淺談地下污水處理廠智能配電能效方案設(shè)計(jì)

淺談地下污水處理廠智能配電能效方案設(shè)計(jì)

張穎姣

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201800

摘要：針對(duì)地下污水處理廠的配電系統(tǒng)提出智能配電設(shè)計(jì)思路，在綜合分析了硬件選擇、軟件配置和使用效果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)分析。結(jié)果表明，智能配電系統(tǒng)將成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，將在越來(lái)越多的同類建設(shè)工程中得到應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：智能配電；地下污水處理廠；配電系統(tǒng)；

1背景

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，越來(lái)越多的污水處理廠建設(shè)突破傳統(tǒng)地上污水處理廠用地觀念，科學(xué)合理地利用地下空間，建設(shè)地下式污水處理廠。地下污水處理廠具有占用空間小、節(jié)省地上土地資源等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)減少對(duì)周圍景觀的美觀性產(chǎn)生影響，不僅提高了周圍土地資源的價(jià)值，也解決了污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的污濁氣、噪音等問(wèn)題，對(duì)周圍居民和環(huán)境產(chǎn)生“零影響”。目前已建的地下污水處理廠多采用傳統(tǒng)配電設(shè)計(jì)方案，在提質(zhì)增效方面基本無(wú)改進(jìn)空間。通過(guò)地下污水處理廠智能配電系統(tǒng)的搭建，可以降低人工成本、優(yōu)化運(yùn)營(yíng)環(huán)境、降低能耗。

2地下污水處理廠智能配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1傳統(tǒng)污水處理廠配電系統(tǒng)的缺點(diǎn)

早期污水處理廠往往按照傳統(tǒng)配電方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，污水處理廠管理水平的提升，對(duì)電氣設(shè)計(jì)不再滿足于安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、便利、節(jié)能等常規(guī)要求；而是希望更加智能化，能夠通過(guò)技術(shù)手段優(yōu)化生產(chǎn)方案，降低生產(chǎn)成本、便于后期維護(hù)；并且污水處理廠內(nèi)變配電間相對(duì)其他區(qū)域更易發(fā)生火災(zāi)，希望能夠有效預(yù)防電氣火災(zāi)。污水處理是生化處理過(guò)程，一旦停電將造成供氧中斷，使微生物大量死亡，嚴(yán)重影響污水廠的處理效果和效率，要恢復(fù)正常運(yùn)行，需要重新對(duì)活性污泥進(jìn)行一定時(shí)間的培養(yǎng)和馴化，對(duì)供電要求較高；并且全地下式污水處理廠的通風(fēng)、消防等負(fù)荷大，如果中斷供電，還可能造成污水浸泡整個(gè)箱體。

對(duì)傳統(tǒng)污水處理廠配電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)總結(jié)后，可以將傳統(tǒng)污水處理廠配電系統(tǒng)缺點(diǎn)歸納總結(jié)為3點(diǎn)：存有隱患、管理粗放、缺少分析。

2.2地下污水處理廠智能配電系統(tǒng)的解決方案

2.2.1消除火災(zāi)隱患：

除常規(guī)自動(dòng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)外，還使用了以下智能設(shè)備，消除電氣火災(zāi)隱患；

1）具有溫度檢測(cè)的高壓智能斷路器。

火災(zāi)通常由設(shè)備故障引起一般因產(chǎn)品老化所致。傳統(tǒng)配電方案往往僅通過(guò)多功能表監(jiān)測(cè)電壓、電流、頻率等參數(shù)，無(wú)法監(jiān)測(cè)設(shè)備老化狀態(tài)。選用能監(jiān)測(cè)設(shè)備老化的電氣產(chǎn)品可大大降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)備自帶的內(nèi)嵌式設(shè)計(jì)的溫度檢測(cè)，可以保證開關(guān)設(shè)備原有絕緣性，通過(guò)自供電測(cè)溫單元及磁飽和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)免維護(hù)，確保安全、穩(wěn)定地長(zhǎng)期工作，依托NFC自動(dòng)識(shí)別組網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)APP與設(shè)備的快速對(duì)接，通過(guò)Zigbee非接觸式無(wú)線通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)接收單元與高壓側(cè)徹底的電氣隔離。見圖1。

