摘 要：介紹了保山大柱山凈水廠的高低壓配電系統(tǒng)、負(fù)荷計(jì)算及自控系統(tǒng)、工藝儀表設(shè)置的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，保障了凈水廠工藝設(shè)備以及水廠內(nèi)包裝飲用水廠房的可靠安全運(yùn)行，并為以后可能的擴(kuò)建預(yù)留空間，以及針對(duì)高海拔潮濕環(huán)境的凈水廠廠區(qū)電氣自控設(shè)計(jì)提出了一些建議，可以為類似項(xiàng)目提供參考。

關(guān)鍵詞：凈水廠；配電系統(tǒng)；負(fù)荷計(jì)算；自控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TU852 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-6903（2024）09-0102-03

收稿日期：2024-04-05

作者簡(jiǎn)介：王宣元（1994—），男，吉林白山人，本科，工程師，研究方向：市政電氣設(shè)計(jì)。

0 引言

根據(jù)保山市當(dāng)?shù)氐乃Y源條件及當(dāng)?shù)毓╇姴块T要求，對(duì)保山大柱山凈水廠的高低壓配電系統(tǒng)及自控系統(tǒng)儀表設(shè)置的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了研究，保障了凈水廠工藝設(shè)備的可靠安全運(yùn)行，并為以后可能的擴(kuò)建預(yù)留空間。大柱山凈水廠設(shè)計(jì)規(guī)模為4萬m3/d，采用混合、絮凝、沉淀、過濾、除氟等凈水工序，并包含一座包裝飲用水廠房。

1 電氣設(shè)計(jì)

1.1 10 kV配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)《城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)電氣與自動(dòng)化工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJT 120—2018）文中電氣系統(tǒng)的一般規(guī)定，本工程屬于排水設(shè)施，設(shè)備的供電負(fù)荷等級(jí)確定為二級(jí)[1]。經(jīng)與當(dāng)?shù)仉娏Σ块T溝通后，由當(dāng)?shù)仉娏Σ块T規(guī)劃兩路10kV高壓電源進(jìn)線，兩路高壓電源一用一備，每路電源均能滿足全廠100%的用電負(fù)荷。10 kV高壓側(cè)采用單母線分段，中間設(shè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)的接線方式。10 kV電源進(jìn)線采用帶微機(jī)型綜合繼保裝置的時(shí)限電流速斷及過電流保護(hù)，10 kV高壓斷路器采用直流220 V彈簧操作機(jī)構(gòu)，彈簧操作機(jī)構(gòu)電源引自直流屏。

1.2 負(fù)荷計(jì)算與變壓器選擇

由于大柱山凈水廠包括一座包裝飲用水廠房，且除氟設(shè)備用電量較大，根據(jù)當(dāng)?shù)仉娏Σ块T要求，當(dāng)?shù)刈儔浩魅萘繎?yīng)小于等于2 000 kVA，因此本工程共設(shè)置4臺(tái)1 600 kVA變壓器，兩用兩備。由于除氟設(shè)備用電量占凈水廠總用電量比重約為47.4%，為使變壓器的負(fù)載較為均衡且方便后期的管理，因此4臺(tái)變壓器中劃分出2臺(tái)單獨(dú)為除氟設(shè)備供電（除氟間設(shè)備接入#3、#4變壓器，其余設(shè)備接入#1、#2變壓器）。根據(jù)《城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)電氣與自動(dòng)化工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJT 120—2018）設(shè)備組需要系數(shù)確定功率計(jì)算的同時(shí)系數(shù)與功率因數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表1、表2所示。

根據(jù)負(fù)荷計(jì)算，#1、#2變壓器平均負(fù)載率約為76%（低壓側(cè)補(bǔ)償?shù)?.94），事故保證率100%；#3、#4變壓器平均負(fù)載率約為70%（低壓側(cè)補(bǔ)償?shù)?.92），事故保證率100%。

