截污調(diào)蓄池站電氣設(shè)計(jì)

林生源

（廈門(mén)市市政工程設(shè)計(jì)院有限公司， 福建 廈門(mén) 361000）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快和氣候的變化，近年來(lái)，許多城市面臨著大量雨水資源流失、內(nèi)澇頻發(fā)和徑流雨水污染等一系列環(huán)境問(wèn)題，嚴(yán)重影響人們的生活質(zhì)量和城市環(huán)境。因此，通過(guò)調(diào)蓄池減少面源污染越來(lái)越受到關(guān)注，而調(diào)蓄池電氣設(shè)計(jì)的好壞優(yōu)劣直接關(guān)系到調(diào)蓄池以后的調(diào)度運(yùn)行，起著至關(guān)重要的作用。本文以海滄區(qū)新垵村莊截污調(diào)蓄池站為例，從電氣設(shè)計(jì)角度,通過(guò)對(duì)供配電系統(tǒng)的布局、儀表自動(dòng)控制2個(gè)方面詳細(xì)闡述如何對(duì)調(diào)蓄池自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)初期雨水收集、調(diào)蓄，從而有效改進(jìn)新垵村莊的環(huán)境質(zhì)量。

1 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 供電電源

截污調(diào)蓄池站屬于市政項(xiàng)目，但停電對(duì)調(diào)蓄池站及系統(tǒng)的影響較小，故截污調(diào)蓄站采用三級(jí)用電負(fù)荷。本工程的兩個(gè)截污調(diào)蓄池供電電源從地區(qū)電網(wǎng)就近引一回10kV線路供電，配電電壓等級(jí)為380/220V。

各水渠截流井的下開(kāi)式堰門(mén)涉及到排洪安全，按二級(jí)負(fù)荷考慮，本次就近引一路0.4kV電源，并設(shè)置一臺(tái)EPS應(yīng)急電源。

1.2 負(fù)荷計(jì)算

截污調(diào)蓄池站主要用電負(fù)荷為：自清洗水平格柵、液動(dòng)旋轉(zhuǎn)堰門(mén)、智能噴射器、閘門(mén)以及控制系統(tǒng)等。截污調(diào)蓄池站工藝設(shè)備動(dòng)力負(fù)荷按利用系數(shù)法計(jì)算，結(jié)果如下：

新垵村截污調(diào)蓄池全站設(shè)備裝機(jī)容量為225kW：

Pjs=156.80kW；Qjs=75.94kVar；Sjs=174.22kVA；COS?=0.9

考慮到截污調(diào)蓄站主要為地下構(gòu)建物，項(xiàng)目用電負(fù)荷較大，供電系統(tǒng)設(shè)置一臺(tái)預(yù)裝式變電站，包括變壓器、高壓環(huán)網(wǎng)柜、低壓柜。由市電引一回路10kV電源至截污調(diào)蓄站的預(yù)裝式變電站，變電站設(shè)置在截污調(diào)蓄站的旁邊綠化用地內(nèi)。預(yù)裝式變電站內(nèi)變壓器選用SC11-250kVA/10/0.4，變壓器負(fù)荷率為69.69%。高壓柜選用SAFE型環(huán)網(wǎng)柜，SAFE型環(huán)網(wǎng)柜具有體積小，運(yùn)行安全可靠的特點(diǎn)。低壓柜選用GGD固定式開(kāi)關(guān)柜，經(jīng)濟(jì)、體積小，運(yùn)行安全可靠。

1.3 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)控制方式

需變速設(shè)備電機(jī)采用變頻器運(yùn)行，功率較大的低壓電動(dòng)機(jī)采用軟啟器啟動(dòng)，其它小功率低壓電動(dòng)機(jī)可采用直接啟動(dòng)方式。對(duì)于本工程15kW及以上（潛水泵及智能沖洗裝置）低壓電動(dòng)機(jī)采用軟啟器啟動(dòng)，其余電動(dòng)機(jī)采用直接啟動(dòng)方式。

