陳衛(wèi)紅，薄迎春

(中國(guó)石油大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266580)

油田污水處理監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳衛(wèi)紅，薄迎春

(中國(guó)石油大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266580)

針對(duì)老油田在開(kāi)發(fā)過(guò)程中含水量的增加，日產(chǎn)含油污水量增大，造成土壤、地面水體的污染日趨嚴(yán)重的趨勢(shì)，油田污水的二次處理越加得到重視。根據(jù)油田污水處理的過(guò)程和特點(diǎn)， 設(shè)計(jì)了1套基于工控軟件的油田污水處理監(jiān)控系統(tǒng)， 對(duì)污水處理過(guò)程中的重要參數(shù)進(jìn)行了監(jiān)控，并對(duì)其中重要的加藥部分進(jìn)行了控制方法的研究，提高了污水處理質(zhì)量。

污水處理 監(jiān)控系統(tǒng) 控制策略 模糊控制

近年來(lái)，隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們?cè)絹?lái)越深刻地認(rèn)識(shí)到，環(huán)境保護(hù)對(duì)于人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展的重要性。中國(guó)也把環(huán)境保護(hù)作為一項(xiàng)長(zhǎng)期的基本國(guó)策，不斷加大環(huán)保治理的力度，提高環(huán)保水平。目前，國(guó)內(nèi)油田的開(kāi)采大都處于注水開(kāi)采期，不但開(kāi)采時(shí)需要大量的水，而且會(huì)產(chǎn)生大量成分復(fù)雜的剩余含油污水，造成地層里的水大量流失，也給后期的石油煉制造成了很大的困難，所以必須對(duì)油中的污水進(jìn)行特殊的處理，使處理后的水回注地層以補(bǔ)充、平衡地層壓力。前期老油田對(duì)污水的處理基本上是采用加石灰工藝的方法手動(dòng)控制處理，很難達(dá)到指標(biāo)。為此結(jié)合勝利油田濱南采油廠的實(shí)際情況，筆者開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了1套油田污水處理監(jiān)控系統(tǒng)，在提高油田污水處理效果的同時(shí)，也提高了污水處理的現(xiàn)代化管理水平。

1 污水處理監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 油田污水處理工藝流程[1-2]

采油污水處理通常采用物化法，大量的污水通過(guò)主污水管道進(jìn)入污水處理廠的總污水儲(chǔ)油罐，通過(guò)儀表檢測(cè)來(lái)水的總量以便后續(xù)處理，從總儲(chǔ)油罐送出的污水進(jìn)入其他儲(chǔ)油罐，根據(jù)其成分進(jìn)行多步驟的物理和化學(xué)處理，處理完的污水合格后再通過(guò)外輸管道送出，使污水再次得到利用。

結(jié)合油田污水處理廠的實(shí)際情況，利用組態(tài)王工控軟件所繪制的污水監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)工藝流程如圖1所示。圖中清楚地標(biāo)出了污水處理廠的各處理設(shè)備的擺放、名稱(chēng)、數(shù)量、管道的連接，各種參數(shù)如液位、流量、壓力、加入的藥劑量、處理后污水的pH值等顯示一目了然。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[2-4]

污水處理監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)中心、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控工作站、現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程測(cè)控系統(tǒng)等構(gòu)成。監(jiān)測(cè)中心通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站連接，將整個(gè)廠區(qū)各現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站的重要參數(shù)和數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、存檔及綜合分析，實(shí)現(xiàn)任務(wù)優(yōu)化組合調(diào)配?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控工作站主要是給用戶提供一個(gè)可視化的污水處理操作管理平臺(tái)， 提供了污水處理的工藝流程圖、罐區(qū)示意圖、泵狀態(tài)、參數(shù)總貌、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線、控制臺(tái)、控制監(jiān)測(cè)、監(jiān)測(cè)報(bào)警、自動(dòng)報(bào)表、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)、零點(diǎn)矯正等圖形和操作功能?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)主要由ADAM-5000工控模塊和安全柵組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集、模擬轉(zhuǎn)換、模擬輸出、上傳數(shù)據(jù)及接收現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站的生產(chǎn)指令等， 完成對(duì)油田污水處理過(guò)程的自動(dòng)測(cè)量與控制。整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 污水處理廠流程示意

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意

該結(jié)構(gòu)是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，其中工控模塊ADAM-5000系列擔(dān)當(dāng)了重要角色，系統(tǒng)通過(guò)模塊對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換、輸出，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。

