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周文浩
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201800
摘要:針對地下污水處理廠的配電系統(tǒng)提出智能配電設計思路,在綜合分析了硬件選擇、軟件配置和使用效果的基礎上,進行了相應的經(jīng)濟分析。結(jié)果表明,智能配電系統(tǒng)將成為未來發(fā)展趨勢,將在越來越多的同類建設工程中得到應用。
關鍵詞:智能配電;地下污水處理廠;配電系統(tǒng);
1背景
隨著經(jīng)濟的發(fā)展,城鎮(zhèn)化進程的加快,越來越多的污水處理廠建設突破傳統(tǒng)地上污水處理廠用地觀念,科學合理地利用地下空間,建設地下式污水處理廠。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,同時減少對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值,也解決了污水處理過程中產(chǎn)生的污濁氣、噪音等問題,對周圍居民和環(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)配電設計方案,在提質(zhì)增效方面基本無改進空間。通過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)化運營環(huán)境、降低能耗。
2地下污水處理廠智能配電系統(tǒng)設計
早期污水處理廠往往按照傳統(tǒng)配電方案進行設計,隨著技術的進步,污水處理廠管理水平的提升,對電氣設計不再滿足于安全、可靠、經(jīng)濟、便利、節(jié)能等常規(guī)要求;而是希望更加智能化,能夠通過技術手段優(yōu)化生產(chǎn)方案,降低生產(chǎn)成本、便于后期維護;并且污水處理廠內(nèi)變配電間相對其他區(qū)域更易發(fā)生火災,希望能夠有效預防電氣火災。污水處理是生化處理過程,一旦停電將造成供氧中斷,使微生物大量死亡,嚴重影響污水廠的處理效果和效率,要恢復正常運行,需要重新對活性污泥進行一定時間的培養(yǎng)和馴化,對供電要求較高;并且全地下式污水處理廠的通風、消防等負荷大,如果中斷供電,還可能造成污水浸泡整個箱體。
對傳統(tǒng)污水處理廠配電系統(tǒng)進行設計總結(jié)后,可以將傳統(tǒng)污水處理廠配電系統(tǒng)缺點歸納總結(jié)為3點: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
除常規(guī)自動火災報警系統(tǒng)設計外,還使用了以下智能設備,消除電氣火災隱患;
1)具有溫度檢測的高壓智能斷路器。
火災通常由設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多功能表監(jiān)測電壓、電流、頻率等參數(shù),無法監(jiān)測設備老化狀態(tài)。選用能監(jiān)測設備老化的電氣產(chǎn)品可大大降低火災風險,設備自帶的內(nèi)嵌式設計的溫度檢測,可以保證開關設備原有絕緣性,通過自供電測溫單元及磁飽和技術,實現(xiàn)免維護,確保安全、穩(wěn)定地長期工作,依托NFC自動識別組網(wǎng)技術,實現(xiàn)APP與設備的快速對接,通過Zigbee非接觸式無線通訊技術,實現(xiàn)接收單元與高壓側(cè)的電氣隔離。見圖1。
站控單元:
火災發(fā)生往往是因為設備老化發(fā)生故障所致。站控單元可以顯示產(chǎn)品老化程度,提醒運維人員在適當時機更換設備,降低發(fā)生火災的概率。此類產(chǎn)品能可視化呈現(xiàn)容量信息,讓風險提示更靠近設備端,輔助運維響應速度更快。預設界面模板基于配電柜體布局,可清晰對應設備層次關系,快速檢索故障根因。斷路器運行數(shù)據(jù)和老化分析等電氣資產(chǎn)關鍵運行信息能夠直觀呈現(xiàn)。設備內(nèi)置軟件,擁有自動化工具,標準化模板,可縮短50%左右的調(diào)試時間。站控單元既可以在新建項目中布置在受總柜、電容柜等,也可以在改建項目布置在配電室墻面上。見圖2。
采用PME/PSO:
PME(電能管理系統(tǒng))可以對全廠的設備運行進行監(jiān)視。系統(tǒng)后臺時刻監(jiān)測能源使用狀態(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))可以對全廠的設備進行控制。通過靈活的九余架構(gòu)、開放的協(xié)議支持,實現(xiàn)高可靠性、高實時性的系統(tǒng)方案。同時,PSO具有模塊化特性,可在電力監(jiān)控的基礎上實現(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,提高了系統(tǒng)的集成度,方便客戶進行監(jiān)控管理,實現(xiàn)了能耗分析等能源管理功能。見圖3和圖4。
精細化管理:
軟件的實施可以實現(xiàn)資產(chǎn)存檔、資產(chǎn)快查、規(guī)范工作流程、追蹤運維過程、體現(xiàn)能源使用狀態(tài)等功能
