淺談污水處理廠智慧水務(wù)智能配電能效平臺的設(shè)計及應(yīng)用

任運(yùn)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(yùn)營的前提下響應(yīng)國家提出的節(jié)能降 耗綠色環(huán)保要求，建設(shè)智慧水務(wù)管理平臺逐步成為各污水處理廠信息化建設(shè)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(wù)管理平臺的構(gòu)架和優(yōu)勢。通過智慧水務(wù)管理平臺的實(shí)施，該污水處理廠實(shí)現(xiàn)了廠區(qū)管理的精細(xì)化和智能化，從而提高整體管理水平、降低運(yùn)營成本，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益的提高。

關(guān)鍵詞：污水處理廠務(wù)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(shù)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(yùn)營管理模式已經(jīng)跟不上社會發(fā)展需求。污水處理廠實(shí)現(xiàn)自動化、智慧化、信息化、遠(yuǎn)程監(jiān)控管理已經(jīng)成為必然趨勢，也順應(yīng)國家推廣的“智慧環(huán)保"理念。

1項(xiàng)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(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(biāo)準(zhǔn)》中的二級標(biāo)準(zhǔn)提高到GB18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》B標(biāo)準(zhǔn)，尾水排入渤海灣，改造后設(shè)計處理水量為600m3/天。2017年后出水水質(zhì)指標(biāo)執(zhí)行天津市地方標(biāo)準(zhǔn)DB12/599-2015《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》。

1.2污水系統(tǒng)存在問題及分析

隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)》B標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。在實(shí)現(xiàn)污水廠穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的前提下降低運(yùn)營成本，提高經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益，就需要提高污水廠運(yùn)行管理水平。通過智慧水務(wù)平臺建設(shè)，借助新一代信息化技術(shù)及云計算等處理手段，實(shí)現(xiàn)污水處理廠管理模式的整體優(yōu)化與提升，同時達(dá)到節(jié)能減排的目的。

目前污水處理廠采取“預(yù)處理+生化+深度處理"三級處理工藝，工藝流程如圖1所示。預(yù)處理包括粗格柵、細(xì)格柵、隔油池、調(diào)節(jié)池；二級處理包括兩級A/O生化反應(yīng)池、沉淀池；三級處理包括強(qiáng)化沉淀池、砂濾池和中間水池等。該工藝流程長，設(shè)備儀表多，污水系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)實(shí)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(yàn)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(yīng)滯后、響應(yīng)不及時導(dǎo)致出水水質(zhì)不穩(wěn)定?；谝陨蠁栴}搭建的智慧水務(wù)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(yùn)行效率與管理水平，實(shí)現(xiàn)過程管理的準(zhǔn)確化與精細(xì)化，同時實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗、穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1港區(qū)污水廠工藝流程圖

2智慧平臺總體構(gòu)架

建設(shè)智慧水務(wù)平臺遵循以下原則：選擇目前國內(nèi)領(lǐng)頭的方法、技術(shù)和設(shè)備；選擇成熟的技術(shù)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(wù)平臺具有可擴(kuò)展性；業(yè)務(wù)流程可進(jìn)行靈活設(shè)定和調(diào)整，具有良好可維護(hù)性；系統(tǒng)具有可靠的安全性，能夠合理規(guī)避網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險。

通過智慧水務(wù)平臺的建設(shè)，提升污水處理廠的自控水平，自控系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到污水處理智能化管控能力，實(shí)現(xiàn)對污水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、技術(shù)指導(dǎo)、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(xì)化和智能化，從而提高整體管理水平、降低運(yùn)營成本、提高核心競爭力。

3智慧水務(wù)系統(tǒng)搭建

污水處理廠智慧化管理是在自動化的基礎(chǔ)上，通過對污水水質(zhì)、水量、水壓、及在線儀表的監(jiān)測，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控、分析污水系統(tǒng)運(yùn)行狀況，并實(shí)時傳達(dá)到各相應(yīng)運(yùn)維部門，實(shí)現(xiàn)快速反應(yīng)、科學(xué)決策。智慧化水務(wù)平臺詳細(xì)分析每一個工藝單元功能，找出控制的關(guān)鍵點(diǎn)，通過信息化設(shè)計，搭建智慧化自控平臺。港區(qū)污水廠的自控總體架構(gòu)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(gòu)圖

