在線監(jiān)測系統(tǒng)與配電能效平臺在供水水廠的應(yīng)用

近年來，我國水源地污染日益嚴(yán)重是城市供水行業(yè)面臨的主要問題，這增加了城市自來水廠供水處理難度。我國城市供水行業(yè)以提高供水質(zhì)量、改善供水服務(wù)、優(yōu)化供水成本和保障供水安全為總體目標(biāo)，因此部分水廠原有的混凝、沉淀、過濾、消毒等常規(guī)凈水處理工藝都面臨升級改造的需要，要對水廠水處理系統(tǒng)做出整體的生產(chǎn)效能評價，使其在水質(zhì)達(dá)標(biāo)的前提下盡量節(jié)省能耗控制生產(chǎn)運(yùn)行成本。

水質(zhì)在線監(jiān)測在原有老工藝基礎(chǔ)上建立了自動監(jiān)測系統(tǒng)，及時反映水廠各環(huán)節(jié)水質(zhì)變化，在盡量減少投資成本、節(jié)省能耗、控制生產(chǎn)運(yùn)行成本的同時，更好的指導(dǎo)生產(chǎn)。本文設(shè)計的水處理在線監(jiān)測系統(tǒng)，可用于水處理的各個環(huán)節(jié)，目前該系統(tǒng)己應(yīng)用于秦皇島市自來水有限公司海港水廠，優(yōu)化了水廠水處理方案，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

1在線監(jiān)測系統(tǒng)組成

目前，在線監(jiān)測比較成熟的常規(guī)監(jiān)測項目有：水溫、PH值、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、COD、TOC、氨氮等等。對于水廠來說，由于資金有限、選擇濁度進(jìn)行監(jiān)測。

濁度表示溶于水中的物質(zhì)及懸浮于水中物質(zhì)對光線透過時所發(fā)生的阻礙程度。它的標(biāo)準(zhǔn)單位是l升蒸餾水中含l毫克二氧化硅，叫做1毫克／升(NTU)的渾濁度。濁度是生活飲用水和某些生產(chǎn)用水的重要指標(biāo)之一，國家發(fā)布的《生活飲用水衛(wèi)牛標(biāo)準(zhǔn)》要求飲用水濁度不能超過l。

水廠資金有限，無法在工藝的各個環(huán)節(jié)安裝濁度儀，考慮到對生產(chǎn)的指導(dǎo)意義，先在四閥車間和虹吸車間監(jiān)測經(jīng)過過濾后的水質(zhì)濁度(NTU)。四閥車間有六組濾池，但僅有一臺濁度儀，為每組濾池安裝一條采樣管，濁度儀安裝在下方，利用重力作用讓采樣水自動流到儀器中，在每條采樣管上安裝自動和手動閥門，可以按鈕操作控制采樣哪一組濾池：虹吸車間有三組濾池，也共用一臺濁度儀，利用采樣泵抽取濾后水沿著采樣管為濁度儀供水，用按鈕操作控制采樣哪一組濾池。然后，陸續(xù)又在水廠原水及出廠水處安裝濁度儀。水廠原水來自兩個水源地：石河水庫、桃林口水庫。原水進(jìn)入水廠后，要經(jīng)過蓄水池，水會在蓄水池中存儲2～3小時候才進(jìn)入沉淀池，考慮到原水濁度對加藥量的指導(dǎo)意義，把濁度儀安裝在沉淀池進(jìn)水口，水廠有半流、斜板兩個沉淀池，每個沉淀池進(jìn)水處各安裝一臺濁度儀。

出廠水濁度儀安裝在供水泵房，泵房有六臺清水泵，需要在每臺泵的出水口各安裝一臺濁度儀，考慮到資金問題，共用一臺濁度儀，手動操作取水。

2系統(tǒng)控制方案

2．1系統(tǒng)硬件設(shè)計

水廠在線監(jiān)測系統(tǒng)采用上位機(jī)結(jié)合下位機(jī)PLC的方案。PLC實(shí)質(zhì)上也是一臺計算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與我們常用的微機(jī)相同，即由微處理器(CPU)、存儲器(EPROM、ROM)、輸入輸出(I／O)模塊、外設(shè)i／o接口、電源等組成。各部分通過總線(電源總線、控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線)連接而成。它是以微處理器為核心，綜合了計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)而發(fā)展起來的一種新型、通用的自動控制裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能*、可靠性高、控制功能強(qiáng)、靈活通用、易于編程、使用維護(hù)方便及體積小、功耗低等特點(diǎn)，十分適合用于在線監(jiān)測系統(tǒng)的控制。

