劉峻含

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459)

1 雙介質(zhì)過濾器功能

當(dāng)今的海洋石油開采，注水水質(zhì)是油田開采的關(guān)鍵性指標(biāo)，水質(zhì)的好壞直接影響油田的產(chǎn)量和后續(xù)可持續(xù)開采。隨著開采的持續(xù)，原油含水量不斷上升，生產(chǎn)設(shè)施的含油污水處理量亦逐年上升，如果含油污水處理不當(dāng)，其排放與回注都會帶來嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境污染，并且影響油田的安全生產(chǎn)，而且注水本身又是改善油田開發(fā)效果、提高原油采收率的重要手段之一。雙介質(zhì)過濾系統(tǒng)作為在整個水處理系統(tǒng)的末級處理單元，在油田開采過程中起到了至關(guān)重要的作用，其流程見圖1。

圖1 生產(chǎn)水處理流程圖Fig.1 Flow chart of production water treatment

某平臺雙介質(zhì)過濾器(圖2)共有 30個，分為兩大系統(tǒng)，每個系統(tǒng)獨立配置 15個罐體，由不同廠家生產(chǎn)制造，主要針對的是水中的乳化油和分散油以及一些雜質(zhì)。雙介質(zhì)過濾器在本平臺投產(chǎn)以后，因為其功能性、操作性、安全性很多與現(xiàn)場實際情況不匹配，故一直處在停運狀態(tài)。2015年，自主對其進行改造優(yōu)化，其在改造投用后，切實緩解了石油開采注水的壓力。

圖2 雙介質(zhì)過濾器簡圖Fig.2 Diagram of dual media filter

2 控制系統(tǒng)優(yōu)化改造

2.1 控制系統(tǒng)

此雙介質(zhì)過濾器共 15個罐體，毎5個罐體作為一組，每組共用一個控制盤，共 3面控制盤?？刂葡到y(tǒng)采用的是西門子PROFIBUS DP(開放總線)控制系統(tǒng)。1#盤作為主站采用西門子 S7-300CPU，2#、3#盤分別作為從站，通過 ET200M 連接到 CPU。圖3為ET200M分布式I/O設(shè)備構(gòu)架圖。

圖3 ET200M分布式I/O設(shè)備構(gòu)架Fig.3 Architecture of ET200M distributed I/O device

2.2 技術(shù)改造要點

通過自檢自修不增加其他設(shè)備的基礎(chǔ)上完成雙介質(zhì)濾器正常過濾、反洗的功能。基于 PLC可編程的特性，只需要對控制盤內(nèi)的邏輯控制器(S7-300)的程序進行修改，就可控制雙介質(zhì)過濾器不同管線上的氣動蝶閥開、關(guān)以及反洗泵、鼓風(fēng)機的啟動、停止，從而完成正常過濾、反洗功能。硬件及軟件設(shè)備為，電腦一臺；S7-300編程電纜；西門子編程調(diào)試軟件STEP7 V5.5。

優(yōu)化程序參數(shù)使控制過程達到最優(yōu)。結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗，經(jīng)過反復(fù)論證研究，將反沖洗程序由最初設(shè)計排氣、排液、氣水聯(lián)合反洗改為啟動階段、氣洗階段及水沖洗階段，其中啟動階段包括泄壓、一次水洗、排油、排水 4個步驟。經(jīng)過多次調(diào)試，最終將水反洗定為8min，氣反洗定為10min(圖4)。

圖4 水反洗時間修改后程序Fig.4 Modified water backwashing time procedure

3 創(chuàng)新成果

3.1 增加單罐體關(guān)斷功能

在原有程序中，無論是正常過濾還是反沖洗，均是按照程序一步步執(zhí)行，并沒有反饋功能。這意味著如果現(xiàn)場有異常，如氣動閥門并未按照程序要求進行開啟關(guān)閉，但程序中并未檢測到這一異常，很有可能造成罐體的憋壓，造成安全環(huán)保事故。

在改造后，通過閥門定位器閥位的反饋進行比對，在一個罐體系統(tǒng)中如果有任何一個氣動蝶閥現(xiàn)場狀態(tài)與控制程序不符合，則罐體單體關(guān)斷，將罐體從大系統(tǒng)中隔離出來，并給中控報警，方便操作和維修人員第一時間發(fā)現(xiàn)并解決故障(圖5)。

圖5 改造后程序邏輯對比Fig.5 Contrast of program logic after modification

3.2 增加反洗唯一罐體功能

在改造前控制程序會在正常過濾的罐中自動選擇差壓高或是過濾時間長的罐進行反洗。這樣可能存在多個罐體同時進行反洗，會造成正常的生產(chǎn)流程不可控的擾動。本次改造針對此問題在程序中增加了反洗互鎖功能(圖6)。正常過濾完成后，手動選擇需要反洗的罐體，程序進入自動反洗階段，只允許單臺雙介質(zhì)過濾器單獨反洗，既防止了人員的誤操作，又保證了流程的穩(wěn)定性。圖6為改造后反洗互鎖LAD程序。

3.3 反洗程序增加“半自動”功能

根據(jù)所在平臺污水處理的流程設(shè)計，雙介質(zhì)過濾器接收并處理來自生產(chǎn)水緩沖罐的來液，在過濾與反洗的控制方面，每一步均需要手動在控制盤對氣動蝶閥進行操作，不僅繁瑣易造成誤操作，也浪費時間與人力。同時，之前的程序設(shè)計為泄壓、排液、氣吹、反洗、靜置，雙介質(zhì)濾器的上部油污不能徹底排放干凈，氣吹時氣體排出會附著少量污油與雜質(zhì)，造成鼓風(fēng)機頻繁過載。針對此問題，對雙介質(zhì)濾器的操作程序進行了優(yōu)化。