所有工藝設(shè)備電氣控制原則上設(shè)計(jì)為三處操作：

（1） 直接在控制屏或開(kāi)關(guān)柜上操作；

（2） 機(jī)旁控制箱或機(jī)旁按鈕箱上操作；

（3） 遠(yuǎn)程控制操作。

1.4 計(jì)量、功率因素補(bǔ)償

（1）計(jì)量

截污調(diào)蓄站的計(jì)量采用高供高計(jì)，在箱變進(jìn)線設(shè)計(jì)量柜進(jìn)行計(jì)量。供電回路設(shè)電流測(cè)量，電壓測(cè)量。主要計(jì)量值可通過(guò)電量變送器傳輸至控制中心管理系統(tǒng)。

（2）功率因素補(bǔ)償

無(wú)功功率補(bǔ)償采用集中方式，在低壓0.4kV母線側(cè)集中進(jìn)行電容無(wú)功功率補(bǔ)償，補(bǔ)償后的功率因數(shù)可達(dá)到0.9以上。

1.5 照明及防雷接地

（1）照明

調(diào)蓄池主要為地下構(gòu)建物，故池內(nèi)不設(shè)置照明。在調(diào)蓄站的區(qū)域設(shè)置路燈照明，光源選用LED燈。預(yù)裝式變電站內(nèi)設(shè)LED燈照明。

（2）接地

1）防雷接地

預(yù)裝式變電站設(shè)置避雷針?lè)乐睋衾祝陬A(yù)裝式變電站周圍設(shè)置接地網(wǎng)，并與基礎(chǔ)鋼筋及柱內(nèi)主鋼筋可靠連通，作防雷接地裝置。調(diào)蓄池為地下構(gòu)建物，不設(shè)置防直擊雷裝置。

2）工作及保護(hù)接地

電氣系統(tǒng)采用TN-S系統(tǒng)，站區(qū)的工作、防雷及保護(hù)接地共用一套接地裝置，變壓器的中性點(diǎn)直接接地。全站的接地電阻不大于1歐姆。

1.6 電纜敷設(shè)

截污調(diào)蓄站的動(dòng)力電纜、控制電纜采用穿鋼管直埋敷設(shè)。

2 儀表自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

為了調(diào)蓄站能夠安全可靠的運(yùn)行以及操作人員簡(jiǎn)捷準(zhǔn)確的操作整個(gè)設(shè)備，根據(jù)截污調(diào)蓄站工藝要求，在站區(qū)現(xiàn)場(chǎng)配置必要的檢測(cè)儀表、可編程序控制器(PLC)和通信系統(tǒng)，在控制中心設(shè)管理計(jì)算機(jī)構(gòu)成自動(dòng)控制管理系統(tǒng)。設(shè)計(jì)儀表及測(cè)控系統(tǒng)時(shí)應(yīng)滿足下列要求：

（1） 高可靠性，盡量簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并保證系統(tǒng)的高穩(wěn)定性。

（2） 高先進(jìn)性，應(yīng)選擇技術(shù)先進(jìn)、性能價(jià)格高、有潛力的控制系統(tǒng)。

（3） 高容量，合適的精度和數(shù)據(jù)傳輸速率，可容納各種輸入信號(hào)。

（4） 系統(tǒng)應(yīng)具有靈活的擴(kuò)展性，以便后期擴(kuò)建。

2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

本系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控終端和控制中心的SCADA智能系統(tǒng)兩部分組成。

（1）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控終端

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控終端接受在線檢測(cè)儀表傳輸來(lái)的信號(hào)，以及電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)閥門(mén)等設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)，對(duì)各類信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算和產(chǎn)生程序控制，自動(dòng)調(diào)節(jié)，并把主要信息通過(guò)無(wú)線GPRS方式向控制中心的SCADA智能系統(tǒng)傳輸，或接收控制中心SCADA智能系統(tǒng)的指令，進(jìn)行相應(yīng)操作。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控終端以PLC為核心控制器，自動(dòng)控制時(shí)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制信號(hào)輸出，同時(shí)采集設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，形成穩(wěn)定可靠的閉環(huán)控制。