水廠在線監(jiān)測系統(tǒng)為安科瑞AcrelEMS管理平臺。水廠監(jiān)控儀表使用APM520系列，為PLC200提供一個4~20mA的電流，經(jīng)過處理后，傳ITechnologyInnovation，／技術(shù)創(chuàng)新輸?shù)缴衔粰C(jī)。

為了避免數(shù)據(jù)由于距離而引起衰減，PLC200系列裝置放在了虹吸車間距濁度儀很近的位置。由于上位機(jī)要放在辦公樓，距虹吸車間有300多米的距離，普通屏蔽電纜無法保證遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，水廠在這段距離上鋪設(shè)了光纖，保證了數(shù)據(jù)實(shí)時準(zhǔn)確傳輸。

3成果分析

3．1對生產(chǎn)指導(dǎo)意義

圖1四閥車間濾后水濁度歷史曲線圖

從歷史曲線看過濾效果，以四閥車間為例，反沖后，濾后水濁度由0．4NTU~jlNTU用時lid'時。若監(jiān)測曲線突然發(fā)生變化，即圖中梯度迅速時，說明濾池濾速變慢，過濾效果變差。需首先考慮沉后水是否發(fā)生變化，原水水質(zhì)是增大否惡化，然后判斷濾池是否出現(xiàn)故障。

根據(jù)歷史曲線調(diào)整反沖水操作時間，以四閥車間為例。反沖后，濁度偏高，此時需打開初濾水閥門(出水閥門處于關(guān)閉狀態(tài))，根據(jù)曲線，當(dāng)濁度降~UINTU時，關(guān)閉初濾水閥門，打開出水閥門，以防止反沖后高濁水進(jìn)入清水池，影響出廠水水質(zhì)。

從監(jiān)測歷史曲線分析水質(zhì)變化與反沖周期，根據(jù)變化周期對四閥車間進(jìn)行反沖洗，在春秋冬三季時，水廠四閥濾池基本保持這種濾速運(yùn)行，當(dāng)夏季水質(zhì)變差時，濾池的工作周期會更短。

3．2經(jīng)濟(jì)效益

自2013年水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)投入使用，至2015年底，在來水相對穩(wěn)定的情況下，各項生產(chǎn)指標(biāo)均有降低，藥耗由8．97降到了3．14，節(jié)約三氯化鐵318．74公斤，每噸三氯化鐵1200元，節(jié)約資金38萬元。原水利用率由97．06％提高~U98％，節(jié)約自用水量636．0381千立方米，原水水價每噸0．79元，節(jié)約資金50萬元，共節(jié)約資金88萬元。

安科瑞電氣針對水廠監(jiān)測推出能效管理解決方案--AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺

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(wù)能效管理平臺通過在污水廠源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)安裝保護(hù)、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(qiáng)度，重點(diǎn)監(jiān)測主要用能設(shè)備能效，保護(hù)污水廠運(yùn)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(xué)、精細(xì)的解決方案。

4.2平臺組成

AcrelEMS智慧水務(wù)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(wù)中壓變配電系統(tǒng)、電氣安全、應(yīng)急電源、能源管理、照明控制、設(shè)備運(yùn)維等，貫穿水務(wù)能源流的始終，幫助運(yùn)維管理人員通過一套平臺、一個APP實(shí)時了解水務(wù)配電系統(tǒng)運(yùn)行狀況，并且根據(jù)權(quán)限可以適用于水務(wù)后勤部門管理需要。

4.3平臺拓?fù)鋱D

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(wù)配電系統(tǒng)中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護(hù)和弧光保護(hù)，實(shí)現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調(diào)等功能，對異常情況及時預(yù)警。

監(jiān)測變壓器、水泵、鼓風(fēng)機(jī)的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數(shù)、負(fù)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(wù)中大量的大功率電機(jī)、水泵變頻啟動導(dǎo)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(biāo)分析其電能質(zhì)量，并配置對應(yīng)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(jī)管理

