梁武科，李其昌，丁 科，鄧常亮

(1.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048；2.國(guó)家電投集團(tuán)重慶獅子灘發(fā)電有限公司，重慶市 401220)

0 引 言

隨著城市化進(jìn)程的加快、城市人口的增加、生活用水量的增加以及工業(yè)的蓬勃發(fā)展，產(chǎn)生的污水也在逐漸增加[1]。城市生產(chǎn)、生活用水及市區(qū)天然降水經(jīng)污水處理廠(chǎng)集中收集并凈化處理達(dá)標(biāo)后直接排入就近江河，排放的凈水具有一定的勢(shì)能和動(dòng)能，直接排放存在一定的資源浪費(fèi)；可以充分利用污水處理站排放的凈水落差，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的節(jié)能回收裝置，對(duì)這部分能量進(jìn)行回收利用發(fā)電；將回收電能直接用于污水處理廠(chǎng)日常消耗，可降低能耗，實(shí)現(xiàn)能源再次利用[2]。對(duì)污水處理廠(chǎng)排放凈水進(jìn)行節(jié)能回收，充分響應(yīng)了國(guó)家對(duì)凈水資源再利用的政策和節(jié)能減排政策，同時(shí)還可創(chuàng)造可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益。

本文設(shè)計(jì)出一種凈水余壓發(fā)電設(shè)備耦合控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的核心基于PLC控制器。PLC控制器具有高度的穩(wěn)定性和可靠性，被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，不但能實(shí)現(xiàn)各種邏輯控制，還能用于運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)處理和通信等[3_5]。只需在凈水排放管道中安裝能量回收裝置(水輪機(jī)發(fā)電機(jī))，通過(guò)控制系統(tǒng)可以在不影響污水處理廠(chǎng)正常運(yùn)行條件下，根據(jù)污水處理排放流量變化，手動(dòng)或者自動(dòng)控制電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)回收利用裝置，利用排放凈水進(jìn)行發(fā)電；同時(shí)對(duì)機(jī)組各參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，記錄設(shè)備和系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)捕捉設(shè)備故障或異常信號(hào)，并及時(shí)采取措施，提高污水處理廠(chǎng)凈水余壓發(fā)電裝置的安全性和可靠性，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制無(wú)人值守的目標(biāo)；既滿(mǎn)足環(huán)境要求，又經(jīng)濟(jì)高效，并可將整體模式推廣到全國(guó)。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由兩部分組成：污水處理廠(chǎng)凈水余壓發(fā)電裝置及其耦合的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示，包含2條管道：主管道(主管道為污水處理廠(chǎng)凈水排放原始管道)和旁通管道(旁通管道為污水處理廠(chǎng)凈水余壓發(fā)電裝置安裝管道)。進(jìn)水管入口處設(shè)置有壓力表和流量表，計(jì)量管道流體壓力及流量。旁通管的另一端通過(guò)能量回收裝置與出水管道的一端連接，能量回收裝置前后端安裝有進(jìn)口伸縮節(jié)。主管路內(nèi)設(shè)置有主管路電動(dòng)閥門(mén)，旁通管內(nèi)設(shè)置有設(shè)備進(jìn)口電動(dòng)閥門(mén)和設(shè)備出口電動(dòng)閥。壓力表、流量表、主管路電動(dòng)閥門(mén)、設(shè)備進(jìn)口電動(dòng)閥門(mén)、設(shè)備出口電動(dòng)閥和能量回收裝置開(kāi)關(guān)均與控制系統(tǒng)主控單元連接。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

節(jié)能回收利用裝置在運(yùn)行工況條件下滿(mǎn)足如下可靠性指標(biāo)要求：裝置可在各凈水量下保證相應(yīng)出力；裝置啟停過(guò)程不會(huì)對(duì)污水處理站凈水排放造成影響；節(jié)能回收利用裝置能適應(yīng)每月每臺(tái)機(jī)開(kāi)停機(jī)次數(shù)平均60次的要求；能量回收利用裝置機(jī)組外殼1 m處噪聲不大于85 dB；節(jié)能回收利用裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足電站按地震烈度7度設(shè)防的要求；節(jié)能回收利用裝置采用臥式安裝，可抽芯結(jié)構(gòu)，由推力軸承組承載軸向力，裝置本體設(shè)置在線(xiàn)溫度與滲漏監(jiān)測(cè)傳感器。

