淺談污水處理廠智慧水務智能配電能效平臺的設計及應用

任運業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：為提高污水處理廠的管理水平，在保障污水處理系統(tǒng)穩(wěn)定運營的前提下響應國家提出的節(jié)能降 耗綠色環(huán)保要求，建設智慧水務管理平臺逐步成為各污水處理廠信息化建設的重要內(nèi)容。本文以某污水廠為背景，著重介紹了該污水處理廠所搭建的智慧水務管理平臺的構架和優(yōu)勢。通過智慧水務管理平臺的實施，該污水處理廠實現(xiàn)了廠區(qū)管理的精細化和智能化，從而提高整體管理水平、降低運營成本，實現(xiàn)了經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益的提高。

關鍵詞：污水處理廠務智慧平臺臺信息化數(shù)據(jù)分析

引言

人工智能、大數(shù)據(jù)技術以及云計算的飛速發(fā)展給社會各個層面帶來巨大改變，污水處理廠按照傳統(tǒng)運營管理模式已經(jīng)跟不上社會發(fā)展需求。污水處理廠實現(xiàn)自動化、智慧化、信息化、遠程監(jiān)控管理已經(jīng)成為必然趨勢，也順應國家推廣的“智慧環(huán)保"理念。

1項目概況及存在問題

1.1 工程概況

2016年初，港區(qū)污水處理廠進行升級改造，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(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》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(zhí)行天津市地方標準DB12/599-2015《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》。

1.2污水系統(tǒng)存在問題及分析

隨著環(huán)保標準不斷提升，對污水處理廠的處理效率和穩(wěn)定性提出更高要求。目前，港區(qū)污水處理出水水質(zhì)按天津市DB12/599-2015《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》B標準執(zhí)行。在實現(xiàn)污水廠穩(wěn)定達標的前提下降低運營成本，提高經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益，就需要提高污水廠運行管理水平。通過智慧水務平臺建設，借助新一代信息化技術及云計算等處理手段，實現(xiàn)污水處理廠管理模式的整體優(yōu)化與提升，同時達到節(jié)能減排的目的。

目前污水處理廠采取“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(diào)節(jié)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，設備儀表多，污水系統(tǒng)無法實現(xiàn)實時監(jiān)控，日常管理產(chǎn)生大量手工報表，如工藝記錄表、現(xiàn)場巡檢表、化驗室報表等，工作量大且容易出現(xiàn)錯漏。污水處理系統(tǒng)問題反應滯后、響應不及時導致出水水質(zhì)不穩(wěn)定?；谝陨蠁栴}搭建的智慧水務平臺，可提高污水廠在感知、分析、決策、執(zhí)行環(huán)節(jié)的智慧化水平，提高污水處理廠運行效率與管理水平，實現(xiàn)過程管理的準確化與精細化，同時實現(xiàn)了節(jié)能降耗、穩(wěn)定運行。

圖1港區(qū)污水廠工藝流程圖

2智慧平臺總體構架

建設智慧水務平臺遵循以下原則：選擇目前國內(nèi)領頭的方法、技術和設備；選擇成熟的技術保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)可靠性；能夠滿足污水廠未來持續(xù)發(fā)展的需求，智慧水務平臺具有可擴展性；業(yè)務流程可進行靈活設定和調(diào)整，具有良好可維護性；系統(tǒng)具有可靠的安全性，能夠合理規(guī)避網(wǎng)絡安全風險。

通過智慧水務平臺的建設，提升污水處理廠的自控水平，自控系統(tǒng)應達到污水處理智能化管控能力，實現(xiàn)對污水系統(tǒng)的遠程監(jiān)控、技術指導、生產(chǎn)調(diào)度、數(shù)據(jù)挖掘、信息發(fā)布等功能；使廠區(qū)管理由分散轉(zhuǎn)向集中，由粗放型轉(zhuǎn)向精細化和智能化，從而提高整體管理水平、降低運營成本、提高核心競爭力。

3智慧水務系統(tǒng)搭建

污水處理廠智慧化管理是在自動化的基礎上，通過對污水水質(zhì)、水量、水壓、及在線儀表的監(jiān)測，結合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術實現(xiàn)實時監(jiān)控、分析污水系統(tǒng)運行狀況，并實時傳達到各相應運維部門，實現(xiàn)快速反應、科學決策。智慧化水務平臺詳細分析每一個工藝單元功能，找出控制的關鍵點，通過信息化設計，搭建智慧化自控平臺。港區(qū)污水廠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智慧水務處理平臺架構圖

圖3智慧水務自控功能系統(tǒng)圖

4功能實現(xiàn)

智慧水務平臺的搭建解決了污水廠低效率粗放型管理模式，實現(xiàn)了對整個污水處理系統(tǒng)的實時監(jiān)控與運行狀況的在線分析、設備的全生命周期管理、系統(tǒng)運行問題的及時反饋與應答，同時降低運營成本。

（1）智慧水務平臺的搭建能夠?qū)崟r在線監(jiān)控各運行單元的水質(zhì)、水量變化情況，監(jiān)控范圍不再局限于中控室，可實現(xiàn)技術人員隨時隨地掌控整個系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀。