3)主動運維:
傳統(tǒng)的維護是被動調(diào)整,哪壞修哪,響應時間長;通過預測主動維護,設備老化到一定程度進行預警提示,來決定修或者換,帶來的運行損失更小。主動提示風險,輔助運維快速反應。
傳統(tǒng)污水處理廠缺少運行電氣系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析,傳統(tǒng)的軟件更加關注工藝流程,電力數(shù)據(jù)利用率較低;分析基本依托運維人員個體的經(jīng)驗,速度和能力遠不及專業(yè)的電腦及分析軟件。各種智能軟硬件的應用可以進行大數(shù)據(jù)收集,收集后采用智能分析評估、智能應用,結(jié)合資產(chǎn)評估,依托專家服務留存處理方案,提升運維體系的高效性。
3地下污水廠智能配電系統(tǒng)的效益
智能配電系統(tǒng)的應用雖然會帶來工程建設造價增加,但通過精細管理、專家服務可以主動運維帶來以下收益。
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,通常機械、電氣及儀表運維護人員為3班次,每5人一班,共計15人。主動運維可以更有計劃的進行電力維護,減少工作量上較明顯的波谷。運維人員可優(yōu)化為3班次,每2人一班,共計6人,減少運維人員9人。
3.2優(yōu)化運營環(huán)境
傳統(tǒng)污水處理廠的一些工藝步驟需要白天進行,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)運行設施,可以全部調(diào)整在電價波谷段運行。
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)能方案將無所依據(jù)。通風、照明、綜合樓等非生產(chǎn)用電,鼓風曝氣、進水、出水等生產(chǎn)用電,可通過智能化分析,合理調(diào)整運行時間。設備組合實現(xiàn)能源利用的優(yōu)化,例如:通風系統(tǒng)通過環(huán)境儀表檢測,采用局部區(qū)域運行,或不同區(qū)域輪流運行等措施,實現(xiàn)能耗的降低。見圖5。
4.1平臺概述
安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計算到能效管理平臺的產(chǎn)品生態(tài)體系,AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺通過在污水廠源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個關鍵節(jié)點安裝保護、監(jiān)測、分析、治理裝置,用于監(jiān)測污水廠能耗總量和能耗強度,重點監(jiān)測主要用能設備能效,保護污水廠運行安全可靠,提高污水廠能效,為污水處理的能效管理提供科學、精細的解決方案。
4.2平臺組成
AcrelEMS智慧水務綜合能效管理系統(tǒng)由變電站綜合自動化系統(tǒng)、電力監(jiān)控及能效管理系統(tǒng)組成,涵蓋了水務中壓變配電系統(tǒng)、電氣安全、應急電源、能源管理、照明控制、設備運維等,貫穿水務能源流的始終,幫助運維管理人員通過一套平臺、一個APP實時了解水務配電系統(tǒng)運行狀況,并且根據(jù)權限可以適用于水務后勤部門管理需要。
4.3平臺拓撲圖
4.4平臺子系統(tǒng)
4.4.1變電站綜合自動化系統(tǒng)及電力監(jiān)控
對水務配電系統(tǒng)中34kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護,實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調(diào)等功能,對異常情況及時預警。
監(jiān)測變壓器、水泵、鼓風機的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數(shù)、負荷率、溫度、三相平衡、異常報警等數(shù)據(jù)。
4.4.2電能質(zhì)量監(jiān)測與治理
水務中大量的大功率電機、水泵變頻啟動導致配電系統(tǒng)中存在大量諧波,通過監(jiān)測其配電系統(tǒng)的諧波畸變、電壓波動、閃變和容忍度指標分析其電能質(zhì)量,并配置對應的電能質(zhì)量治理措施提高供電電能質(zhì)量。
4.4.3電動機管理
馬達監(jiān)控實現(xiàn)水務中電機的保護、遙測、遙信、遙控功能,電動機保護器能對過載、短路、缺相、漏電等異常情況進行保護、監(jiān)測和報警。高效、準確地反映出故障狀態(tài)、故障時間、故障地點、及相關信息,對電機進行健康診斷和預防性維護。同時支持與PLC、軟啟、變頻器等配合,實現(xiàn)電動機自動或遠程控制,監(jiān)視、控制各個工藝設備,保障正常生產(chǎn)。
4.4.4能耗管理
為水務搭建計量體系,顯示水務的能源流向和能源損耗,通過能源流向圖幫助水務分析能源消耗去向,找出能源消耗異常區(qū)域。
