譚蓮香

(四機(jī)賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司，湖北 荊州 434100)

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含油污泥處理測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

譚蓮香

(四機(jī)賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司，湖北 荊州 434100)

含油污泥處理一直是困擾各大油田的一個(gè)技術(shù)難題。針對(duì)這一技術(shù)難題，提出基于物理法和化學(xué)法相結(jié)合的含油污泥處理方法并給出相應(yīng)的工藝流程。在此基礎(chǔ)上，著重研究含油污泥處理測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，給出詳盡的測(cè)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和基于dsPIC30F4013單片微機(jī)的控制器硬件設(shè)計(jì)。在深入分析含油污泥處理工藝流程的穩(wěn)流控制原理及化學(xué)藥劑添加量的測(cè)控原理基礎(chǔ)上，提出基于3段磁滯回線的穩(wěn)流控制方法及基于比值控制與閉環(huán)反饋控制相結(jié)合的化學(xué)藥劑添加量控制方法，并給出具體控制算法。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證,所設(shè)計(jì)的測(cè)控系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝流程及相應(yīng)參數(shù)的穩(wěn)定控制。

測(cè)控系統(tǒng)；含油污泥處理；穩(wěn)流控制；加藥控制；dsPIC30F4013單片機(jī)

在原油的開(kāi)采過(guò)程中，隨著地層中含泥、砂的采出液進(jìn)入地面，在地面沉積形成含油污泥。含油污泥通常具有粘度大、顆粒細(xì)、含油量高且脫水難等特性，若不加以處理而直接排放將會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染[1]。隨著人們環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)以及國(guó)家在環(huán)保方面相關(guān)政策的實(shí)施，各油田近年來(lái)日益重視對(duì)含油污泥的凈化處理和回收利用。筆者主要針對(duì)基于化學(xué)法和物理法相結(jié)合的含油污泥處理工藝流程，研究關(guān)鍵工藝參數(shù)的測(cè)控方法及相應(yīng)的測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1　含油污泥處理工藝流程

圖1　污泥處理工藝流程圖

含油污泥中有大量的泥沙、腐殖類、絮體等雜質(zhì)，組成成分相對(duì)復(fù)雜。因此，提出基于化學(xué)法和物理法相結(jié)合的含油污泥處理工藝，具體的污泥處理工藝流程如圖1所示。在污泥處理過(guò)程中，先把一定量的濾后水注入到藥劑罐中，隨后按照化學(xué)配比要求加入相應(yīng)化學(xué)劑；在罐體中化學(xué)劑與濾后水混合，并進(jìn)行加熱和攪拌配置成化學(xué)藥劑，通過(guò)藥劑輸送泵把配比好的藥劑輸送到油泥反應(yīng)罐中；油泥通過(guò)油泥提升泵加打到油泥反應(yīng)罐，與反應(yīng)罐中的藥劑攪拌加熱，混合均勻后，將油泥水混合物通過(guò)油泥水輸送泵送至分離罐中。靜置一段時(shí)間，使油、泥、水3種介質(zhì)通過(guò)物理沉淀進(jìn)行分層處理；其中油位于最上端，水位于中間，最下端的是泥[2]。通過(guò)控制泥水出料泵的閥門(mén)開(kāi)關(guān)把泥水從罐底輸送到泥水緩沖罐中；泥水緩沖罐中的泥水通過(guò)研磨循環(huán)泵打到污泥研磨機(jī)中，把泥水研磨細(xì)膩，然后去注聚系統(tǒng)，回注地下。當(dāng)泥水輸出完之后，關(guān)閉泥水閥門(mén)，打開(kāi)污油輸出閥門(mén)把污油輸送到油回收罐中，經(jīng)由污油回收泵打到閉罐中。藥劑罐、油泥反應(yīng)罐、油泥水分離罐和油回收罐外壁由導(dǎo)熱油循環(huán)加熱，以便促進(jìn)油、水、泥的熱解、分離[3]。

2　含油污泥處理測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2　測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

含油污泥處理測(cè)控系統(tǒng)由專用控制器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(上位機(jī))、電氣控制柜、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。上位機(jī)(IPC)主要是給用戶提供一個(gè)可視化的人/機(jī)交互操作與生產(chǎn)管理平臺(tái)，用以顯示工藝流程及相關(guān)工藝參數(shù)，保存工藝參數(shù)并生成生產(chǎn)報(bào)表，設(shè)定相應(yīng)控制參數(shù)并生成相應(yīng)控制指令下傳給專用控制器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。專用控制器完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集并上傳給上位機(jī)；同時(shí)，接收管理級(jí)上位機(jī)(IPC)下傳的生產(chǎn)指令，產(chǎn)生相應(yīng)控制信號(hào)，輸出控制相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的直接自動(dòng)控制。電氣控制柜為測(cè)控系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表以及提升泵、研磨機(jī)、電磁閥等現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供電源。測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

