足未来的增长需求，存在潜在的供电能力不足的风险。（2）功率因数低。配电室的功率因数较低，导致无效功率的浪费，降低了供电系统的效率。功率因数是衡量电力系统有效利用电能的指标，数值越接近1，系统效率越高。然而，在一期配电室和二期配电室中，功率因数分别为 0.82 和 0.76，与理想值 1 相差较大。这意味着存在较多的无效功率（如无功功率），不但造成了能源的浪费，同时还增加了电网的负担。（3）线路损耗较大。由于供电线路的长度和负载情况，存在一定的线路电阻和功率损耗。长距离的电力传输会引起线路电阻损耗，导致能源的浪费和电压降低。此外，在高负载条件下，电流的增加也会导致线路的功率损耗增加。因此，供电系统中的线路损耗问题需要得到关注和解决。3改进方案3.1工程供电为了保障污水处理厂的电力供应稳定可靠，同时考虑未2024 年第 1 期109中国高新科技ECOLOGICAL ENVIRONMENT|生态环境来扩建的需求，重新评估该污水处理厂的总负荷，并对其工程供电进行改进。经评估，发现引入分布式发电可以降低对传统电力系统的依赖性，提高供电系统的可持续性。具体改进措施如下：（1）通过在污水处理厂内部增设发电设备实现分布式发电。选用太阳能光伏板和生物质发电机两种方式进行发电。其中，太阳能光伏板使用面积为 3000m2，装机容量为600kWP，生物质发电机的装机容量为 500kWP。（2）增加储能设备。在能量生产过剩时，将多余的能量储存起来，以便在迎峰度夏等高负荷期间使用。该厂选用了10 台锂离子电池组成的储能系统，总储能能力为 450kWh。改进前，污水处理厂采用传统电力系统，装机容量为2MW，平均故障率高达 0.5%，年平均停电时间为 36h，可靠性受限；改进后，引入了太阳能光伏板和生物质发电机的分布式发电模式，装机容量降至 1.1MWP，储能设备为 10 组锂离子电池，总储能能力为 450kWh。通过这些改进，每年可生成电能为1100000kWh，同时还提高了系统的可持续性和可靠性。3.2供配电系统为了提高污水处理厂的电力供应效率和可靠性，该厂对配电室进行了布局优化和容量规划，并采用智能电力管理系统实时监测负荷和电能使用情况。同时，通过合理调整电力设备的配置和负载分配，确保供电系统能够满足不同区域的需求。具体改进措施如下：（1）布局优化和容量规划。根据污水处理厂的实际情况，结合未来扩建计划，对现有配电室进行布局优化和容量规划。每个配电室的负载不超过额定容量，以提高功率因数。（2）电力设备配置和负载分配。对不同区域的电力设备进行合理配置和负载分配，确保供电系统能够满足不同区域的需求。根据各个区域的负荷需求，合理安排电源、变压器、配电盘等设备，并采用合适的电缆容量和截面积，以减少电流损耗和线路阻抗。（3）智能电力管理系统。安装智能电力管理系统（电流监测范围：0 6000A；电压监测范围：0 1000V；功率因数监测范围：1 1；精度：电流、电压 0.5%；功率因数：1%），实时监测负荷和电能使用情况。通过该系统，能够及时了解各个区域的负荷变化，并调整供电策略，优化供电系统的运行。改进后的系统效率大幅提升，从不足 85%提高到 90%95%。改进后，污水处理厂供配电系统的功率因数达到了 0.9 以上，与改进前相比，功率因数明显提高。这不仅减少了无效功率的浪费，也有助于提高系统的效率和经济性。3.3照明为了进一步提升污水处理厂的能源效率，该厂在改进方案中加入了关于照明系统的优化措施。首先，采用高效节能的LED照明设备代替传统的荧光灯，以降低照明系统的能耗。同时，结合光照传感器和智能控制系统，实现照明的自动调节和节能管理。通过这些措施，可以根据不同的时间、环境和人员需求，合理设置照明时间和亮度，减少不必要的能源消耗，最大限度地提高能效性能。改进后，发现照明系统的能源消耗显著下降，使用寿命更长，维修成本也有所降低。同时，智能控制系统的应用使得照明系统具备了更好的自主控制能力，自动调节照明亮度和时间也避免了过度照明和浪费现象的产生。这不仅有助于提高供配电系统的能效性能，还可为污水处理厂节约大量的能源消耗及相关经费。3.4接地保护和防雷系统使用 DY4100 数字型接地电阻测试仪器进行精确测量，并根据实际情况制定接地网的布置方案，采用合适的线材和接地装置减小接地电阻，提高接地效果，同时优化接地装置的布局，减少人员和设备的电击风险。为了进一步提高污水处理厂的防雷能力，采用了专业的 SPD（Surge Protective Device）防雷装置。如图 2 所示，该厂还应用了专业的 ABB接地保护模块，利用电流互感器和绝缘检测装置等技术手段，进行接地保护和监控。通过这些措施，成功提高了污水处理厂的接地保护和防雷能力，确保了设备的安全可靠性。图2浪涌保护器OVRT23L40-320PTSU图片来源：ABB 官网4管理控制系统4.1项目管理信息系统在改进方案实施过程中，为了确保项目按计划推进，采用项目管理信息系统进行管理和控制。该系统基于 CMMI（Capability Maturity Model Integration）模型，包括需求管理、配置管理、变更管理、风险管理等模块，以及项目进展情况、资源利用情况、任务分配和完成情况等数据的管理和统计。