將所有有關能源的參數(shù)集中在一個看板中,從多個維度對比分析,實現(xiàn)各個工藝環(huán)節(jié)的能耗對比,幫助領導掌控整個工廠的能源消耗,能源成本,標煤排放等的情況。
能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計采集水務中污水廠、自來水廠、水泵站等的用電、用水、燃氣、冷熱量消耗量,同環(huán)比對比分析,能耗總量和能耗強度計算,標煤計算和CO2排放統(tǒng)計趨勢。
能效分析按三級計量架構(gòu),分別進行能效分析,契合能源管理體系要求,可對各車間/職能部門的能效水平進行分析,同比、環(huán)比、對標等。通過污水處理產(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圖,并進行同比和環(huán)比分析,同時將污水的單耗與行業(yè)/先進指標對標,以便企業(yè)能夠根據(jù)產(chǎn)品單耗情況來調(diào)整生產(chǎn)工藝,從而降低能耗。
系統(tǒng)為污水廠、自來水廠、水泵站等提供了照明控制管理方案,支持單控、區(qū)域控制、自動控制、感應控制、定時控制、場景控制、調(diào)光控制等多種控制方式,模塊可根據(jù)經(jīng)緯度自動識別日出日落時間實現(xiàn)自動控制功能,盡量利用自然光照,實現(xiàn)室內(nèi)、廠區(qū)照明的智能控制達到安全、節(jié)能、舒適、高效的目的。
監(jiān)測配電系統(tǒng)回路的漏電電流和線纜溫度,實現(xiàn)對污水廠、自來水廠、水泵站的電氣安全預警。
根據(jù)預先設置的應急預案快速啟動疏散方案引導人員疏散。系統(tǒng)接入消防應急照明指示系統(tǒng)數(shù)據(jù),通過平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態(tài)和異常情況。
監(jiān)測消防設備的工作電源是否正常,保障在發(fā)生火災時消防設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備即防火門監(jiān)控模塊、電動閉門器、電磁釋放器的工作狀態(tài),實時監(jiān)測疏散通道防火門的開啟、關閉及故障狀態(tài),顯示終端設備開路、短路等故障信號。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,當終端設備發(fā)生短路、斷路等故障時,防火門監(jiān)控器能發(fā)出報警信號,能指示報警部位并保存報警信息,保障了電氣安全的可靠性。
4.4.7環(huán)境監(jiān)測
污水廠、自來水廠、水泵站等場所溫濕度、煙霧、積水浸水、視頻、UPS電池間可燃氣體濃度展示和預警,保障污水廠、自來水廠、水泵站等安全運行。當可燃氣體或有害氣體濃度超標可自動啟動排風風機或新風系統(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
實時監(jiān)測低壓并網(wǎng)柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數(shù)及斷路器開關狀態(tài),逆變器運行監(jiān)視,對逆變器直流側(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)、當前發(fā)電功率、累計發(fā)電量進行監(jiān)測,以曲線方式繪制上述監(jiān)測的各個參量的歷史數(shù)據(jù)。
平臺結(jié)合廠區(qū)實際分布情況,通過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)點位置,各個屋頂?shù)难b機容量。
平臺通過2D、3D方式實時監(jiān)視粗格柵、污水提升、細格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、加氯接觸消毒、污泥濃縮壓濾、生物除臭等工藝設備運行狀態(tài)。在格柵清渣機、污水提升泵、回流泵、曝氣風機、加藥泵、濃縮壓濾機、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動機控制柜或低壓饋電柜安裝電動機保護,進行短路、過流、過載、起動超時、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護、堵轉(zhuǎn)、逆序、溫度等保護以及外部故障連鎖停機,與PLC、軟啟、變頻器等配合,實現(xiàn)電動機自動或遠程控制,監(jiān)視、控制各個工藝設備,保障正常生產(chǎn)。
4.5.1電力監(jiān)控、電能質(zhì)量、電動機管理及配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)
應用場合(綜合樓、污水地下箱體) | 產(chǎn)品 | 型號 | 功能 | |
普通照明 | 配電箱 | ASL220-S 系列 | 1、ALIBUS總線擴展模塊,通信鏈路供電。 2、功耗:≤4VA 3、4路16A磁保持繼電器輸出,輸出可通過按鈕手動控制,輸出狀態(tài)液晶屏顯示。 4、2路開關量輸入,可接入開關、報警、人體紅外感應器等信號。 4、外形尺寸:144mm(W)*90mm(H)*70mm(D)。 6、34mm標準導軌式安裝 | |