專用控制器的硬件電路主要由dsPIC30F4013單片機(jī)、數(shù)字I/O模塊、模擬I/O模塊、通訊單元等組成，具體硬件電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中dsPIC30F4013單片機(jī)是系統(tǒng)的核心，所有現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)都在此交匯。該單片機(jī)內(nèi)部集成有13通道12位的A/D轉(zhuǎn)換模塊、4通道12位脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)輸出模塊、2路通用串行UART通訊接口模塊以及開(kāi)關(guān)量輸入、輸出接口模塊等豐富的硬件資源[4]。系統(tǒng)檢測(cè)的信號(hào)包括有流量、液位、壓力、溫度等10路模擬量信號(hào)?？刂戚敵鲂盘?hào)有2路基于脈寬調(diào)制(PWM)的模擬量信號(hào)用以控制提升泵和加藥泵的變頻器頻率，10路開(kāi)關(guān)量信號(hào)用以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各類泵、攪拌器、研磨機(jī)、電磁閥的啟停控制。

圖3　專用控制器硬件電路結(jié)構(gòu)圖

3　工藝流程的穩(wěn)流控制

3.1穩(wěn)流控制原理

圖4　藥劑罐入口的穩(wěn)流控制原理圖

由工藝流程可知，油泥反應(yīng)罐入口流量就是整個(gè)流程的污泥處理量，是污泥處理流程中的關(guān)鍵參量，工藝流程的穩(wěn)流控制就是控制油泥反應(yīng)罐入口流量相對(duì)穩(wěn)定。工藝流程的相對(duì)穩(wěn)定有利于后續(xù)的化學(xué)藥劑添加量的控制及通過(guò)物理沉淀方法實(shí)現(xiàn)油、泥、水3種介質(zhì)的分層處理。如果油泥反應(yīng)罐入口流量不穩(wěn)定，將難以實(shí)現(xiàn)化學(xué)藥劑量按工藝要求的最佳配比投加并影響后續(xù)的油、泥、水3介質(zhì)的分層處理。但如果控制系統(tǒng)片面強(qiáng)調(diào)油泥反應(yīng)罐入口流量的穩(wěn)定，而不考慮油泥反應(yīng)罐自身液位的變化，將油泥提升泵頻率恒定在某個(gè)點(diǎn)上，那么造成的后果就有可能是油泥反應(yīng)罐滿罐冒頂或者被抽空造成流程中斷，這2種情況在實(shí)際生產(chǎn)上都是不允許的。因此工藝流程的穩(wěn)流控制必須保證油泥反應(yīng)罐液位在允許的范圍內(nèi)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)入口流量在一定時(shí)間范圍內(nèi)保持基本穩(wěn)定。穩(wěn)流控制原理如圖4所示，控制器根據(jù)油泥反應(yīng)罐液位控制油泥提升泵的工作頻率。由于提升泵的轉(zhuǎn)速與其工作頻率成正比，頻率穩(wěn)定時(shí)提升泵出口流量也將保持恒定，因此，控制器可通過(guò)控制提升泵的工作頻率以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流控制[5]。

3.2基于3段磁滯回線的控制方法

由穩(wěn)流控制原理可知，污泥處理控制器根據(jù)油泥反應(yīng)罐液位控制提升泵工作頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)污泥處理工藝流程的穩(wěn)流控制。如果控制器采用圖5所示的線性控制方法，即提升泵頻率與反應(yīng)罐液位成負(fù)斜率的線性關(guān)系，在反應(yīng)罐液位低時(shí)提升泵頻率相對(duì)高，進(jìn)入反應(yīng)罐的污泥流量相應(yīng)大，這樣雖然可實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)罐液位的有效控制，防止?jié)M罐溢出或空罐缺水而造成的生產(chǎn)事故，但無(wú)法滿足提升泵出口流量的穩(wěn)定性，當(dāng)反應(yīng)罐液位波動(dòng)時(shí)，提升泵出口流量也隨之波動(dòng)。

如果控制器采用圖6所示的分段式穩(wěn)流控制方法，可以防止?jié)M罐溢出或空罐缺水而造成的生產(chǎn)事故，并確保在一定時(shí)段內(nèi)提升泵出口流量的穩(wěn)流控制，但當(dāng)反應(yīng)罐液位在分界點(diǎn)附近波動(dòng)時(shí)，提升泵出口流量將產(chǎn)生較大幅度的波動(dòng)。