馬達(dá)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)水務(wù)中電機(jī)的保護(hù)、遙測、遙信、遙控功能，電動機(jī)保護(hù)器能對過載、短路、缺相、漏電等異常情況進(jìn)行保護(hù)、監(jiān)測和報警。高效、準(zhǔn)確地反映出故障狀態(tài)、故障時間、故障地點(diǎn)、及相關(guān)信息，對電機(jī)進(jìn)行健康診斷和預(yù)防性維護(hù)。同時支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)自動或遠(yuǎn)程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設(shè)備,保障正常生產(chǎn)。

4.4.4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(qū)域。

將所有有關(guān)能源的參數(shù)集中在一個看板中，從多個維度對比分析，實(shí)現(xiàn)各個工藝環(huán)節(jié)的能耗對比，幫助領(lǐng)導(dǎo)掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標(biāo)煤排放等的情況。

能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計采集水務(wù)中污水廠、自來水廠、水泵站等的用電、用水、燃?xì)?、冷熱量消耗量，同環(huán)比對比分析，能耗總量和能耗強(qiáng)度計算，標(biāo)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(jìn)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(jìn)行分析，同比、環(huán)比、對標(biāo)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(jìn)行同比和環(huán)比分析，同時將污水的單耗與行業(yè)/先進(jìn)指標(biāo)對標(biāo)，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。

4.4.5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(yīng)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(shí)現(xiàn)自動控制功能，盡量利用自然光照，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)、廠區(qū)照明的智能控制達(dá)到安全、節(jié)能、舒適、高效的目的。

4.6電氣安全

4.6.1電氣火災(zāi)監(jiān)測

監(jiān)測配電系統(tǒng)回路的漏電電流和線纜溫度，實(shí)現(xiàn)對污水廠、自來水廠、水泵站的電氣安全預(yù)警。

4.6.2消防應(yīng)急照明和疏散指示

根據(jù)預(yù)先設(shè)置的應(yīng)急預(yù)案快速啟動疏散方案引導(dǎo)人員疏散。系統(tǒng)接入消防應(yīng)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。

4.6.3消防設(shè)備電源監(jiān)測

監(jiān)測消防設(shè)備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災(zāi)時消防設(shè)備可以正常投入使用。

4.6.4 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(shè)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(shí)時監(jiān)測疏散通道防火門的開啟、關(guān)閉及故障狀態(tài)，顯示終端設(shè)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(dāng)終端設(shè)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。

4.7 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?xì)怏w濃度展示和預(yù)警，保障污水廠、自來水廠、水泵站等安全運(yùn)行。當(dāng)可燃?xì)怏w或有害氣體濃度超標(biāo)可自動啟動排風(fēng)風(fēng)機(jī)或新風(fēng)系統(tǒng)，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。

4.8分布式光伏監(jiān)測

實(shí)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(guān)狀態(tài)，逆變器運(yùn)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(dāng)前發(fā)電功率、累計發(fā)電量進(jìn)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(shí)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(diǎn)位置，各個屋頂?shù)难b機(jī)容量。

4.9工藝仿真監(jiān)控

平臺通過2D、3D方式實(shí)時監(jiān)視粗格柵、污水提升、細(xì)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(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。在格柵清渣機(jī)、污水提升泵、回流泵、曝氣風(fēng)機(jī)、加藥泵、濃縮壓濾機(jī)、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動機(jī)控制柜或低壓饋電柜安裝電動機(jī)保護(hù)，進(jìn)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(hù)、堵轉(zhuǎn)、逆序、溫度等保護(hù)以及外部故障連鎖停機(jī)，與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)自動或遠(yuǎn)程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設(shè)備,保障正常生產(chǎn)。

5.相關(guān)平臺部署硬件選型清單

5.1電力監(jiān)控、電能質(zhì)量、電動機(jī)管理及配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

6.結(jié)束語

系統(tǒng)以安科瑞為核心，通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)水質(zhì)在線監(jiān)測。本系統(tǒng)運(yùn)行可靠，可使水廠及掌握水質(zhì)變化情況，及時對生產(chǎn)進(jìn)行調(diào)整，在指導(dǎo)生產(chǎn)的同時提高了經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]       洪覺民．現(xiàn)代化凈水廠技術(shù)手冊[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013

[2]       陳天華，王辛基于PLC的恒壓變頻工廠供水系統(tǒng)設(shè)計，2013，35(13)：90~95

[3]       安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2022.05版

[4]       吳廣健，李茜，霍霞.在線監(jiān)測系統(tǒng)在供水水廠的應(yīng)用