圖1 設(shè)備控制示意圖

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控終端可以實(shí)現(xiàn)各設(shè)備的自動(dòng)控制：

a、實(shí)現(xiàn)水平格柵的自動(dòng)控制

當(dāng)傳感器檢測(cè)到水位超過(guò)設(shè)定的高度時(shí)，油缸開(kāi)始動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)耙齒左右移動(dòng)清理格柵中的固體物質(zhì)，清理的固體物質(zhì)留在污水側(cè)。

b、智能噴射器的自動(dòng)控制

沖洗過(guò)程為：調(diào)蓄池底部的潛污泵對(duì)調(diào)蓄池開(kāi)始排水，當(dāng)智能噴射器感應(yīng)到調(diào)蓄池水位開(kāi)始下降時(shí)，設(shè)備自動(dòng)開(kāi)啟，水泵開(kāi)始抽水并進(jìn)行攪拌，水中沉積物處于懸浮狀態(tài)，噴出的水氣混合物對(duì)調(diào)蓄池進(jìn)行同一方向的沖洗，此時(shí)設(shè)備不旋轉(zhuǎn)。當(dāng)調(diào)蓄池內(nèi)水位下降到一半時(shí)，設(shè)備開(kāi)始260°旋轉(zhuǎn)，對(duì)調(diào)蓄池進(jìn)行全方位沖洗。當(dāng)調(diào)蓄池內(nèi)的水快要排空時(shí)，設(shè)備可以利用調(diào)蓄池底部存水區(qū)內(nèi)的水對(duì)調(diào)蓄池進(jìn)行強(qiáng)力沖洗，也可進(jìn)行定點(diǎn)沖洗，沖洗后的污水經(jīng)過(guò)調(diào)蓄池底部的潛污泵排出調(diào)蓄池外。

c、最大流量控制閘門(mén)的自動(dòng)控制

控制系統(tǒng)通過(guò)電磁流量計(jì)對(duì)出口流量位進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)采集電控閘門(mén)的開(kāi)度位置信號(hào)進(jìn)行計(jì)算后，發(fā)出控制指令，調(diào)控電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)度，使排水量達(dá)到預(yù)設(shè)值，實(shí)現(xiàn)精確的維持恒定流量。

d、液動(dòng)旋轉(zhuǎn)堰門(mén)的自動(dòng)控制

控制系統(tǒng)通過(guò)超聲波液位傳感器對(duì)調(diào)蓄池水位進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)調(diào)蓄池達(dá)到最高水位時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)控制液動(dòng)旋轉(zhuǎn)堰門(mén)關(guān)閉，從而防止調(diào)蓄池繼續(xù)進(jìn)水。

（2）SCADA智能控制系統(tǒng)

調(diào)蓄池在控制中心設(shè)有SCADA智能控制系統(tǒng)。SCADA智能控制系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線GPRS通信方式將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控終端傳送的各類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和信號(hào)，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、動(dòng)態(tài)畫(huà)面顯示、故障報(bào)警、趨勢(shì)曲線繪制、各類報(bào)表打印等過(guò)程監(jiān)測(cè)及管理功能。

具體來(lái)說(shuō)，SCADA智能控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

a.可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)緩沖池、調(diào)蓄池的水位；

b.可以實(shí)時(shí)查看水平格柵、最大流量控制、水泵、噴射器、液動(dòng)旋轉(zhuǎn)堰門(mén)等各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；

c.如果需要，可以遠(yuǎn)程控制各設(shè)備的運(yùn)行;

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)（水質(zhì)、水位等）可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控終端進(jìn)行傳輸和分析，從而控制調(diào)蓄池各設(shè)備的運(yùn)行。

（3）調(diào)蓄池自動(dòng)控制過(guò)程

a.流程初始化，液動(dòng)旋轉(zhuǎn)堰門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)。最大流量控制閘門(mén)處在設(shè)定的流量控制值內(nèi)，即污水處理廠最大處理流量。智能噴射器旋轉(zhuǎn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)到設(shè)定的初始位置，其他電機(jī)設(shè)備處于停止?fàn)顟B(tài)。