1.3 低壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

保證凈水廠的正常運(yùn)行以及方便后期維護(hù)和管理，0.4 kv低壓側(cè)采用單母線分段，中間設(shè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)的接線方式，兩路進(jìn)線與聯(lián)絡(luò)開關(guān)采用三鎖兩鑰匙機(jī)械及電氣閉鎖。為保證凈水廠配電系統(tǒng)低壓側(cè)的功率因數(shù)不小于0.9，在低壓進(jìn)線處設(shè)置電容補(bǔ)償柜，能夠智能投加補(bǔ)償電容。為保證供電質(zhì)量，在低壓進(jìn)線處設(shè)置有源濾波柜，去除電源中的噪聲與干擾。

為方便運(yùn)營(yíng)人員操作與維修，使柜體的使用更加安全和快捷，大柱山凈水廠低壓配電柜采用MNS抽屜柜。低壓配電柜除為主要配電回路預(yù)留相同規(guī)格的斷路器開關(guān)外，配電柜額外預(yù)留了部分整定電流不小于63 A的斷路器開關(guān)，方便凈水廠配電系統(tǒng)以后的擴(kuò)展。

1.4 電纜敷設(shè)設(shè)計(jì)

一般情況下，配電間應(yīng)設(shè)置于負(fù)荷中心，但是由于受到大柱山凈水廠廠區(qū)地理?xiàng)l件的限制，大柱山凈水廠配電間不能設(shè)置在廠區(qū)的中心位置，只能設(shè)置于廠區(qū)東南區(qū)域的清水池上，除規(guī)劃預(yù)留用地外，水廠內(nèi)所有建筑物或構(gòu)筑物單體均在配電間的西側(cè)與北側(cè)，所以大柱山凈水廠配電間相較于一般配電間需額外注意地面防水防潮設(shè)計(jì)，與配電間的回路出線設(shè)計(jì)。

本工程室外電纜敷設(shè)采用電纜溝、熱鍍鋅鋼管與不銹鋼橋架相結(jié)合的方式。根據(jù)廠區(qū)用地標(biāo)高的限制，清水池北部池體位于廠區(qū)中央道路下，所以配電間出線電纜溝無法設(shè)置于北側(cè)，只能設(shè)置于配電間的西南側(cè)，為保障預(yù)埋足夠熱鍍鋅鋼管過路，考慮到單個(gè)水井的大小，可以穿過的熱鍍鋅鋼管根數(shù)有限，所以在配電間外側(cè)電纜溝選擇多個(gè)點(diǎn)位設(shè)置電纜手井，預(yù)埋熱鍍鋅鋼管過路管，方便電纜出線。由于配電間設(shè)置于廠區(qū)東南區(qū)域，距離其他建筑物或構(gòu)筑物單體較遠(yuǎn)，所以為滿足電壓降要求，本工程采用的主桿電纜的規(guī)格較大。

1.5 建筑物、構(gòu)筑物單體設(shè)備配電設(shè)計(jì)

在建筑物或構(gòu)筑物單體設(shè)置配電箱，為單體內(nèi)設(shè)備提供電源，并在單體配電箱中預(yù)留備用回路及插座。在工藝設(shè)備就近處設(shè)置按鈕箱與控制箱，部分控制箱根據(jù)工藝要求配套變頻控制。由于保山市位于云南省西南部，海拔較高為1 800 m左右，晝夜溫差較大，導(dǎo)致清晨霧氣較多容易在配電箱中凝結(jié)水珠，所以在配電箱中配有通風(fēng)設(shè)備并為容易積水的配電箱增加加熱設(shè)備?？紤]到凈水工藝流程中添加的藥劑腐蝕性較大，會(huì)加快構(gòu)筑物內(nèi)的金屬的腐蝕，所以構(gòu)筑物單體內(nèi)的配電箱外殼、工藝設(shè)備的按鈕箱與控制箱外殼以及電纜敷設(shè)使用的橋架采用不銹鋼材質(zhì)。