2 余壓發(fā)電裝置總體結(jié)構(gòu)

余壓發(fā)電裝置將潛水電機(jī)技術(shù)與燈泡貫流式水力技術(shù)相融合，安裝方式為管道臥式安裝。該裝置利用濕定子型潛水電機(jī)技術(shù)，克服了傳統(tǒng)燈泡貫流式冷卻、散熱、密封等難題；裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固，負(fù)荷控制簡(jiǎn)單，運(yùn)行維護(hù)方便。

余壓發(fā)電能量回收裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整體部分由發(fā)電機(jī)、水輪機(jī)組成。水輪機(jī)由導(dǎo)葉體、轉(zhuǎn)輪體、轉(zhuǎn)輪、泄水錐、擴(kuò)散段等組成，轉(zhuǎn)輪采用定槳定導(dǎo)葉形式。發(fā)電機(jī)為臥軸三相異步發(fā)電機(jī)，采用干定子全水冷卻方式，不設(shè)勵(lì)磁系統(tǒng)；是利用定子與轉(zhuǎn)子間氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電流相互作用的一種交流發(fā)電機(jī)，不需要?jiǎng)?lì)磁、集電環(huán)碳刷及上網(wǎng)同期裝置。裝置內(nèi)部同時(shí)還需要安裝漏水檢測(cè)、溫濕度傳感器、壓力傳感器等電氣元件，可以及時(shí)對(duì)設(shè)備運(yùn)行的狀況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，詳見(jiàn)圖2。

圖2 裝置真機(jī)圖

3 耦合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本次設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)為：在 PLC耦合系統(tǒng)控制下裝置能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)組自動(dòng)啟停機(jī)；自動(dòng)并網(wǎng)、解列；保證機(jī)組的常規(guī)保護(hù)，在故障時(shí)能夠及時(shí)報(bào)警；事故情況下能夠緊急停機(jī)等功能；最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制無(wú)人值守的目標(biāo)。

3.2 系統(tǒng)組成

凈水節(jié)能回收利用系統(tǒng)主要由8個(gè)子系統(tǒng)組成，詳見(jiàn)圖3。通過(guò)系統(tǒng)集成方式將各子系統(tǒng)集成為一體，最終形成1套完整的凈水節(jié)能回收利用控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)主要元件包括：可編程控制器PLC、觸摸屏、市電EPS電源、轉(zhuǎn)速溫度滲漏監(jiān)測(cè)裝置、直流斷路器等。

圖3 凈水節(jié)能回收利用系統(tǒng)總圖

控制器選用可編程邏輯控制器(PLC)為基層控制核心，根據(jù)自帶的輸入輸出模塊進(jìn)行電源控制；根據(jù)上位機(jī)的通訊控制命令進(jìn)行繼電器控制，接通不同的母線(xiàn)使其實(shí)現(xiàn)短接功能或負(fù)載功能，能夠在規(guī)定的額定電流范圍內(nèi)帶載情況下斷開(kāi)控制回路。PLC控制器基本參數(shù)為編程語(yǔ)言：LAD，F(xiàn)BD，STL，SCL，GRAPH；額定電源電壓：DC24 V(DC 19.2～28.8 V)；典型功耗：5.6 W；中央機(jī)架最大模塊數(shù)量：64；分布式I/O模塊：可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接；硬件接口類(lèi)型及速率：RJ45 100 Mbps。電源系統(tǒng)主要為整個(gè)系統(tǒng)提供電源輸入，輸入輸出為AC380 V。配置EPS應(yīng)急電源，當(dāng)系統(tǒng)斷電時(shí)，可提供10 min的電能供系統(tǒng)操作。