b.降雨發(fā)生時(shí)，當(dāng)液位傳感器感應(yīng)到雨水達(dá)到設(shè)定值時(shí)，反饋到PLC，根據(jù)工藝需求和污水處理廠實(shí)際處理污水能力控制最大流量控制閘門(mén)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)正反轉(zhuǎn)來(lái)控制閘門(mén)的開(kāi)度。當(dāng)出水管達(dá)到最大設(shè)計(jì)排水流量時(shí)，一部分混合污水（初期雨水+污水）進(jìn)入污水處理廠進(jìn)行處理，剩余的污水會(huì)在緩沖池中蓄積，當(dāng)液位傳感器感應(yīng)到雨水達(dá)到水平格柵的進(jìn)水高度時(shí)，液位感應(yīng)器感應(yīng)到的水位輸入到PLC，然后驅(qū)動(dòng)液壓站的液壓泵和控制液動(dòng)旋轉(zhuǎn)堰門(mén)打開(kāi)電磁閥，控制液動(dòng)旋轉(zhuǎn)堰門(mén)打開(kāi)，初期雨水進(jìn)入調(diào)蓄池。當(dāng)安裝在液動(dòng)旋轉(zhuǎn)堰門(mén)開(kāi)到位的行程開(kāi)關(guān)感應(yīng)到液動(dòng)旋轉(zhuǎn)堰門(mén)打開(kāi)了，會(huì)把一個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入給PLC，停止液壓泵和液壓電磁閥的運(yùn)行，同時(shí)驅(qū)動(dòng)格柵水平耙齒的液壓電磁閥，水平耙齒的左右兩個(gè)極限位置，均有行程感應(yīng)開(kāi)關(guān)，當(dāng)左邊行程開(kāi)關(guān)感應(yīng)到輸入到PLC機(jī)會(huì)自動(dòng)驅(qū)動(dòng)向右移動(dòng)的電磁閥，即當(dāng)液位傳感器檢測(cè)到水位達(dá)到水平格柵的進(jìn)水高度時(shí)，油缸開(kāi)始動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)耙齒左右移動(dòng)清理格柵中的固體物質(zhì)，清理的固體物質(zhì)留在污水側(cè)。

c.當(dāng)調(diào)蓄池蓄滿水后，調(diào)蓄池內(nèi)的液位傳感器將水位信號(hào)輸入到PLC，驅(qū)動(dòng)液壓泵使液動(dòng)旋轉(zhuǎn)堰門(mén)關(guān)閉，直到感應(yīng)到液動(dòng)旋轉(zhuǎn)堰門(mén)關(guān)到位的行程開(kāi)關(guān)的信號(hào)。

當(dāng)降雨繼續(xù)進(jìn)行，調(diào)蓄池蓄滿，緩沖池的水位會(huì)繼續(xù)上升，當(dāng)排放口的水位高于自然水體的水位時(shí)，溢流井內(nèi)的閘門(mén)自動(dòng)打開(kāi)，排放口的后期雨水通過(guò)截流井直接排入自然水體，達(dá)到不影響泄洪效果。此時(shí)的雷達(dá)感應(yīng)器感應(yīng)到的水位輸入到PLC，驅(qū)動(dòng)溢流井的液動(dòng)下開(kāi)式閘門(mén)打開(kāi)。

d.當(dāng)降雨停止時(shí)，緩沖廊道內(nèi)的液位傳感器反饋的液位降低到設(shè)定值時(shí)，調(diào)蓄池的潛污泵開(kāi)始運(yùn)行，將調(diào)蓄池雨水抽入緩沖池。如果調(diào)蓄池的液位傳感器感應(yīng)到水位低于設(shè)定值時(shí)，智能噴射器的潛水泵開(kāi)始運(yùn)行，主要是將水向一個(gè)方向沖刷，智能噴射器不旋轉(zhuǎn)。水位繼續(xù)降低，當(dāng)池中的水位下降約到一半時(shí)，液位傳感器將感應(yīng)到水位，將信號(hào)輸入到PLC，控制智能噴射器左右擺動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)開(kāi)始由正到反不停旋轉(zhuǎn)，智能噴射器內(nèi)的水氣混合體對(duì)調(diào)蓄池內(nèi)的沉積物進(jìn)行沖刷。沖洗后的污水通過(guò)潛污泵抽到緩沖池，最后排入污水處理廠。

2.3 儀表配線和電纜敷設(shè)

儀表配線應(yīng)用抗干擾性能較好的屏蔽電纜，并應(yīng)盡可能避開(kāi)強(qiáng)電系統(tǒng)敷設(shè)。儀表電纜均穿鋼管埋地敷設(shè)。

2.4 儀表安裝布置

電量變送器布置在現(xiàn)場(chǎng)電控柜內(nèi)，工藝檢測(cè)儀表布置于現(xiàn)場(chǎng)，儀表變送部分放在儀表箱內(nèi)，儀表箱在露天應(yīng)選用防水型。