4.2自动化监控系统在污水处理厂设备和流程中安装了传感器、开关、仪表 2024 年第 1 期110中国高新科技生态环境|ECOLOGICAL ENVIRONMENT等设备，并采用 PLC 等自动化控制设备，实现设备运行的自动化和检测。通过传感器等设备采集到的数据可以实时地反馈给 PLC 等自动化控制设备，从而实现对设备和流程的自动化监控和控制。其中，在传感器的选型和位置布置上，根据设备和流程的具体特点，采用符合专业标准的传感器，并进行合理的安装和调试，以达到最佳的监测效果。4.3智能电力管理系统为了实现对供配电系统的智能管理和优化，采用智能电力管理系统。该系统包括数据采集系统、数据处理系统、控制系统等模块。其中，数据采集系统可以实时监测供配电系统的电流、电压、功率等参数，并通过与数据库管理系统相连的方式以便后续分析和处理；数据处理系统可以对采集到的数据进行存储、处理和分析，支持数据挖掘和决策支持等功能；控制系统则可以对供电策略进行调整和优化，最大限度地提高供配电系统的效率和经济性。4.4数据库管理系统在污水处理厂改进项目中，收集了大量的数据和信息。为了更好地管理和利用这些数据，采用SQL数据库管理系统。该系统采用关系型数据库，包括数据存储和查询两个部分。数据存储部分可以对采集到的数据进行存储和更新，并拥有完善的备份机制；数据查询部分则可以对存储的数据进行检索、分析和统计，支持多种数据分析工具和报表生成功能，方便用户对数据进行深入的研究和利用。通过应用以上技术，成功地将先进的工程技术手段引入污水处理厂改进项目，实现了全面监控和控制。在系统的设计、选型和应用中，充分考虑了系统的可靠性、适用性和安全性等方面，实现了对污水处理厂改进项目的高效管理和控制。5通讯系统5.1有线通讯系统在污水处理厂改进项目中建立了一套完整的有线通讯系统，采用了高速以太网协议和千兆级交换机和路由器等设备。其中，交换机采用 Cisco Catalyst 系列设备，支持高性能的数据交换和流量控制；路由器采用 Cisco ASR9000 系列设备，具备高密度端口、高灵活性和可扩展性等特点。此外，还使用了符合 Cat5e 标准的网络电缆和 RJ45 网络接口卡等设备，以确保设备之间快速稳定的信息传输。5.2无线通讯系统为了满足不同场景和设备的通讯需求，采用多种无线技术和设备，在污水处理厂内建立了覆盖面积广、传输速率高、抗干扰能力强的无线通讯系统。其中，采用 Wi-Fi 和 ZigBee等协议，配备符合 IEEE 802.11ac 标准的 AP（Access Point）和无线模块等设备，以实现设备之间的无线通讯。为了充分利用频谱资源，采用专业的信道规划和频段选择方法，并进行了严格的测试和验证。具体来说，对不同频段、不同信道的干扰情况进行测试和评估，以最大限度地提高通讯质量和稳定性。5.3远程监控系统为了实现对污水处理厂的远程监控和控制，建立了一套远程监控系统。该系统使用了 VPN 和 SSL 等安全协议，确保远程通讯的安全性和可靠性。此外，为了满足不同用户对远程接入方式的要求，该厂实现了多种远程接入方式，包括Web 界面、移动客户端等。具体来说，采用符合 RFC 2547标准的 MPLS（Multiprotocol Label Switching）技术，实现了虚拟专线的建立和数据传输。同时，该厂还采用符合 TLS 协议的 OpenVPN 软件，实现了远程安全接入。5.4语音对讲系统为了方便污水处理厂内部人员的沟通和协作，建立了一套数字化音频处理技术的语音对讲系统。该系统采用基于 IP网络的话音编解码算法，支持 G.711、G.729 等多种编解码算法，以实现清晰稳定的语音对讲效果。为了满足不同用户对语音对讲系统的要求，设计了多个频道和多个用户会议等功能，并使用符合 ITU-T G.168 标准的数字回音抵消技术，以最大限度地提高通讯质量和稳定性。6结语本研究对污水处理厂的电气及自动化工程进行了深入的探索和分析，提出了一系列改进方案，以满足其不断增长的电力需求和可持续发展的要求。通过供电现状分析，发现了现有供电系统存在的问题，包括负载过高、功率因数低和线路损耗大等。针对这些问题，设计了工程供电方案、供配电系统改进、照明优化及接地保护和防雷系统的改进措施。本研究仍存在局限性，分布式发电方案的实施需要充分考虑现有设施和环境条件，以及相关的技术和经济因素。此外，本研究只针对特定的污水处理厂进行了研究，结果的推广性可能受到限制。因此，未来的研究可以进一步扩大样本规模，并结合更多实际情况进行验证。作者简介：韩丹（1979-），男，辽宁大连人，大连市市政设计研究院有限责任公司高级工程师，研究方向：电气及其自动化。参考文献1 吴宝华电气自动化系统在污水处理厂的设计应用J科技创新导报，2020，17（5）：66-68.2 闻强污水处理厂电气设备的巡检与维修研究 J现代工业经济和信息化，2022，12（3）：295-2973 邱宏伟污水处理厂电气控制设计及节能措施探讨J皮革制作与环保科技，2022，3（11）：102-104（责任编辑：周羿廷）