顯示部分主要由10寸觸摸屏組成，作為系統(tǒng)的人機(jī)交互部分，可顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，配合按鈕開(kāi)關(guān)完成系統(tǒng)手動(dòng)操作。機(jī)組監(jiān)測(cè)主要為機(jī)組的轉(zhuǎn)速、溫度、滲漏狀態(tài)提供監(jiān)測(cè)信號(hào)。采用TDS—0800型溫度巡檢儀，共有8路信號(hào)輸入，交流電源供電，具有雙上、下限開(kāi)關(guān)量報(bào)警輸出和RS485通訊接口，可將現(xiàn)地設(shè)備的溫度傳感器信號(hào)通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)。

轉(zhuǎn)速信號(hào)裝置采用TDS—4339型數(shù)字轉(zhuǎn)速信號(hào)測(cè)控裝置，該裝置是以適合工業(yè)自動(dòng)化控制的單片機(jī)及相應(yīng)的外圍芯片構(gòu)成，專(zhuān)為水力發(fā)電廠(chǎng)而設(shè)計(jì)，適應(yīng)電渦流傳感器、磁電、磁阻傳感器，是用于測(cè)控發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速百分比、頻率的工業(yè)智能儀表。

裝置漏水監(jiān)測(cè)采用水極開(kāi)關(guān)傳感器監(jiān)測(cè)，包括電機(jī)內(nèi)進(jìn)水電極、接線(xiàn)盒內(nèi)浮子開(kāi)關(guān)，傳感器將檢測(cè)到的信號(hào)傳給智能控制器，當(dāng)裝置內(nèi)進(jìn)水、接線(xiàn)盒內(nèi)進(jìn)水，智能控制具有報(bào)警顯示功能。

閥門(mén)監(jiān)控部分采集閥門(mén)的位置信號(hào)并控制閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉操作。信號(hào)采集部分主要采集水位、壓力、流量及電量。圖4為系統(tǒng)控制框圖，系統(tǒng)控制部分包含斷路器和接觸器，相互配合工作控制與電網(wǎng)的投切。系統(tǒng)保護(hù)包括軟并網(wǎng)裝置、電機(jī)保護(hù)器裝置和逆功率保護(hù)裝置，作為整個(gè)系統(tǒng)的電力保護(hù)，整個(gè)控制系統(tǒng)主接線(xiàn)圖如圖5所示。

圖4 控制框圖

圖5 系統(tǒng)主接線(xiàn)圖

3.3 控制系統(tǒng)的主要功能

控制系統(tǒng)包含1套獨(dú)立的PLC系統(tǒng)、測(cè)量?jī)x表及通訊網(wǎng)絡(luò)，可完成機(jī)組的監(jiān)控?，F(xiàn)場(chǎng)控制元件、輸入輸出元件安裝于控制柜內(nèi)，配置工程師站主機(jī)及組態(tài)軟件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制功能。監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能如下：

3.4 控制系統(tǒng)工作方式

在并網(wǎng)柜上有現(xiàn)地及遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)，可通過(guò)此開(kāi)關(guān)來(lái)切換控制系統(tǒng)的兩種工作模式：模式一是手動(dòng)工作模式，模式二是控制單元自動(dòng)控制工作模式。控制系統(tǒng)既可以自動(dòng)控制電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)通與關(guān)閉，也可以手動(dòng)開(kāi)通或關(guān)閉電動(dòng)閥門(mén)；保證了整個(gè)能量回收裝置系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行，簡(jiǎn)化了工作流程，也提高了工作效率。

3.4.1 手動(dòng)切換模式

手動(dòng)工作模式是指當(dāng)污水處理廠(chǎng)凈水排放流量滿(mǎn)足裝置最小發(fā)電流量時(shí)，手動(dòng)開(kāi)啟裝置進(jìn)口電動(dòng)閥門(mén)，關(guān)閉主管路電動(dòng)閥門(mén)；當(dāng)水頭達(dá)到裝置最小利用水頭時(shí)，手動(dòng)開(kāi)啟節(jié)能回收利用裝置，手動(dòng)打開(kāi)裝置出口電動(dòng)閥門(mén)；通過(guò)手動(dòng)操作，讓節(jié)能回收利用裝置整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行在旁通管道中。在觸摸屏上可手動(dòng)操作控制閥門(mén)動(dòng)作，詳見(jiàn)圖6。

