淺談污水處理廠(chǎng)智慧水務(wù)智能配電能效平臺的設計及應用

王曉昭

江蘇安科瑞微電網(wǎng)研究院有限公司 江蘇江陰 214432

摘要：為提高污水處理廠(chǎng)的管理水平，在保障污水處理系統穩定運營(yíng)的前提下響應國家提出的節能降 耗綠色環(huán)保要求，建設智慧水務(wù)管理平臺逐步成為各污水處理廠(chǎng)信息化建設的重要內容。本文以某污水廠(chǎng)為背景，著(zhù)重介紹了該污水處理廠(chǎng)所搭建的智慧水務(wù)管理平臺的構架和優(yōu)勢。通過(guò)智慧水務(wù)管理平臺的實(shí)施，該污水處理廠(chǎng)實(shí)現了廠(chǎng)區管理的精細化和智能化，從而提高整體管理水平、降低運營(yíng)成本，實(shí)現了經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會(huì )效益的提高。

關(guān)鍵詞：污水處理廠(chǎng)務(wù)智慧平臺臺信息化數據分析

引言

人工智能、大數據技術(shù)以及云計算的飛速發(fā)展給社會(huì )各個(gè)層面帶來(lái)巨大改變，污水處理廠(chǎng)按照傳統運營(yíng)管理模式已經(jīng)跟不上社會(huì )發(fā)展需求。污水處理廠(chǎng)實(shí)現自動(dòng)化、智慧化、信息化、遠程監控管理已經(jīng)成為必然趨勢，也順應國家推廣的“智慧環(huán)?！崩砟?。

1項目概況及存在問(wèn)題

1.1 工程概況

2016年初，港區污水處理廠(chǎng)進(jìn)行升級改造，污水處理工藝由A/O工藝變?yōu)閮杉堿/O+絮凝沉淀+砂濾的深度處理工藝，出水水質(zhì)由GB8978-1996《污水綜合排放標準》中的二級標準提高到GB18918-2002《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》B標準，尾水排入渤海灣，改造后設計處理水量為600m3/天。2017年后出水水質(zhì)指標執行天津市地方標準DB12/599-2015《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》。

1.2污水系統存在問(wèn)題及分析

隨著(zhù)環(huán)保標準不斷提升，對污水處理廠(chǎng)的處理效率和穩定性提出更高要求。目前，港區污水處理出水水質(zhì)按天津市DB12/599-2015《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》B標準執行。在實(shí)現污水廠(chǎng)穩定達標的前提下降低運營(yíng)成本，提高經(jīng)濟效益、社會(huì )效益和環(huán)境效益，就需要提高污水廠(chǎng)運行管理水平。通過(guò)智慧水務(wù)平臺建設，借助新一代信息化技術(shù)及云計算等處理手段，實(shí)現污水處理廠(chǎng)管理模式的整體優(yōu)化與提升，同時(shí)達到節能減排的目的。

目前污水處理廠(chǎng)采取“預處理+生化+深度處理”三級處理工藝，工藝流程如圖1所示。預處理包括粗格柵、細格柵、隔油池、調節池；二級處理包括兩級A/O生化反應池、沉淀池；三級處理包括強化沉淀池、砂濾池和中間水池等。該工藝流程長(cháng)，設備儀表多，污水系統無(wú)法實(shí)現實(shí)時(shí)監控，日常管理產(chǎn)生大量手工報表，如工藝記錄表、現場(chǎng)巡檢表、化驗室報表等，工作量大且容易出現錯漏。污水處理系統問(wèn)題反應滯后、響應不及時(shí)導致出水水質(zhì)不穩定?；谝陨蠁?wèn)題搭建的智慧水務(wù)平臺，可提高污水廠(chǎng)在感知、分析、決策、執行環(huán)節的智慧化水平，提高污水處理廠(chǎng)運行效率與管理水平，實(shí)現過(guò)程管理的準確化與精細化，同時(shí)實(shí)現了節能降耗、穩定運行。

圖1港區污水廠(chǎng)工藝流程圖

2智慧平臺總體構架

建設智慧水務(wù)平臺遵循以下原則：選擇目前國內領(lǐng)頭的方法、技術(shù)和設備；選擇成熟的技術(shù)保證系統穩定性和數據可靠性；能夠滿(mǎn)足污水廠(chǎng)未來(lái)持續發(fā)展的需求，智慧水務(wù)平臺具有可擴展性；業(yè)務(wù)流程可進(jìn)行靈活設定和調整，具有良好可維護性；系統具有可靠的安全性，能夠合理規避網(wǎng)絡(luò )安全風(fēng)險。

