污水处理厂电气与自控系统设计

摘要：随着中国经济的快速发展,生活质量的不断提升，污水处理不及时,造成环境的污染，所以我们必须重视城市污水处理系统的设计。本文结合工程实例，对电气及自控的设备构成及系统设计要点做浅析，希望为设计同行提供参考与借鉴。

关键词：配电设计、控制、电缆 1 电气系统设计 1.1 配电系统架构

以某城市生活污水处理厂为例,污水处理能力设计为10万 m³/d,主要包括进水泵﹑格栅、鼓风机﹑脱水机、紫外线消毒等用电设备。考虑污水处理厂运行过程中若长时间停电造成生物池内微生物缺氧死亡,消毒设施停用,致使出水水质不能达标影响下游河道水质。因此根据《室外排水设计规范》和污水厂运行要求,按照二级用电负荷供电。

根据全厂负荷中心的分布情况,设置1座总变配电室，3座分变配电室。总变配电室宜由城市电网引入两路10 kV电源供电,10kV开关柜采取单母线分段接线的方式。计算负荷为2314.48kVA,根据业主要求,考虑经济效益，为增加供电系统的可靠性,设置2台2000 kVA干式变压器,同时工作，变压器负载率61.1%。低压为单母线分段运行，联络开关手动转换，当一台变压器故障或检修时，断开非保证负荷，另一台变压器能保证全厂二级负荷正常生产。低压主进开关与联络开关之间设机械联锁，任何情况下只能合其中的两个开关。

1.2 低压保护

1．单台容量大于30KW的电机设备应采用降压启动装置，小于30KW的电机设备采用直接启动。根据工艺需求，鼓风机、加药泵等设备采用变频器调速控制。

2．低压系统的进线处总开关设三段保护:短路保护、延时速断和长延时过电流保护，低压配电各支路设断路器短路保护和接地故障保护。

(1）母线截面

根据规范要求母线允许电流大于或等于线路计算电流，同时考虑变压器低压侧出线口电流为2890A，并考虑远期发展预留量，低压母线采用TMY-3x[2(125x10)]+1x(125x10)，其中Iz=4000A，Ic=2680A。

(2）母线保护电气选型

考虑到污水处理厂的重要性及低压配电系统进线保护的复杂性，选用智能型低压断路器MT32，框架电流3200A，分段能力65kA,可以得到良好的保护性能。

(3）母线断路器参数整定

1)长延时过电流脱扣器整定电流Iset1:

按过载保护要求，应符合Ic≤Iset1≤Iz，即2680A≤Iset 1≤ 4000A，取Iset1=3000A。

2）短延时过电流脱扣器整定电流Iset 2∶

为保证可靠动作，应符合接地故障电流Id≥1.3Iset2,要求，可以利用智能断路器所带接地故障保护脱扣器作为接地故障保护，则符合末端相间短路电流Ik≥1.3Iset2，一般取3倍的Iset1值（3x3000=9000A)。

3)瞬时过电流脱扣器整定电流Iset3 :

由于有短延时过电流保护，为了更好地具有选择性，Iset3值可以整定得大一些，可为Iset1的10~-15倍，则Iset3=15x3200=4.5kA。

1.3 线缆设计

在建筑物之内,采用电缆桥架和电缆沟来进行电缆敷设。对于控制电缆和动力电缆,应当采取分层分侧的布置方式。出电缆沟或桥架后采用穿管敷设。配电线路的设计都要本着节能的原则，金属导线是线路电能传递的主体材料，

仅以污水处理厂单台30kW设备为例进行示例说明。配电线路长度为100m，直埋敷设。计算功率 Pjs = 30 kw计算电流Ijs = 53.63A，电阻(Ω/km):2.175 、感抗(Ω/km):0.085Cos=0.85相位:三相校正系数:0.70