圖6　分段式控制曲線

為了解決反應(yīng)罐液位與提升泵出口流量穩(wěn)定性的矛盾，在控制系統(tǒng)中提出基于3段磁滯回線的控制方法。其控制曲線圖如圖7所示。

由于采用閉合的磁滯回線，即在液位從空罐(0)到滿罐(Lm)上升過(guò)程中提升泵工作頻率的下跳變滯后于上跳變。以中頻段為例，當(dāng)反應(yīng)罐液位處于L1和L4之間時(shí)，提升泵運(yùn)行于中頻段，如果反應(yīng)罐液位超過(guò)L4，控制器將控制提升泵從中頻段切換至低頻段工作，但在低頻段時(shí)反應(yīng)罐液位要低于L3，控制器才將提升泵從低頻段切換至中頻段工作，即存在著L3和L4之間的滯后帶，從而解決了分段控制法中出現(xiàn)的當(dāng)反應(yīng)罐液位在分界點(diǎn)波動(dòng)時(shí)提升泵出口流量大幅度波動(dòng)的情況且每一頻率段的穩(wěn)流工作時(shí)段更長(zhǎng)。合理設(shè)置各頻段的頻率及液位分界點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)避免滿罐溢出或者空罐缺水而造成的生產(chǎn)事故，同時(shí)在各頻段工作下，提升泵出口流量保持穩(wěn)定。

根據(jù)圖7所示的控制曲線，可得出提升泵出口流量的具體控制算法如表1所示。

表1　提升泵出口流量的控制算法

4　加藥控制原理與算法

在含油污泥處理過(guò)程中，對(duì)化學(xué)藥劑添加量的精確控制是確保污泥處理質(zhì)量的關(guān)鍵?；瘜W(xué)藥劑應(yīng)按化學(xué)工藝要求的比例添加到油泥反應(yīng)罐中以促進(jìn)含油污泥的油、水、泥分解。因此藥劑提升泵的出口流量應(yīng)嚴(yán)格與油泥提升泵的出口流量成正比。加藥控制原理如圖8所示。

化學(xué)藥劑由藥劑提升泵打到油泥反應(yīng)罐中，控制器通過(guò)控制藥劑提升泵變頻器的工作頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)藥劑添加量的控制。由于對(duì)化學(xué)藥劑添加量要求精確按工藝要求的比例控制，因此，對(duì)藥劑提升泵的出口流量采用閉環(huán)控制，控制結(jié)構(gòu)如圖9所示。 圖9中，比值控制器依據(jù)油泥流量計(jì)實(shí)時(shí)檢測(cè)到的油泥流量實(shí)測(cè)值Q0及工藝設(shè)計(jì)要求的配比值計(jì)算所需的化學(xué)藥劑添加量的設(shè)定值Qr。具體控制算法如下：

Qr=KQ0/C

(1)

式中，Q0為油泥流量實(shí)測(cè)值，m3/h；Qr為化學(xué)藥劑添加量的設(shè)定值,m3/h;K為工藝要求的化學(xué)藥劑配比，%；C為化學(xué)藥劑自身的配藥濃度，%。

閉環(huán)控制回路根據(jù)這一設(shè)定值(Qr)通過(guò)控制藥劑提升泵的工作頻率使實(shí)際化學(xué)藥劑添加量(Qf)與設(shè)定值(Qr)相一致。閉環(huán)控制回路的控制算法采用增量式PI控制算法。具體控制算法如下：

ek=Qr-Qf

(2)

Δuk=kP(ek-ek-1)+k1e1

(3)

圖9　加藥控制結(jié)構(gòu)圖

uk=uk-1+Δuk

(4)

式中，uk為PI控制器輸出；uk-1為上一周期控制輸出;Δuk為控制增量;ek為偏差;ek-1為上一周期的偏差；kP為比例項(xiàng)系數(shù)；kI為積分項(xiàng)系數(shù)。

5　結(jié)語(yǔ)

針對(duì)含油污泥的特性，提出基于化學(xué)法和物理法相結(jié)合的含油污泥處理方法，設(shè)計(jì)相應(yīng)工藝流程及測(cè)控系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)的測(cè)控系統(tǒng)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(IPC)及基于單片機(jī)的專用控制器2級(jí)控制結(jié)構(gòu)，尤其是在控制器硬件電路設(shè)計(jì)上充分利用dsPIC30F4013單片機(jī)的內(nèi)部硬件資源，使所研制的專用控制器簡(jiǎn)單、可靠。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)控制試驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)控系統(tǒng)能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝流程的穩(wěn)流控制及化學(xué)藥劑添加量的控制。

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[編輯]趙宏敏

2016-04-25

譚蓮香(1963-)，女，工程師，現(xiàn)主要從事科技管理方面的研究工作；E-mail:tamlianxiang86@126.com。

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1673-1409(2016)22-0019-04

[引著格式]譚蓮香.含油污泥處理測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(22)：19～22.