站控單元：

火災(zāi)發(fā)生往往是因?yàn)樵O(shè)備老化發(fā)生故障所致。站控單元可以顯示產(chǎn)品老化程度，提醒運(yùn)維人員在適當(dāng)時(shí)機(jī)更換設(shè)備，降低發(fā)生火災(zāi)的概率。此類產(chǎn)品能可視化呈現(xiàn)容量信息，讓風(fēng)險(xiǎn)提示更靠近設(shè)備端，輔助運(yùn)維響應(yīng)速度更快。預(yù)設(shè)界面模板基于配電柜體布局，可清晰對(duì)應(yīng)設(shè)備層次關(guān)系，快速檢索故障根因。斷路器運(yùn)行數(shù)據(jù)和老化分析等電氣資產(chǎn)關(guān)鍵運(yùn)行信息能夠直觀呈現(xiàn)。設(shè)備內(nèi)置軟件，擁有自動(dòng)化工具，標(biāo)準(zhǔn)化模板，可縮短50%左右的調(diào)試時(shí)間。站控單元既可以在新建項(xiàng)目中布置在受總柜、電容柜等，也可以在改建項(xiàng)目布置在配電室墻面上。見圖2。

2.2.2解決管理粗放：

采用PME/PSO：

PME（電能管理系統(tǒng)）可以對(duì)全廠的設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)視。系統(tǒng)后臺(tái)時(shí)刻監(jiān)測(cè)能源使用狀態(tài)、生成清晰的能耗視圖，助力建立能源使用的管理方針，優(yōu)化能耗成本。PSO（電力監(jiān)控系統(tǒng)）可以對(duì)全廠的設(shè)備進(jìn)行控制。通過(guò)靈活的九余架構(gòu)、開放的協(xié)議支持，實(shí)現(xiàn)高可靠性、高實(shí)時(shí)性的系統(tǒng)方案。同時(shí)，PSO具有模塊化特性，可在電力監(jiān)控的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)能源管理、電力資產(chǎn)管理等靈活的功能組合，滿足用戶的多樣化需求。PME/PSO做為中低壓一體化電力監(jiān)控平臺(tái)，提高了系統(tǒng)的集成度，方便客戶進(jìn)行監(jiān)控管理，實(shí)現(xiàn)了能耗分析等能源管理功能。見圖3和圖4。

精細(xì)化管理：

軟件的實(shí)施可以實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)存檔、資產(chǎn)快查、規(guī)范工作流程、追蹤運(yùn)維過(guò)程、體現(xiàn)能源使用狀態(tài)等功能

3）主動(dòng)運(yùn)維：

傳統(tǒng)的維護(hù)是被動(dòng)調(diào)整，哪壞修哪，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)；通過(guò)預(yù)測(cè)主動(dòng)維護(hù)，設(shè)備老化到一定程度進(jìn)行預(yù)警提示，來(lái)決定修或者換，帶來(lái)的運(yùn)行損失更小。主動(dòng)提示風(fēng)險(xiǎn)，輔助運(yùn)維快速反應(yīng)。

2.2.3強(qiáng)化數(shù)據(jù)分析

傳統(tǒng)污水處理廠缺少運(yùn)行電氣系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析，傳統(tǒng)的軟件更加關(guān)注工藝流程，電力數(shù)據(jù)利用率較低；分析基本依托運(yùn)維人員個(gè)體的經(jīng)驗(yàn)，速度和能力遠(yuǎn)不及專業(yè)的電腦及分析軟件。各種智能軟硬件的應(yīng)用可以進(jìn)行大數(shù)據(jù)收集，收集后采用智能分析評(píng)估、智能應(yīng)用，結(jié)合資產(chǎn)評(píng)估，依托專家服務(wù)留存處理方案，提升運(yùn)維體系的高效性。

3地下污水廠智能配電系統(tǒng)的效益

智能配電系統(tǒng)的應(yīng)用雖然會(huì)帶來(lái)工程建設(shè)造價(jià)增加，但通過(guò)精細(xì)管理、專家服務(wù)可以主動(dòng)運(yùn)維帶來(lái)以下收益。

3.1降低人工成

現(xiàn)在專業(yè)電工普遍年齡偏大并且人員數(shù)量少以處理規(guī)模10x104m/d水廠為例，通常機(jī)械、電氣及儀表運(yùn)維護(hù)人員為3班次，每5人一班，共計(jì)15人。主動(dòng)運(yùn)維可以更有計(jì)劃的進(jìn)行電力維護(hù)，減少工作量上較明顯的波谷。運(yùn)維人員可優(yōu)化為3班次，每2人一班，共計(jì)6人，減少運(yùn)維人員9人。

3.2優(yōu)化運(yùn)營(yíng)環(huán)境

傳統(tǒng)污水處理廠的一些工藝步驟需要白天進(jìn)行，因此需要有足夠人力物力給予保證；采用智能配電體系后，如污水處理廠內(nèi)的污泥脫水等非連續(xù)運(yùn)行設(shè)施，可以全部調(diào)整在電價(jià)波谷段運(yùn)行。