1:按线路压降计算

Δu(%)=(R'+X'tgφ)pL/10Un

=(2.175+0.085*0.620)*30*0.1/(10*0.38 )=4.628

当选择导线截面s=10mm²时，计算电压降U%= 4.628%，小于线路允许电压降5%

2:按经济电流密度计算

Aec=Ic/Jec=53.63/2.25=23.84mm² 选最接近的标准电缆截面25mm² 3:按整定电流计算

当选择导线截面s=25mm²时

A校正后载流量=样本载流量×校正系数×样本温度/环境温度 115.00A×0.70×35/35=80.50A

B校正后载流量/1.1>自动开关整定电流 80.50A/1.1=73.18A

大于设置的最大过载电流60A

因此，选择导线截面s=25mm²，可以满足以上各条件。

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2 自控系统设计 2.1 自控网络系统架构

对于污水处理自动控制系统来说,网络通信的可靠性对系统控制性能有着重要的影响,这就对网络拓扑结构设计、传输介质选择及参数设置等提出了更高的要求。污水厂各生产工艺段相对独立,单体设备众多，采集数据量大，包括电机参数、流量、压力、浓度、浊度、液位等，采集数据具有连续性和不间断性，各工艺段距离远,设备分散,组网相对复杂。根据以上特点,本系统选用西门子S7-300系列PLC对各工艺段生产设备分散控制,通过工业以太网组成开放的分布式控制系统。根据工艺流程及地理位置的分布,分别设在配电室、粗格栅配电室、脱水机房和反硝化滤池配电室设置分控制站。

污水厂自控系统作为一个开放式结构体系的自动化系统其网络结构采用三层，即生产管理层、中央监控层和现场测控层。

各现场PLC监控分站通过主干网络连接起来，作为控制层。主干网络介质采用多模铠装光纤电缆，网络光纤通信电缆可不受电缆间距限制敷设于电缆沟或电缆桥架中，避免通信电缆受到电力电缆的电磁干扰和防止雷电波沿通信电缆窜入损坏自控系统。因此,采用环形光纤工业以太网来进行自控系统组网，自控系统拓扑结构如图所示。

2.2 系统控制功能

管理功能主要由中控室监控计算机来实现，以中控室工控计算机作为主机，与各现场PLC站之间通过以太网的网络交换机相连，实现数据信息共享与交换。数据交换速率满足lOM速率的用户要求。用SQLsever建立历史数据库，执行后台数据管理功能。

（1）中心控制站监控管理计算机，其主要功能为：

监控各现场PLC站，实时接收PLC站采集的工艺参数、电气参数以及各种生产设备运行状态信息；建立各类信息数据库，并作出趋势分析曲线，供值班人员分析比较，以便找出污水厂的最佳方式运行，改进管理方法，保证出水水质；按照操作级别，向各现场PLC站发出指令，对有关设备进行遥控操作。

（2）现场控制站

现场控制站分别采集各自辖区内检测仪表的工艺参数信号、设备运行工况并根据工艺要求控制生产设备和流程，显示报警和事故信号。将工艺参数、控制过程、工况、报警及事故信号等数据传送到中心控制计算机，并接受上位机控制指令。

2.3 监控系统构成

监控系统分为现场监测,区域分控制站，中心监控。

现场监测主要包括工艺流程中的过程设备(如格栅机﹑加污泥浓缩机﹑提升水泵、水下推流器等)以及电气设备（如变频调速柜、高压柜继电保护系统)﹐现场水质及水位监测仪表,温度、压力、流量变送器等。

区域分控制站包含控制网络上的各控制分站、交换机、现场操作箱及触摸屏等,主要完成区域过程数据采集、转换,控制逻辑的执行,控制参数的设定及调整，控制指令的输出等。

中心监控包括服务器、工程师站、操作员站等人机界面,实时接收现场上传的各种数据,可对系统所有设备进行远程操作和控制,中央监控工作站通过配置

Widows 操作平台，采用PLC系统配套或通用的实时过程监控软件负责生产工艺过程的实时监控，管理计算机负责数据处理和编辑输出生产报表。

3 结论

通过介绍使大家了解到污水处理厂内部电气及自控系统的设计。为将来工作中遇到同等规模的污水处理厂如何更加优化电气设计方案提供基础。

参考文献：

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[3]谢阳,王旭. 污水处理厂电气自控系统的运用与技术分析[J]. 工程技术研究,2019,4(08):201-202.