圖3智慧水務(wù)自控功能系統(tǒng)圖

4功能實(shí)現(xiàn)

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

（1）智慧水務(wù)平臺的搭建能夠?qū)崟r在線監(jiān)控各運(yùn)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(shí)現(xiàn)技術(shù)人員隨時隨地掌控整個系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)狀。

（2）智慧水務(wù)平臺的搭建實(shí)現(xiàn)了整個處理系統(tǒng)中設(shè)備的全生命周期管理，實(shí)時監(jiān)控保證了設(shè)備問題能及時發(fā)現(xiàn)和維修響應(yīng)，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(shí)現(xiàn)任務(wù)執(zhí)行痕跡追溯。

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

（4）智慧水務(wù)平臺的搭建實(shí)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(fēng)機(jī)及加藥系統(tǒng)的信號聯(lián)動管理，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確曝氣的風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)、營養(yǎng)鹽及其他藥劑的準(zhǔn)確控制加藥系統(tǒng)、準(zhǔn)確的污泥齡優(yōu)化及排泥系統(tǒng)等。智慧平臺的建設(shè)實(shí)現(xiàn)了各子系統(tǒng)功能的優(yōu)化，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。例如，通過智慧平臺對進(jìn)水TN、TP及COD等數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)控，利用模型的分析計算實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)鹽加藥量的準(zhǔn)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(yùn)行。

（5）智慧水務(wù)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(wù)，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(shè)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(diǎn)等功能，實(shí)現(xiàn)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(xiàn)了設(shè)備的全生命周期管理，包括設(shè)備檔案、設(shè)備維修、設(shè)備保養(yǎng)都可通過智慧平臺快速獲取相關(guān)數(shù)據(jù)和信息

（7）智慧水務(wù)平臺的搭建可實(shí)現(xiàn)污水廠員工的考勤及績效管理，領(lǐng)導(dǎo)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(wù)平臺提供了包括安全檢查、安全培訓(xùn)、應(yīng)急事件、安全文檔等一整套安全管理體系，實(shí)現(xiàn)了對整個污水廠的智能化安全管理。

（9）智慧水務(wù)平臺的移動App可實(shí)現(xiàn)污水廠運(yùn)營管控的大部分功能，App端生產(chǎn)人員通過視頻通話+增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)標(biāo)記的方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程求助技術(shù)支持。通過圖像識別和AR技術(shù)對污水廠主要實(shí)景設(shè)備和工藝節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息疊加（如設(shè)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(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，監(jiān)測主要用能設(shè)備能效，保護(hù)污水廠運(yùn)行可靠，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。

5.2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。

5.3平臺拓?fù)鋱D

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(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、異常警報等數(shù)據(jù)。

5.4.2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。

5.4.3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)測和警報。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)。

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)/國家指標(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。

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(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)能的目的。

5.4.6電氣安全

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。

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。

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?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。

5.4.8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。

5.4.9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)。

6 相關(guān)平臺部署硬件選型清單

7結(jié)語

搭建智慧水務(wù)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(yùn)營成本等方面具有較大優(yōu)勢。污水廠的儀表實(shí)時監(jiān)控數(shù)據(jù)、化驗(yàn)數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行實(shí)時狀態(tài)及視頻監(jiān)控實(shí)時采集并上傳至智慧水務(wù)平臺，借助大數(shù)據(jù)技術(shù)、先進(jìn)的計算機(jī)與通信技術(shù)，可實(shí)時掌握污水廠生產(chǎn)運(yùn)營實(shí)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(qiáng)了整個污水系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，同時實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗的綠色環(huán)保目標(biāo)。項(xiàng)目實(shí)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(jì)效益和社會效益。

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作者簡介：

任運(yùn)業(yè)，男，安科瑞電氣股份有限公司。