3.3降低能耗

地下污水處理廠的非生產(chǎn)用電占比較傳統(tǒng)污水處理廠高，可挖掘的節(jié)能潛力較多，如果沒有PSE和PSO，節(jié)能方案將無(wú)所依據(jù)。通風(fēng)、照明、綜合樓等非生產(chǎn)用電，鼓風(fēng)曝氣、進(jìn)水、出水等生產(chǎn)用電，可通過(guò)智能化分析，合理調(diào)整運(yùn)行時(shí)間。設(shè)備組合實(shí)現(xiàn)能源利用的優(yōu)化，例如：通風(fēng)系統(tǒng)通過(guò)環(huán)境儀表檢測(cè)，采用局部區(qū)域運(yùn)行，或不同區(qū)域輪流運(yùn)行等措施，實(shí)現(xiàn)能耗的降低。見圖5。

4安科瑞電氣針對(duì)智慧城市水務(wù)建設(shè)推出能效管理解決方案----AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺(tái)

4.1平臺(tái)概述

安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計(jì)算到能效管理平臺(tái)的產(chǎn)品生態(tài)體系，AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺(tái)通過(guò)在污水廠源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)、充的各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)安裝保護(hù)、監(jiān)測(cè)、分析、治理裝置，用于監(jiān)測(cè)污水廠能耗總量和能耗強(qiáng)度，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)主要用能設(shè)備能效，保護(hù)污水廠運(yùn)行安全可靠，提高污水廠能效，為污水處理的能效管理提供科學(xué)、精細(xì)的解決方案。

4.2平臺(tái)組成

AcrelEMS智慧水務(wù)綜合能效管理系統(tǒng)由變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、電力監(jiān)控及能效管理系統(tǒng)組成，涵蓋了水務(wù)中壓變配電系統(tǒng)、電氣安全、應(yīng)急電源、能源管理、照明控制、設(shè)備運(yùn)維等，貫穿水務(wù)能源流的始終，幫助運(yùn)維管理人員通過(guò)一套平臺(tái)、一個(gè)APP實(shí)時(shí)了解水務(wù)配電系統(tǒng)運(yùn)行狀況，并且根據(jù)權(quán)限可以適用于水務(wù)后勤部門管理需要。

4.3平臺(tái)拓?fù)鋱D

4.4平臺(tái)子系統(tǒng)

4.4.1變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)及電力監(jiān)控

對(duì)水務(wù)配電系統(tǒng)中34kV、10kV電壓等級(jí)配置繼電保護(hù)和弧光保護(hù)，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)等功能，對(duì)異常情況及時(shí)預(yù)警。

監(jiān)測(cè)變壓器、水泵、鼓風(fēng)機(jī)的電流、電壓、有功/無(wú)功功率、功率因數(shù)、負(fù)荷率、溫度、三相平衡、異常報(bào)警等數(shù)據(jù)。

4.4.2電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理

水務(wù)中大量的大功率電機(jī)、水泵變頻啟動(dòng)導(dǎo)致配電系統(tǒng)中存在大量諧波，通過(guò)監(jiān)測(cè)其配電系統(tǒng)的諧波畸變、電壓波動(dòng)、閃變和容忍度指標(biāo)分析其電能質(zhì)量，并配置對(duì)應(yīng)的電能質(zhì)量治理措施提高供電電能質(zhì)量。

4.4.3電動(dòng)機(jī)管理

馬達(dá)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)水務(wù)中電機(jī)的保護(hù)、遙測(cè)、遙信、遙控功能，電動(dòng)機(jī)保護(hù)器能對(duì)過(guò)載、短路、缺相、漏電等異常情況進(jìn)行保護(hù)、監(jiān)測(cè)和報(bào)警。高效、準(zhǔn)確地反映出故障狀態(tài)、故障時(shí)間、故障地點(diǎn)、及相關(guān)信息，對(duì)電機(jī)進(jìn)行健康診斷和預(yù)防性維護(hù)。同時(shí)支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)自動(dòng)或遠(yuǎn)程控制，監(jiān)視、控制各個(gè)工藝設(shè)備,保障正常生產(chǎn)。

4.4.4能耗管理

為水務(wù)搭建計(jì)量體系，顯示水務(wù)的能源流向和能源損耗，通過(guò)能源流向圖幫助水務(wù)分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區(qū)域。

將所有有關(guān)能源的參數(shù)集中在一個(gè)看板中，從多個(gè)維度對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的能耗對(duì)比，幫助領(lǐng)導(dǎo)掌控整個(gè)工廠的能源消耗，能源成本，標(biāo)煤排放等的情況。

能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采集水務(wù)中污水廠、自來(lái)水廠、水泵站等的用電、用水、燃?xì)?、冷熱量消耗量，同環(huán)比對(duì)比分析，能耗總量和能耗強(qiáng)度計(jì)算，標(biāo)煤計(jì)算和CO2排放統(tǒng)計(jì)趨勢(shì)。