本工程接地方式采用TN-S制，在電源進(jìn)線處設(shè)置重復(fù)接地，在各單體總配電箱處設(shè)置總等電位端子，在進(jìn)線處設(shè)置一級(jí)防浪涌裝置。沿單體外圍設(shè)置接地線，方便工藝設(shè)備的金屬外殼和其他金屬器件的接地連接，構(gòu)成共同接地體，確保工作人員的安全。

根據(jù)凈水生產(chǎn)工藝的需求，本工程需要用到潛水泵、干式泵、風(fēng)機(jī)、閥門等設(shè)備。其中運(yùn)行功率在15 kW以上的電機(jī)需采用變頻控制。潛水泵由于在水下工作，本工程將潛水泵電機(jī)的超溫、泄漏、過載、故障等信號(hào)傳送至PLC，以便對(duì)水泵的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行智能監(jiān)控，在潛水泵電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)能夠切斷水泵電源并通知有關(guān)人員。

為方便操作人員在控制設(shè)備時(shí)能夠?qū)崟r(shí)了解相關(guān)工藝流程的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)備的控制箱與按鈕箱就近設(shè)置，控制箱上設(shè)置有控制面板，現(xiàn)場(chǎng)每臺(tái)設(shè)備均可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制，每臺(tái)設(shè)備可隨時(shí)投入或撤出自動(dòng)控制系統(tǒng)。由于部分池體外圍走道板較為狹窄，設(shè)備配套控制箱采用槽鋼作為基礎(chǔ)落地安裝后，不方便工作人員通行或者操作控制箱，所以在走道板狹窄處，采用槽鋼固定于欄桿上支柱安裝配電箱，為方便工作人員察看面板數(shù)據(jù)以及操作使用，將按鈕箱與控制箱的面板離地高度設(shè)置為1.3 m。

2 包裝飲用水廠房設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目包裝飲用水廠房建設(shè)于大柱山凈水廠內(nèi)，廠房占地1 857㎡，包含500 ml瓶裝水生產(chǎn)線1條，購置12 L桶裝水生產(chǎn)線1條，并配套部分設(shè)備、水處理、污水處理等公用工程設(shè)備，形成年新產(chǎn)3.1萬噸包裝飲用水（500 mL瓶裝水3 600萬瓶/年，12 L桶裝水110萬桶/年）的生產(chǎn)能力。

為滿足包裝飲用水廠房的生產(chǎn)需求，本工程考慮了如下措施：第一，為保障包裝飲用水廠房的生產(chǎn)活動(dòng)能夠連續(xù)運(yùn)行，包裝飲用水廠房的電源引自配電間低壓柜，電源采用獨(dú)立回路，不與其他構(gòu)筑物或建筑物單體共用電源，且不與其他負(fù)荷混用。確保了電源的穩(wěn)定性、獨(dú)立性，方便包裝飲用水廠工作人員的管理，不會(huì)因凈水廠工藝設(shè)備的檢修調(diào)試影響包裝飲用水的生產(chǎn)

第二，為保障包裝飲用水生產(chǎn)所需要的無菌條件，因此選擇對(duì)環(huán)境影響較小的嵌入式燈具，避免燈具的積灰，方便工作人員清理、降低維護(hù)難度。與廠區(qū)其他單體內(nèi)為方便設(shè)備維修調(diào)試而選擇電纜穿橋架或熱鍍鋅鋼管明敷不同，包裝飲用水廠房?jī)?nèi)電纜選擇在墻內(nèi)或頂板暗敷，優(yōu)化電纜走線布局，避免對(duì)環(huán)境造成影響。通向外界的管線應(yīng)在進(jìn)戶處做好封堵，通風(fēng)風(fēng)機(jī)的開口應(yīng)設(shè)置防護(hù)網(wǎng)。由于包裝飲用水廠的生產(chǎn)條件密閉性較好，如果發(fā)生火災(zāi)對(duì)人體傷害較大，因此選擇阻燃電纜，并設(shè)置自動(dòng)滅火裝置[2]。