1.3 系統(tǒng)的功能與特點(diǎn)

1) 系統(tǒng)可以直接通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站各功能窗口了解到各子系統(tǒng)的工作狀態(tài)，可根據(jù)污水性質(zhì)的變化實(shí)時(shí)地調(diào)整相應(yīng)的工藝參數(shù)，不僅方便了技術(shù)人員操作，同時(shí)也進(jìn)一步提高了污水處理的質(zhì)量。

2) 在設(shè)計(jì)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，對(duì)一切可能出現(xiàn)的問(wèn)題筆者在系統(tǒng)中設(shè)置了應(yīng)對(duì)措施預(yù)案，自動(dòng)處理相關(guān)問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的可靠性。

3) 加強(qiáng)了抗干擾能力設(shè)計(jì)，部分采用了冗余設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4) 自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于要控制的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，無(wú)需工作人員現(xiàn)場(chǎng)考察，其現(xiàn)場(chǎng)的儀表狀態(tài)及加藥系統(tǒng)的工作狀態(tài)在控制室里一目了然。

5) 監(jiān)控系統(tǒng)具有多數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄、顯示功能，對(duì)歷史數(shù)據(jù)作了濃縮處理，可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站各功能窗口直接查詢、顯示或打印任何時(shí)刻的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

6) 通過(guò)現(xiàn)代化的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享，并可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到上級(jí)主管部門(mén)的監(jiān)控系統(tǒng)，便于職能部門(mén)實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況，做出正確決策。

2 污水處理監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)[5-7]

污水處理監(jiān)控系統(tǒng)軟件系統(tǒng)采用組態(tài)王工控軟件開(kāi)發(fā)，根據(jù)需要繪制了工程流程圖、罐區(qū)示意、泵狀態(tài)、參數(shù)總貌、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線、控制臺(tái)、控制監(jiān)測(cè)、零點(diǎn)矯正、報(bào)警、報(bào)表、參數(shù)設(shè)置等畫(huà)面。畫(huà)面是用戶用來(lái)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行人機(jī)交互、監(jiān)視控制系統(tǒng)狀況、進(jìn)行生產(chǎn)操作、輸入控制命令的人機(jī)界面，通過(guò)該畫(huà)面，能夠讓操作人員形象、直觀、正確地掌握整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，及時(shí)方便發(fā)出自己的操作命令。通過(guò)這些運(yùn)行畫(huà)面為用戶提供了數(shù)據(jù)采集與處理、畫(huà)面設(shè)計(jì)、動(dòng)畫(huà)顯示、報(bào)表輸出、報(bào)警處理、流程控制等功能，對(duì)整個(gè)污水處理工作狀況實(shí)現(xiàn)了全方位實(shí)時(shí)監(jiān)控。

泵工作狀態(tài)畫(huà)面各參數(shù)反映了各加藥泵的工作狀態(tài)，如各泵污水流量、工作頻率、控制量等。通過(guò)對(duì)加藥撬塊各泵變頻器工作頻率的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了藥劑加藥量的自動(dòng)控制，大幅提高了污水處理質(zhì)量。控制操作臺(tái)畫(huà)面既有重要參數(shù)顯示窗口，也有各種不同的功能按鈕菜單，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)登錄、配置用戶、時(shí)間設(shè)置、參數(shù)修正、打印報(bào)表、手/自動(dòng)切換控制、關(guān)閉/打開(kāi)窗口、系統(tǒng)退出、關(guān)閉計(jì)算機(jī)等功能。

3 污水處理控制方法研究

隨著設(shè)備和工藝的不斷完善，用于污水處理控制方法也在不斷更新。目前油田的污水處理方法基本上有三種： 通過(guò)監(jiān)測(cè)污水的pH值；通過(guò)檢測(cè)接收罐和緩沖罐的液位；通過(guò)檢測(cè)提升泵污水流量。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)比較，筆者采用綜合控制策略。由于污水流量的變化對(duì)污水處理藥劑量的添加產(chǎn)生很大的影響，因而先對(duì)接收罐的液位和提升泵的污水流量進(jìn)行聯(lián)鎖控制，盡量使污水流量保持穩(wěn)定。去除水中雜質(zhì)的藥劑和凈化污水藥劑的控制采用開(kāi)環(huán)控制，以接收罐的液位高度和提升泵的污水流量為依據(jù)，采用專(zhuān)家控制算法控制加藥泵的變頻器頻率改變加藥量，其中的各參數(shù)由操作人員根據(jù)規(guī)程和經(jīng)驗(yàn)精心調(diào)試即可設(shè)定，控制過(guò)程中可根據(jù)實(shí)際情況作在線微調(diào)，經(jīng)過(guò)實(shí)踐完全可以達(dá)到要求。由于污水pH值對(duì)污水水質(zhì)影響較大，必須使其在允許范圍內(nèi)，才能保證處理的污水達(dá)標(biāo)，因而pH值控制采用閉環(huán)自動(dòng)控制，精確控制加藥泵的藥劑量，以期達(dá)到較好的效果[8-9]。