圖6 改造后反洗互鎖梯形圖Fig.6 Ladder diagram of backwashing and interlocking after modification

改造后的邏輯框圖如圖7所示。雙介質(zhì)濾器的反沖洗階段不再需要操作人員對每一個步驟都進行操作，只需手動將反洗打至自動位置，即可實現(xiàn)反洗步驟的自動運行，使雙介質(zhì)濾器的反洗階段更加高效、合理，并且在程序中加入了每臺濾器正常過濾 2h排油閥自動打開收油 2min，保證了濾器頂部油污可以及時排出?；趩蝹€罐體關(guān)斷功能的加入，使得程序運行過程中的每一步閥位反饋故障都可以及時輸入至 PLC，并將該單個罐體關(guān)斷，保證了流程的穩(wěn)定運行，也避免了環(huán)境污染。

圖7 修改后程序邏輯框圖Fig.7 Modified program logic block diagram

4 其他優(yōu)化改造

4.1 氣動蝶閥換型改造

氣動蝶閥內(nèi)襯橡膠材質(zhì)不適合生產(chǎn)污水介質(zhì)環(huán)境，導(dǎo)致氣動蝶閥內(nèi)漏故障率較高，目前正在逐步對氣動蝶閥內(nèi)襯材質(zhì)進行換型。在應(yīng)對控制盤掉電情況時，對備用罐的氣動蝶閥控制氣路進行改造。

4.1.1 控制氣路的改造

在現(xiàn)行雙介質(zhì)濾器的各工藝流程管道上的氣動式蝶閥多采用 FC故障關(guān)模式，即電磁閥失電狀態(tài)下，氣動蝶閥均為關(guān)閉狀態(tài)。如圖8所示，KV03A與KV08A分別為雙介質(zhì)濾器過濾狀態(tài)下的進水閥與出水閥。在應(yīng)急狀況下(例如控制盤掉電、電磁閥故障等)，正常過濾的雙介質(zhì)濾器會關(guān)閉所有閥門，操作人員此時需立即在現(xiàn)場進行手動開啟閥門等應(yīng)急操作，否則處于雙介質(zhì)濾器的前級“生產(chǎn)水緩沖罐”會出現(xiàn)“高高液位”的關(guān)斷險情，在極端條件下，甚至?xí)?dǎo)致整個水處理系統(tǒng)癱瘓，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。

改造后分別在氣動蝶閥KV03A與KV08A控制氣路管線增加2個2位3通手閥，控制氣路圖如圖8所示。正常情況下1#手閥1、2路導(dǎo)通，由電磁閥正?？刂啤?yīng)急情況下由 1#、2#手閥控制氣動蝶閥打開、關(guān)閉。

圖8 氣動蝶閥控制氣路改造模擬圖Fig.8 Simulation diagram of pneumatic butterfly valve control pneumatic circuit modification

4.1.2 內(nèi)襯材質(zhì)換型

圖9 現(xiàn)場使用過程閥體內(nèi)襯斷裂Fig.9 Fracture of inner liner of valve during field operation

現(xiàn)場氣動蝶閥閥體內(nèi)的密封材質(zhì)為橡膠，不適高溫且含有藥劑的生產(chǎn)污水介質(zhì)，導(dǎo)致密封面斷裂、脫落、失效，如圖9所示。閥體內(nèi)漏造成污水罐液位上漲，若未能及時發(fā)現(xiàn)，極易導(dǎo)致污水罐“高高液位”造成環(huán)境污染事故。同時，閥門泄漏，導(dǎo)致鼓風(fēng)機氣吹管路逆向進水，極易造成啟動過載，冬季氣候條件下也可能造成風(fēng)機凍堵、凍裂，嚴(yán)重影響雙介質(zhì)濾器正常反洗。改造后閥體內(nèi)襯材質(zhì)更換為聚四氟乙烯材質(zhì)，如圖10所示。該材質(zhì)耐大氣老化性、耐酸堿性、抗氧化性極佳，最佳耐溫工作范圍為-196～260℃，且其力學(xué)性能表現(xiàn)優(yōu)異，摩擦因數(shù)小，用于閥門內(nèi)襯時閥門動作平穩(wěn)。

圖10 換型后的蝶閥Fig.10 Modified butterfly valve

5 結(jié) 語

本次改造在廠家的指導(dǎo)下自主攻克技術(shù)難關(guān)，對PLC控制程序進行修改優(yōu)化，增加故障單體關(guān)斷功能，單體反洗互鎖功能，反洗程序優(yōu)化，增加“半自動”功能，并對氣動蝶閥的控制氣路管線進行改造，增加應(yīng)急轉(zhuǎn)換手閥。通過優(yōu)化改造，解決了此系列雙介質(zhì)濾器在自動反洗程序中氣水洗無法實現(xiàn)、反洗中程序不能接收并處理故障信號、手動反洗程序繁瑣易觸發(fā)誤操作等問題。本次改造結(jié)束了雙介質(zhì)過濾器的停用狀態(tài)，“變廢為寶”極大地提高了設(shè)備的利用率。相較于另一套雙介質(zhì)過濾器，清罐周期明顯延長，經(jīng)濟效益明顯提升。