通過(guò)智慧水務(wù)平臺的建設，提升污水處理廠(chǎng)的自控水平，自控系統應達到污水處理智能化管控能力，實(shí)現對污水系統的遠程監控、技術(shù)指導、生產(chǎn)調度、數據挖掘、信息發(fā)布等功能；使廠(chǎng)區管理由分散轉向集中，由粗放型轉向精細化和智能化，從而提高整體管理水平、降低運營(yíng)成本、提高核心競爭力。

3智慧水務(wù)系統搭建

污水處理廠(chǎng)智慧化管理是在自動(dòng)化的基礎上，通過(guò)對污水水質(zhì)、水量、水壓、及在線(xiàn)儀表的監測，結合物聯(lián)網(wǎng)、大數據等技術(shù)實(shí)現實(shí)時(shí)監控、分析污水系統運行狀況，并實(shí)時(shí)傳達到各相應運維部門(mén)，實(shí)現快速反應、科學(xué)決策。智慧化水務(wù)平臺詳細分析每一個(gè)工藝單元功能，找出控制的關(guān)鍵點(diǎn)，通過(guò)信息化設計，搭建智慧化自控平臺。港區污水廠(chǎng)的自控總體架構圖如圖2所示，功能及自控平臺如圖3所示。

圖2智慧水務(wù)處理平臺架構圖

圖3智慧水務(wù)自控功能系統圖

4功能實(shí)現

智慧水務(wù)平臺的搭建解決了污水廠(chǎng)低效率粗放型管理模式，實(shí)現了對整個(gè)污水處理系統的實(shí)時(shí)監控與運行狀況的在線(xiàn)分析、設備的全生命周期管理、系統運行問(wèn)題的及時(shí)反饋與應答，同時(shí)降低運營(yíng)成本。

（1）智慧水務(wù)平臺的搭建能夠實(shí)時(shí)在線(xiàn)監控各運行單元的水質(zhì)、水量變化情況，監控范圍不再局限于中控室，可實(shí)現技術(shù)人員隨時(shí)隨地掌控整個(gè)系統的運行現狀。

（2）智慧水務(wù)平臺的搭建實(shí)現了整個(gè)處理系統中設備的全生命周期管理，實(shí)時(shí)監控保證了設備問(wèn)題能及時(shí)發(fā)現和維修響應，避免重大問(wèn)題的發(fā)生發(fā)展，變被動(dòng)發(fā)現為主動(dòng)警報，同時(shí)實(shí)現任務(wù)執行痕跡追溯。

（3）智慧水務(wù)平臺的搭建實(shí)現了工藝運行的實(shí)時(shí)監控、分析和反饋，特別是針對突發(fā)事故的及時(shí)響應。例如通過(guò)對進(jìn)水水質(zhì)（TN、TP、COD及其敏感水質(zhì)指標）的實(shí)時(shí)監控，可自動(dòng)生成水質(zhì)數據信息繪制數據歷史曲線(xiàn)圖，實(shí)現對平均值等的同比及環(huán)比分析以及與化驗數據的比對分析。也可依據對主要設備和工藝參數異常狀態(tài)的警報管理及時(shí)將不合格進(jìn)水切換進(jìn)事故池，以避免沖擊整個(gè)污水處理系統。

（4）智慧水務(wù)平臺的搭建實(shí)現了污水處理系統的節能降耗，通過(guò)對水質(zhì)、水量、監測數據與泵、鼓風(fēng)機及加藥系統的信號聯(lián)動(dòng)管理，實(shí)現了準確曝氣的風(fēng)機控制系統、營(yíng)養鹽及其他藥劑的準確控制加藥系統、準確的污泥齡優(yōu)化及排泥系統等。智慧平臺的建設實(shí)現了各子系統功能的優(yōu)化，達到了節能降耗的目的。例如，通過(guò)智慧平臺對進(jìn)水TN、TP及COD等數據的實(shí)時(shí)監控，利用模型的分析計算實(shí)現營(yíng)養鹽加藥量的準確投加，不但節能降耗，同時(shí)保障了生化系統的穩定運行。