按鍵面板 | ASL220-F1/2 | 1聯(lián)兩鍵 1、ALIBUS總線場景面板,通信鏈路供電; 2、1聯(lián)2鍵輕觸按鍵,多彩背光指示,金、黑、灰可選; 3、每個按鍵支持長按、短按功能,均可實現(xiàn)開關、調(diào)光、場景控制; 4、外形尺寸:86mm(W)*86mm(H)*24mm(D); 4、86底盒安裝 | ||
探測器 | ASL220-PM/T | PIR+照度傳感器 1、ALIBUS總線傳感器,通信鏈路供電,功耗:20mA@24V; 2、特殊運算電路,可通過紅外感應探測到人體動作; 4、安裝方式:嵌入式; 4、外形尺寸:ф80mm*33mm;產(chǎn)品外露尺寸:ф80mm*2.4mm | ||
備用照明 | 雙切箱 | ASL210-S 系列 | 1、ALIBUS總線擴展模塊,通信鏈路供電。 2、功耗:≤3VA 3、4路16A磁保持繼電器輸出。 4、1路開關量輸入,可接入開關、報警、人體紅外感應器等信號,1路484通訊。 4、外形尺寸:108mm(W)*90mm(H)*70mm(D)。 6、消防聯(lián)動啟動一般照明(備用照明)。 7、34mm標準導軌式安裝 | |
應用場合(綜合樓、污水地下箱體) | 產(chǎn)品 | 型號 | 功能 | |
普通照明 | 配電箱 | ASL220-S 系列 | 1、ALIBUS總線擴展模塊,通信鏈路供電。 2、功耗:≤4VA 3、4路16A磁保持繼電器輸出,輸出可通過按鈕手動控制,輸出狀態(tài)液晶屏顯示。 4、2路開關量輸入,可接入開關、報警、人體紅外感應器等信號。 4、外形尺寸:144mm(W)*90mm(H)*70mm(D)。 6、34mm標準導軌式安裝 | |
按鍵面板 | ASL220-F1/2 | 1聯(lián)兩鍵 1、ALIBUS總線場景面板,通信鏈路供電; 2、1聯(lián)2鍵輕觸按鍵,多彩背光指示,金、黑、灰可選; 3、每個按鍵支持長按、短按功能,均可實現(xiàn)開關、調(diào)光、場景控制; 4、外形尺寸:86mm(W)*86mm(H)*24mm(D); 4、86底盒安裝 | ||
探測器 | ASL220-PM/T | PIR+照度傳感器 1、ALIBUS總線傳感器,通信鏈路供電,功耗:20mA@24V; 2、特殊運算電路,可通過紅外感應探測到人體動作; 4、安裝方式:嵌入式; 4、外形尺寸:ф80mm*33mm;產(chǎn)品外露尺寸:ф80mm*2.4mm | ||
備用照明 | 雙切箱 | ASL210-S 系列 | 1、ALIBUS總線擴展模塊,通信鏈路供電。 2、功耗:≤3VA 3、4路16A磁保持繼電器輸出。 4、1路開關量輸入,可接入開關、報警、人體紅外感應器等信號,1路484通訊。 4、外形尺寸:108mm(W)*90mm(H)*70mm(D)。 6、消防聯(lián)動啟動一般照明(備用照明)。 7、34mm標準導軌式安裝 | |
IP網(wǎng)關 | ASL200-484-IP | IP協(xié)議轉(zhuǎn)換器(ALIBUS<-->TCP/IP) 1、1路ALIBUS通信總線接口。 2、1路RS484 3、1路以太網(wǎng)接口,以太網(wǎng)通訊 4、串口速率1200~114200bps可配置。串口支持標準MODBUS-RTU協(xié)議。 4、外形尺:96.6mm(W)*70mm(H)*18mm(D)。 6、34mm標準導軌式安裝 7、IP地址設置連接、ALIBUS系統(tǒng)組網(wǎng)擴容、ALIBUS通訊軟件連接 | ||
IP輔助電源 | ASL200-P20 | 輔助電源 1、輸入電壓范圍:176-264VAC 2、輸出電壓及功率:24VDC/20W 3、電壓調(diào)整范圍:21.6~29V 4、工作溫度:-40~+70℃ 4、外形尺寸:96.6mm(W)*70mm(H)*18mm(D) 6、34mm標準導軌式安裝 |
5總結(jié)與展望
本文簡要介紹了地下污水處理廠智能配電系統(tǒng)的部分軟硬件配置及帶來的效果。智能配電系統(tǒng)帶來的前期造價增加,可在后期運營過程中節(jié)省下來,長期來看是更經(jīng)濟的選擇。采用智能配電系統(tǒng)的水廠,彰顯先進性,實現(xiàn)數(shù)字轉(zhuǎn)化型,提升水廠價值,智能配電地下污水廠未來發(fā)展的趨勢,將會在越來越多的同類建設工程中得到應用
參考文獻:
[1]高智箭,肖亮.地下污水處理廠智能配電方案設計[J].天津建設科技,2022,第32卷增刊:69-72.
[2]劉廣勝.上海某大型供水廠智能配電系統(tǒng)設計與應用[J].建筑氣,2020,39(8):29-34.
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計應用手冊.2022.04版
作者簡介:
韓歡慶,女,現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司,主要從智慧水務研究發(fā)展。