圖6 觸摸屏展示圖

手動(dòng)工作模式操作流程：

3.4.2 自動(dòng)控制模式

自動(dòng)控制模式是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行在設(shè)定的程序下，不需要人為干預(yù)，系統(tǒng)能夠根據(jù)凈水排放流量自動(dòng)切換主管路與旁通管電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉。當(dāng)前池水位滿(mǎn)足要求且主管路流量計(jì)檢測(cè)到流量數(shù)據(jù)達(dá)到裝置最小利用流量并持續(xù)一段時(shí)間，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整旁通管道進(jìn)水閥門(mén)至全開(kāi)，調(diào)整主管路電動(dòng)閥門(mén)使水頭穩(wěn)定在運(yùn)行水頭，開(kāi)啟旁通管道出口電動(dòng)閥門(mén)至空載開(kāi)度。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到并網(wǎng)要求時(shí)，啟動(dòng)并網(wǎng)程序，自動(dòng)并網(wǎng)。并網(wǎng)完成后，根據(jù)主管道流量計(jì)、旁通管道流量計(jì)及壓力表自動(dòng)調(diào)整旁通管道出口電動(dòng)閥和主管道電動(dòng)閥門(mén)開(kāi)度，調(diào)整機(jī)組出力及凈水排放。

當(dāng)前池水位不滿(mǎn)足要求且主管路流量計(jì)檢測(cè)到流量數(shù)據(jù)小于裝置最小利用流量時(shí)，機(jī)組自動(dòng)停機(jī)；等待下一次前池水位滿(mǎn)足要求且主管路流量計(jì)檢測(cè)到流量數(shù)據(jù)達(dá)到裝置最小利用流量并持續(xù)一段時(shí)間，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)機(jī)運(yùn)行。當(dāng)前池水位和主管路流量計(jì)檢測(cè)到流量數(shù)據(jù)滿(mǎn)足要求機(jī)組自動(dòng)開(kāi)啟后，機(jī)組在該流量狀態(tài)下能穩(wěn)定運(yùn)行輸出最大功率，通過(guò)變流器輸入至電網(wǎng)。當(dāng)進(jìn)水流量不滿(mǎn)足設(shè)定數(shù)據(jù)時(shí)，變流器工作使機(jī)組與電網(wǎng)解列，控制閥門(mén)動(dòng)作使機(jī)組停機(jī)。

自動(dòng)控制模式提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)在無(wú)需人工干預(yù)下能夠自動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)定的運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)工作，詳見(jiàn)圖7。

圖7 系統(tǒng)監(jiān)控展示圖

在自動(dòng)模式下運(yùn)行時(shí)，若需要人為停機(jī)(檢修、河道水位高漲淹沒(méi)機(jī)坑或其他情況)時(shí)，在調(diào)試界面操作右上角的停機(jī)按鈕(按壓約3 s左右)，機(jī)組可在自動(dòng)模式下正常停機(jī)。停機(jī)完成后切換并網(wǎng)柜面板手/自動(dòng)旋鈕開(kāi)關(guān)至手動(dòng)位置，待檢修完成后切至自動(dòng)狀態(tài)，機(jī)組自動(dòng)運(yùn)行。

兩種工作模式保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，即使其中某一工作模式失效，系統(tǒng)能夠迅速切換至另一模式，不會(huì)使系統(tǒng)處于非控制狀態(tài)。

控制系統(tǒng)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)可以不安排運(yùn)行人員，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)的流量數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定的開(kāi)停機(jī)數(shù)據(jù)自動(dòng)啟停機(jī)組，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守安全穩(wěn)定運(yùn)行的目標(biāo)。

4 結(jié) 論

以PLC為控制中心設(shè)計(jì)了污水處理站凈水余壓發(fā)電裝置耦合的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠根據(jù)污水處理排放流量變化自適應(yīng)地控制電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)回收利用裝置，調(diào)整機(jī)組出力及凈水排放，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守遠(yuǎn)程操控的目標(biāo)，提高了污水處理站能量利用率，降低了電站損耗。