（5）智慧水務(wù)平臺的搭建優(yōu)化、簡(jiǎn)化、智能化綜合生產(chǎn)管理，包括值班管理、巡檢管理、報表管理和庫存管理。智慧平臺能夠自動(dòng)生成視圖版排班計劃，對班組人員的管理更加直觀(guān)方便。在線(xiàn)自動(dòng)生成巡檢計劃和巡檢任務(wù)，巡檢過(guò)程發(fā)現的異常問(wèn)題可通過(guò)文字、視頻、圖片的形式及時(shí)上報；自動(dòng)生成如水質(zhì)、水量、能耗、設備情況的報表，降低人工投入和人為誤差；具備倉庫物料查詢(xún)、入庫、出庫、調拔、盤(pán)點(diǎn)等功能，實(shí)現倉庫物料的全生命周期管理。

（6）智慧水務(wù)平臺的搭建實(shí)現了設備的全生命周期管理，包括設備檔案、設備維修、設備保養都可通過(guò)智慧平臺快速獲取相關(guān)數據和信息

（7）智慧水務(wù)平臺的搭建可實(shí)現污水廠(chǎng)員工的考勤及績(jì)效管理，領(lǐng)導可據此合理安排員工的工作量，自動(dòng)生成績(jì)效考核數據，支持績(jì)效的多個(gè)維度統計分析。

（8）智慧水務(wù)平臺提供了包括安全檢查、安全培訓、應急事件、安全文檔等一整套安全管理體系，實(shí)現了對整個(gè)污水廠(chǎng)的智能化安全管理。

（9）智慧水務(wù)平臺的移動(dòng)App可實(shí)現污水廠(chǎng)運營(yíng)管控的大部分功能，App端生產(chǎn)人員通過(guò)視頻通話(huà)+增強現實(shí)標記的方式實(shí)現遠程求助技術(shù)支持。通過(guò)圖像識別和AR技術(shù)對污水廠(chǎng)主要實(shí)景設備和工藝節點(diǎn)實(shí)現數據信息疊加（如設備基本信息、維修狀況、監測數據、警報信息等）。

5 AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺

5.1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(wù)能效管理平臺通過(guò)在污水廠(chǎng)源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個(gè)關(guān)鍵節點(diǎn)安裝保護、監測、分析、治理裝置，用于監測污水廠(chǎng)能耗總量和能耗強度，監測主要用能設備能效，保護污水廠(chǎng)運行可靠，提高污水廠(chǎng)能效，為污水處理的能效管理提供科學(xué)、精細的解決方案。

5.2平臺組成

AcrelEMS智慧水務(wù)綜合能效管理系統由變電站綜合自動(dòng)化系統、電力監控及能效管理系統組成，涵蓋了水務(wù)中壓變配電系統、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(wù)能源流的始終，幫助運維管理人員通過(guò)一套平臺、一個(gè)APP實(shí)時(shí)了解水務(wù)配電系統運行狀況，并且根據權限可以適用于水務(wù)后勤部門(mén)管理需要。

5.3平臺拓撲圖

5.4平臺子系統

5.4.1變電站綜合自動(dòng)化系統及電力監控

對水務(wù)配電系統中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實(shí)現遙測、遙信、遙控、遙調等功能，對異常情況及時(shí)預警。

監測變壓器、水泵、鼓風(fēng)機的電流、電壓、有功/無(wú)功功率、功率因數、負荷率、溫度、三相平衡、異常警報等數據。

5.4.2電能質(zhì)量監測與治理

水務(wù)中大量的大功率電機、水泵變頻啟動(dòng)導致配電系統中存在大量諧波，通過(guò)監測其配電系統的諧波畸變、電壓波動(dòng)、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。

5.4.3電動(dòng)機管理

馬達監控實(shí)現水務(wù)中電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，電動(dòng)機保護器能對過(guò)載、短路、缺相、漏電等異常情況進(jìn)行保護、監測和警報。準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，對電機進(jìn)行健康診斷和預防性維護。同時(shí)支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現電動(dòng)機自動(dòng)或遠程控制，監視、控制各個(gè)工藝設備,保障正常生產(chǎn)。

5.4.4能耗管理

為水務(wù)搭建計量體系，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域。

將所有有關(guān)能源的參數集中在一個(gè)看板中，從多個(gè)維度對比分析，實(shí)現各個(gè)工藝環(huán)節的能耗對比，幫助領(lǐng)導掌控整個(gè)工廠(chǎng)的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

能耗數據統計采集水務(wù)中污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、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排放統計趨勢。