3.1 pH值控制策略[10-11]

該項(xiàng)目主要是針對(duì)油田開(kāi)采污水處理，由于油田污水所含雜質(zhì)成分較為復(fù)雜，且化學(xué)成分較多，因而污水處理過(guò)程較為復(fù)雜。整個(gè)處理系統(tǒng)屬于典型的非線性滯后系統(tǒng)，該系統(tǒng)的精確對(duì)象數(shù)學(xué)模型難以獲得。PID控制器是過(guò)程控制系統(tǒng)中最常用、最成熟、應(yīng)用最廣泛的調(diào)節(jié)器，由于對(duì)象的非線性、滯后性，運(yùn)用PID控制效果不理想。模糊控制器不依賴(lài)過(guò)程控制的精確數(shù)學(xué)模型，采用人工智能的方式，吸收人工控制的操作經(jīng)驗(yàn)，依據(jù)一些推理規(guī)則，將日常生活中的自然語(yǔ)言能夠直接轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)所能接受的算法語(yǔ)言決定控制決策；調(diào)整控制器中各參數(shù)，可大幅提高非線性滯后系統(tǒng)控制精度和可靠性。綜合比較以上三種控制策略，確定該污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)pH值加藥部分采用模糊控制策略。

3.2 模糊控制器的實(shí)現(xiàn)

在污水綜合處理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，針對(duì)pH值加藥部分設(shè)計(jì)了“雙入單出”模糊控制器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 模糊控制器結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)污水處理過(guò)程中pH值的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)和系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，得出的控制規(guī)則見(jiàn)表1所列。選取控制量變化的原則： 在開(kāi)始階段誤差較大時(shí)，控制作用以快速減小誤差為主，操作幅度較大；當(dāng)誤差適中時(shí)，控制作用以抑制超調(diào)為主；當(dāng)誤差很小時(shí)，輸出與給定值接近，控制作用以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主，操作較弱。

表1 控制規(guī)則

在pH值加藥系統(tǒng)模糊控制過(guò)程中，只要選擇適當(dāng)?shù)牟蓸又芷诤土炕蜃?，可使系統(tǒng)獲得較好的性能指標(biāo)，提高了系統(tǒng)的可靠性和智能化程度，是一種較理想的控制方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

油田污水處理自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，目前在勝利油田的濱南采油廠得到了很好的應(yīng)用，系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來(lái)，運(yùn)行狀況良好，性能穩(wěn)定，使用便捷，各項(xiàng)污水治理指標(biāo)穩(wěn)定合格。污水監(jiān)控系統(tǒng)加藥部分實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，節(jié)省了人力、物力、財(cái)力，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益雙豐收。

[1] 張文.油田污水處理技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].油氣地質(zhì)與采收率，2010，17(02)： 108-109.

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Design of Monitoring System for Oilfield Sewage Treatment

Chen Weihong， Bo Yingchun

(Information and Control Engineering，China University of Petroleum，Qingdao，266580，China)

With the development of old oil fields， water control and daily oily wastewater output are increasing，causing more and more serious pollution to soil and surface water. Secondary treatment for oilfield sewage is attached more and more importance. According to the process and characteristics of oilfield sewage， a set of oilfield sewage treatment monitoring system based on industrial control software is designed. The important parameters in sewage treatment process are monitored. The control method of important material dosing section is studied. The quality of treated sewage is improved.

sewage treatment； monitoring system； control strategy； fuzzy control

陳衛(wèi)紅(1967—)，男，湖北武穴人，1988年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)機(jī)電工程專(zhuān)業(yè)，研究方向： 自動(dòng)控制與測(cè)控類(lèi)實(shí)踐教學(xué)理論、方法探索，大型精密儀器開(kāi)發(fā)使用與維護(hù)等，任高級(jí)實(shí)驗(yàn)師。

TP277

B

1007-7324(2015)01-0036-03

稿件收到日期： 2014-09-29，修改稿收到日期： 2014-12-06。