能效分析按三級(jí)計(jì)量架構(gòu)，分別進(jìn)行能效分析，契合能源管理體系要求，可對(duì)各車間/職能部門的能效水平進(jìn)行分析，同比、環(huán)比、對(duì)標(biāo)等。通過(guò)污水處理產(chǎn)量以及系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)，在污水單耗中生成污水單耗趨勢(shì)圖，并進(jìn)行同比和環(huán)比分析，同時(shí)將污水的單耗與行業(yè)/先進(jìn)指標(biāo)對(duì)標(biāo)，以便企業(yè)能夠根據(jù)產(chǎn)品單耗情況來(lái)調(diào)整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。

4.4.5智能照明控制

系統(tǒng)為污水廠、自來(lái)水廠、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區(qū)域控制、自動(dòng)控制、感應(yīng)控制、定時(shí)控制、場(chǎng)景控制、調(diào)光控制等多種控制方式，模塊可根據(jù)經(jīng)緯度自動(dòng)識(shí)別日出日落時(shí)間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能，盡量利用自然光照，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)、廠區(qū)照明的智能控制達(dá)到安全、節(jié)能、舒適、高效的目的。

4.4.6電氣安全

（1）電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)配電系統(tǒng)回路的漏電電流和線纜溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水廠、自來(lái)水廠、水泵站的電氣安全預(yù)警。

（2）消防應(yīng)急照明和疏散指示

根據(jù)預(yù)先設(shè)置的應(yīng)急預(yù)案快速啟動(dòng)疏散方案引導(dǎo)人員疏散。系統(tǒng)接入消防應(yīng)急照明指示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過(guò)平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態(tài)和異常情況。

（3）消防設(shè)備電源監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)消防設(shè)備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災(zāi)時(shí)消防設(shè)備可以正常投入使用。

（4）防火門監(jiān)控系統(tǒng)

防火門監(jiān)控系統(tǒng)集中控制其各終端設(shè)備即防火門監(jiān)控模塊、電動(dòng)閉門器、電磁釋放器的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)疏散通道防火門的開啟、關(guān)閉及故障狀態(tài)，顯示終端設(shè)備開路、短路等故障信號(hào)。系統(tǒng)采用消防二總線將具有通信功能的監(jiān)控模塊相互連接起來(lái)，當(dāng)終端設(shè)備發(fā)生短路、斷路等故障時(shí)，防火門監(jiān)控器能發(fā)出報(bào)警信號(hào)，能指示報(bào)警部位并保存報(bào)警信息，保障了電氣安全的可靠性。

4.4.7環(huán)境監(jiān)測(cè)

污水廠、自來(lái)水廠、水泵站等場(chǎng)所溫濕度、煙霧、積水浸水、視頻、UPS電池間可燃?xì)怏w濃度展示和預(yù)警，保障污水廠、自來(lái)水廠、水泵站等安全運(yùn)行。當(dāng)可燃?xì)怏w或有害氣體濃度超標(biāo)可自動(dòng)啟動(dòng)排風(fēng)風(fēng)機(jī)或新風(fēng)系統(tǒng)，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。

4.4.8分布式光伏監(jiān)測(cè)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)低壓并網(wǎng)柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數(shù)及斷路器開關(guān)狀態(tài)，逆變器運(yùn)行監(jiān)視，對(duì)逆變器直流側(cè)每一光伏組串的輸入直流電壓、直流電流、直流功率，逆變器交流電壓、交流電流、頻率、功率因數(shù)、當(dāng)前發(fā)電功率、累計(jì)發(fā)電量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以曲線方式繪制上述監(jiān)測(cè)的各個(gè)參量的歷史數(shù)據(jù)。

平臺(tái)結(jié)合廠區(qū)實(shí)際分布情況，通過(guò)3D或2.4D平面圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車棚的分布情況，顯示匯流箱、并網(wǎng)點(diǎn)位置，各個(gè)屋頂?shù)难b機(jī)容量。

4.4.9工藝仿真監(jiān)控

平臺(tái)通過(guò)2D、3D方式實(shí)時(shí)監(jiān)視粗格柵、污水提升、細(xì)格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、加氯接觸消毒、污泥濃縮壓濾、生物除臭等工藝設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。在格柵清渣機(jī)、污水提升泵、回流泵、曝氣風(fēng)機(jī)、加藥泵、濃縮壓濾機(jī)、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動(dòng)機(jī)控制柜或低壓饋電柜安裝電動(dòng)機(jī)保護(hù)，進(jìn)行短路、過(guò)流、過(guò)載、起動(dòng)超時(shí)、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護(hù)、堵轉(zhuǎn)、逆序、溫度等保護(hù)以及外部故障連鎖停機(jī)，與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)自動(dòng)或遠(yuǎn)程控制，監(jiān)視、控制各個(gè)工藝設(shè)備,保障正常生產(chǎn)。

審核編輯 黃宇