（2）智慧水務平臺的搭建實現(xiàn)了整個處理系統(tǒng)中設備的全生命周期管理，實時監(jiān)控保證了設備問題能及時發(fā)現(xiàn)和維修響應，避免重大問題的發(fā)生發(fā)展，變被動發(fā)現(xiàn)為主動警報，同時實現(xiàn)任務執(zhí)行痕跡追溯。

（3）智慧水務平臺的搭建實現(xiàn)了工藝運行的實時監(jiān)控、分析和反饋，特別是針對突發(fā)事故的及時響應。例如通過對進水水質(zhì)（TN、TP、COD及其敏感水質(zhì)指標）的實時監(jiān)控，可自動生成水質(zhì)數(shù)據(jù)信息繪制數(shù)據(jù)歷史曲線圖，實現(xiàn)對平均值等的同比及環(huán)比分析以及與化驗數(shù)據(jù)的比對分析。也可依據(jù)對主要設備和工藝參數(shù)異常狀態(tài)的警報管理及時將不合格進水切換進事故池，以避免沖擊整個污水處理系統(tǒng)。

（4）智慧水務平臺的搭建實現(xiàn)了污水處理系統(tǒng)的節(jié)能降耗，通過對水質(zhì)、水量、監(jiān)測數(shù)據(jù)與泵、鼓風機及加藥系統(tǒng)的信號聯(lián)動管理，實現(xiàn)了準確曝氣的風機控制系統(tǒng)、營養(yǎng)鹽及其他藥劑的準確控制加藥系統(tǒng)、準確的污泥齡優(yōu)化及排泥系統(tǒng)等。智慧平臺的建設實現(xiàn)了各子系統(tǒng)功能的優(yōu)化，達到了節(jié)能降耗的目的。例如，通過智慧平臺對進水TN、TP及COD等數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控，利用模型的分析計算實現(xiàn)營養(yǎng)鹽加藥量的準確投加，不但節(jié)能降耗，同時保障了生化系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

（5）智慧水務平臺的搭建優(yōu)化、簡化、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。智慧平臺能夠自動生成視圖版排班計劃，對班組人員的管理更加直觀方便。在線自動生成巡檢計劃和巡檢任務，巡檢過程發(fā)現(xiàn)的異常問題可通過文字、視頻、圖片的形式及時上報；自動生成如水質(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、入庫、出庫、調(diào)拔、盤點等功能，實現(xiàn)倉庫物料的全生命周期管理。

（6）智慧水務平臺的搭建實現(xiàn)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(yǎng)都可通過智慧平臺快速獲取相關數(shù)據(jù)和信息

（7）智慧水務平臺的搭建可實現(xiàn)污水廠員工的考勤及績效管理，領導可據(jù)此合理安排員工的工作量，自動生成績效考核數(shù)據(jù)，支持績效的多個維度統(tǒng)計分析。

（8）智慧水務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，實現(xiàn)了對整個污水廠的智能化安全管理。

（9）智慧水務平臺的移動App可實現(xiàn)污水廠運營管控的大部分功能，App端生產(chǎn)人員通過視頻通話+增強現(xiàn)實標記的方式實現(xiàn)遠程求助技術支持。通過圖像識別和AR技術對污水廠主要實景設備和工藝節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息疊加（如設備基本信息、維修狀況、監(jiān)測數(shù)據(jù)、警報信息等）。

5 AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺

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，監(jiān)測主要用能設備能效，保護污水廠運行可靠，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。

5.2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。

5.3平臺拓撲圖

5.4平臺子系統(tǒng)

5.4.1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35kV、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、異常警報等數(shù)據(jù)。

5.4.2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。

5.4.3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)測和警報。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)。

5.4.4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，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)/國家指標對標，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。

5.4.5智能照明控制

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)能的目的。

5.4.6電氣安全

①電氣火災監(jiān)測：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。

②消防應急照明和疏散指示：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。

③消防設備電源監(jiān)測：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(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。

5.4.8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)。

平臺結合廠區(qū)實際分布情況，通過3D或2.5D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。

5.4.9工藝仿真監(jiān)控

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)。

6 相關平臺部署硬件選型清單

7結語

搭建智慧水務管理系統(tǒng)的污水廠與傳統(tǒng)污水廠相比，在工作方式、工藝控制和運營成本等方面具有較大優(yōu)勢。污水廠的儀表實時監(jiān)控數(shù)據(jù)、化驗數(shù)據(jù)、設備運行實時狀態(tài)及視頻監(jiān)控實時采集并上傳至智慧水務平臺，借助大數(shù)據(jù)技術、先進的計算機與通信技術，可實時掌握污水廠生產(chǎn)運營實際狀態(tài)，并可隨時調(diào)取各環(huán)節(jié)歷史數(shù)據(jù)，及時了解能耗、藥劑消耗及倉庫物質(zhì)等情況。不但提高了污水廠的管理效率，增強了整個污水系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，同時實現(xiàn)了節(jié)能降耗的綠色環(huán)保目標。項目實施后，污水廠出水水質(zhì)得到有效保障，管理水平大幅提升，帶來了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

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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

作者簡介：

任運業(yè)，男，安科瑞電氣股份有限公司。