能效分析按三級計量架構，分別進(jìn)行能效分析，契合能源管理體系要求，可對各車(chē)間/職能部門(mén)的能效水平進(jìn)行分析，同比、環(huán)比、對標等。通過(guò)污水處理產(chǎn)量以及系統采集的能耗數據，在污水單耗中生成污水單耗趨勢圖，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)/國家/國際先進(jìn)指標對標，以便企業(yè)能夠根據產(chǎn)品單耗情況來(lái)調整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。

5.4.5智能照明控制

系統為污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區域控制、自動(dòng)控制、感應控制、定時(shí)控制、場(chǎng)景控制、調光控制等多種控制方式，模塊可根據經(jīng)緯度自動(dòng)識別日出日落時(shí)間實(shí)現自動(dòng)控制功能，盡量利用自然光照，實(shí)現室內、廠(chǎng)區照明的智能控制達到安全、節能的目的。

5.4.6電氣安全

①電氣火災監測：監測配電系統回路的漏電電流和線(xiàn)纜溫度，實(shí)現對污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站的電氣安全預警。

②消防應急照明和疏散指示：根據預先設置的應急預案快速啟動(dòng)疏散方案引導人員疏散。系統接入消防應急照明指示系統數據，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消防設備電源監測：監測消防設備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災時(shí)消防設備可以正常投入使用。

④防火門(mén)監控系統：防火門(mén)監控系統集中控制其各終端設備即防火門(mén)監控模塊、電動(dòng)閉門(mén)器、電磁釋放器的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)監測疏散通道防火門(mén)的開(kāi)啟、關(guān)閉及故障狀態(tài)，顯示終端設備開(kāi)路、短路等故障信號。系統采用消防二總線(xiàn)將具有通信功能的監控模塊相互連接起來(lái)，當終端設備發(fā)生短路、斷路等故障時(shí)，防火門(mén)監控器能發(fā)出警報信號，能指示警報部位并保存警報信息，保障了電氣安全的可靠性。

5.4.7 環(huán)境監測

污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站等場(chǎng)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(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、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(dòng)啟動(dòng)排風(fēng)風(fēng)機或新風(fēng)系統，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。

5.4.8分布式光伏監測

實(shí)時(shí)監測低壓并網(wǎng)柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數及斷路器開(kāi)關(guān)狀態(tài)，逆變器運行監視，對逆變器直流側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、當前發(fā)電功率、累計發(fā)電量進(jìn)行監測，以曲線(xiàn)方式繪制上述監測的各個(gè)參量的歷史數據。

平臺結合廠(chǎng)區實(shí)際分布情況，通過(guò)3D或2.5D平面圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車(chē)棚的分布情況，顯示匯流箱、并網(wǎng)點(diǎn)位置，各個(gè)屋頂的裝機容量。

5.4.9工藝仿真監控

平臺通過(guò)2D、3D方式實(shí)時(shí)監視粗格柵、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(fēng)機、加藥泵、濃縮壓濾機、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動(dòng)機控制柜或低壓饋電柜安裝電動(dòng)機保護，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、堵轉、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(shí)現電動(dòng)機自動(dòng)或遠程控制，監視、控制各個(gè)工藝設備,保障正常生產(chǎn)。

6 相關(guān)平臺部署硬件選型清單

7結語(yǔ)

搭建智慧水務(wù)管理系統的污水廠(chǎng)與傳統污水廠(chǎng)相比，在工作方式、工藝控制和運營(yíng)成本等方面具有較大優(yōu)勢。污水廠(chǎng)的儀表實(shí)時(shí)監控數據、化驗數據、設備運行實(shí)時(shí)狀態(tài)及視頻監控實(shí)時(shí)采集并上傳至智慧水務(wù)平臺，借助大數據技術(shù)、先進(jìn)的計算機與通信技術(shù)，可實(shí)時(shí)掌握污水廠(chǎng)生產(chǎn)運營(yíng)實(shí)際狀態(tài)，并可隨時(shí)調取各環(huán)節歷史數據，及時(shí)了解能耗、藥劑消耗及倉庫物質(zhì)等情況。不但提高了污水廠(chǎng)的管理效率，增強了整個(gè)污水系統運行的穩定性，同時(shí)實(shí)現了節能降耗的綠色環(huán)保目標。項目實(shí)施后，污水廠(chǎng)出水水質(zhì)得到有效保障，管理水平大幅提升，帶來(lái)了顯著(zhù)的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。

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[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版

作者簡(jiǎn)介：

作者簡(jiǎn)介：王曉昭，女，本科，安科瑞電氣股份有限公司，工程師， 技術(shù)交流：021-69156559

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