3 自控設(shè)計(jì)

3.1 自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)集中管理，分散控制的自控設(shè)計(jì)原則為凈水廠建立一套控制系統(tǒng)。由1個(gè)中央站與4個(gè)現(xiàn)場(chǎng)子站構(gòu)成控制環(huán)網(wǎng)。在凈水廠廠區(qū)綜合樓的中控室設(shè)1個(gè)中央站，在配水井及絮凝沉淀池、V型濾池及反沖洗泵房、加壓泵房及清水池各設(shè)置一個(gè)PLC現(xiàn)場(chǎng)控制站，對(duì)各單體的所有工藝設(shè)備、儀器儀表進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制，PLC內(nèi)應(yīng)預(yù)留足夠的卡件數(shù)量以便將來擴(kuò)充。脫水機(jī)房、加氯加藥等一體化設(shè)備采用光纖接入到就近PLC中。為廠區(qū)外的取水泵房預(yù)留4G/5G無線通信接口[3]。

為滿足凈水廠網(wǎng)絡(luò)安全的需求，在中控室自控設(shè)備中設(shè)置安全管理平臺(tái)，設(shè)置工業(yè)防火墻，監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的通信安全，并且能夠?qū)S區(qū)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的安全威脅進(jìn)行分析與清除。

3.2 儀表設(shè)計(jì)

在進(jìn)水處設(shè)置流量井，在流量井內(nèi)設(shè)置電磁流量計(jì)，監(jiān)控整個(gè)廠區(qū)的進(jìn)水水量，方便工作人員調(diào)整后續(xù)凈水工藝流程。

在配水井-絮凝沉淀池進(jìn)水處設(shè)置濁度計(jì)和PH/T計(jì)，監(jiān)控進(jìn)水水質(zhì)是否達(dá)標(biāo)。在配水井-絮凝沉淀池出水處設(shè)置濁度計(jì)，通過前后濁度計(jì)的數(shù)據(jù)對(duì)比了解絮凝沉淀池出沉淀效率，判斷當(dāng)前水質(zhì)是否可以進(jìn)行進(jìn)一步的深化處理[4]。

在V型濾池-反沖洗泵房的濾格中設(shè)置超聲波液位計(jì)，監(jiān)控液位變化，保持濾格中液位恒定，在濾格中設(shè)置水頭損失儀，通過過濾前后損失的液位，監(jiān)控過濾效率。當(dāng)過濾效率較低濾池濾板達(dá)不到預(yù)定過濾效率時(shí)，對(duì)濾池濾板進(jìn)行反沖洗。在反沖洗泵房中設(shè)置空氣壓力傳感器、空氣流量計(jì)、液體壓力傳感器、液體流量計(jì)，監(jiān)控反沖洗管道內(nèi)的氣體和液體的流速，借此控制反沖洗羅茨鼓風(fēng)機(jī)和清水泵的運(yùn)行狀態(tài)。

在清水池、污泥濃縮池和排泥池處分別設(shè)置超聲波液位計(jì)、污泥濃度計(jì)、和泥位計(jì)確保相關(guān)工藝流程處在相對(duì)平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)。

在加壓泵房出水處設(shè)置壓力計(jì)、濁度計(jì)、pH/T計(jì)和余氯計(jì)。確保凈水廠出水水質(zhì)滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并且出水水壓達(dá)到要求。根據(jù)當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)部門要求水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀表應(yīng)預(yù)留上傳接口，可以通過4G或5G通信將出水水質(zhì)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至當(dāng)?shù)毓芾砥脚_(tái)[5]。

除工藝流程所需要設(shè)置的儀表外，在脫水機(jī)房設(shè)置了硫化氫測(cè)量?jī)x，在加藥加氯間設(shè)置了氫氣測(cè)量?jī)x，并額外為廠區(qū)工作人員配備一臺(tái)手持式硫化氫測(cè)量?jī)x，方便工作人員使用，保障廠區(qū)設(shè)備的運(yùn)行安全與工作人員的生命安全。

為保障儀表的正常工作和測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性，所有儀表接入共同接地體，且戶外儀表進(jìn)入PLC端口時(shí)設(shè)置浪涌保護(hù)器。

3.3 安防設(shè)計(jì)

為滿足廠區(qū)的安防需求，在每個(gè)構(gòu)筑物或建筑物單體戶外各設(shè)置1套1080P槍式攝像頭，并在圍墻處設(shè)置4套1080P槍式攝像頭，在綜合樓內(nèi)會(huì)議室、中控室等房間按需設(shè)置攝像頭，攝像頭全天候工作，攝像機(jī)接入大柱山凈水廠視頻監(jiān)控系統(tǒng)，配備長(zhǎng)延時(shí)記錄裝置，視頻資料需要保存3個(gè)月以上。

在廠區(qū)圍墻處設(shè)置電子圍欄設(shè)備，并接入大柱山凈水廠電子圍欄系統(tǒng)。凈水廠廠區(qū)圍墻約900 m，根據(jù)100～300 m劃1個(gè)分區(qū)和廠區(qū)圍墻實(shí)際情況考慮，需增設(shè)10個(gè)分區(qū)控制系統(tǒng)，各分區(qū)控制機(jī)應(yīng)能接入水廠電子圍欄系統(tǒng)。

在廠區(qū)出入口、綜合樓出入口以及重要房間如中控室、會(huì)議室的門口設(shè)置門禁系統(tǒng)，防止未經(jīng)授權(quán)的人員進(jìn)入，確保只有授權(quán)人員才能進(jìn)入特定區(qū)域。進(jìn)出水儀表檢測(cè)間的門口獨(dú)立設(shè)置門禁系統(tǒng)，滿足當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門的要求，確保上傳水質(zhì)數(shù)據(jù)的可靠性。

3.4 中控室設(shè)計(jì)

為滿足中控室設(shè)備的正常運(yùn)行，保障數(shù)據(jù)的可靠性，在中控室設(shè)置靜電地板。在中控室內(nèi)設(shè)置主機(jī)、顯示器、打印機(jī)等設(shè)備。為使凈水廠設(shè)備的工作狀態(tài)、各類儀表的數(shù)據(jù)能夠直觀清晰地呈現(xiàn)給工作人員，在中控室墻上設(shè)置LED顯示屏。

4 結(jié)束語

本文介紹了大柱山凈水廠在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的相關(guān)事項(xiàng)，根據(jù)廠區(qū)的負(fù)荷等級(jí)與當(dāng)?shù)仉娏Σ块T的要求，高壓側(cè)采用兩路10 kV高壓進(jìn)線，低壓側(cè)采用4臺(tái)變壓器，兩用兩備。再結(jié)合廠區(qū)配電間無法設(shè)置在廠區(qū)用電負(fù)荷中心等實(shí)際情況，合理放大電纜規(guī)格，滿足設(shè)備運(yùn)行電壓要求，優(yōu)化電氣布局及其他事項(xiàng)，確保包裝飲用水廠房的正常運(yùn)營(yíng)和安全等。凈水廠電氣自控設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)先考慮水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和工作效率，根據(jù)凈水廠的實(shí)際需求，選擇合適的配電與自控方式。

參考文獻(xiàn)

[1] CJJT 120-2018，城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)電氣與自動(dòng)化工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] 潘清城.自來水廠電氣及自控設(shè)計(jì)[J].化學(xué)工程與裝備，2018 （7）：188-190.

[3] 朱敏智.某凈水廠電氣主接線設(shè)計(jì)和比較[J].現(xiàn)代建筑電氣， 2019，10（7）：45-48.

[4] 趙琳，吳霖，徐偉.某生物凈水廠過程控制設(shè)備及儀表位號(hào)研究與設(shè)計(jì)[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2023（4）：20-23.

[5] 張偉，張福順.新型凈水廠中智慧水務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用與探究[J].智能建筑，2021（12）：45-50.