唐安中，焦赟儀，楊 斌，徐琪珂

（1.中國石油化工股份有限公司九江分公司，江西九江 332004；2.北京金控數(shù)據(jù)技術股份有限公司，北京 100070；3.華東交通大學土木建筑學院，江西南昌 330013）

十八大以來，我國先后出臺了水、大氣、土壤污染防治行動計劃，其中，最嚴格的環(huán)境保護法的頒布實施，以及《石油煉制工業(yè)污染物排放標準》（GB 31570—2015）和《石油化學工業(yè)污染物排放標準》（GB 31571—2015）等多項行業(yè)新標準的發(fā)布，給煉化行業(yè)污染防治和生態(tài)保護工作提出了更高的要求。國際上，污水處理模式已由傳統(tǒng)達標處理、直接排放，轉向全面發(fā)展智能化、資源化污水處理廠。隨著新興信息技術的迅猛發(fā)展，以廢水資源化、廢渣減量化、廢氣潔凈化、過程智能化為目標的智能水廠已成為污水處理系統(tǒng)當今發(fā)展的方向，以此應對來自污水處理技術持續(xù)升級、長周期穩(wěn)定達標、低成本運行和資源化利用的挑戰(zhàn)〔1〕。筆者對當前石化行業(yè)污水處理廠現(xiàn)狀進行了分析，并結合具體案例，對運用信息技術建設石化行業(yè)智能污水處理廠進行了探討與展望。

1 石化污水處理廠現(xiàn)狀與特點

1.1 污水水質復雜，處理難度大

石化企業(yè)生產(chǎn)過程中會排放各類污水，根據(jù)來源分為煉油污水、化工污水、乙烯污水、橡膠污水、煤化工污水等，廢水中的主要污染物包括COD、氨氮，以及石油類、硫化物、揮發(fā)酚及低聚物等難生物降解物質。石化污水處理廠因進水污染物濃度高且水質波動大，具有工藝復雜、流程長、處理單元多的特點。另外，為了滿足國家、行業(yè)和地方的污水排放標準和回用要求，大部分石化企業(yè)對污水處理廠進行了升級改造（如圖1 所示），相應增加了水廠的工藝控制和設備管理難度，運行操作也變得更加復雜。

圖1 某石化污水處理廠工藝流程Fig.1 Treatment process flow of a petrochemical sewage treatment plant

1.2 水廠管理粗放，能耗物耗高

目前部分污水處理廠已實現(xiàn)自動化控制，但仍存在儀表故障率高、準確率低的問題，且自動化控制手段較為粗放，各廠運營管理人員的技術水平不一，因此對加藥設備、水泵、鼓風機的操作難以實現(xiàn)精細化管控，導致水廠能耗物耗成本增加，其中電耗在水廠總能耗中的占比高達70%～90%〔2〕。

1.3 操作人員多，運行效率低

人力成本也是影響水處理廠綜合成本的關鍵因素之一，傳統(tǒng)的石化污水處理廠工藝流程復雜，包括了預處理、生化處理及深度處理幾個階段，這對現(xiàn)場操作及運維人員的要求極高。實際上，水廠作為輔助裝置，普遍存在人員老化、操作能力低下等現(xiàn)象。如何提高生產(chǎn)效率、降低人力成本是水廠一直面臨的問題，而通過智能化管控能提高運行效率，進而實現(xiàn)無人值守，可有效降低成本。

1.4 存在安全隱患與環(huán)境風險

石化污水處理廠具有規(guī)模大、水質雜、流程長、有毒有害氣體濃度高的特點，在運營管理中存在較高的安全隱患，尤其在隔油池、缺氧池以及油泥、浮渣、剩余活性污泥處理過程中易產(chǎn)生揮發(fā)性有機物（VOCS）、硫化氫（H2S）、苯等有毒氣體，當通風不暢、氣體濃度高時易造成作業(yè)人員中毒，甚至死亡。此外，廠區(qū)還存在火災、溺亡、設備事故等安全風險。

因此，在滿足污水穩(wěn)定達標排放和高效回用前提下，如何通過信息化技術手段來降低石化污水處理廠的運行能耗、人力成本，提高管理效率，構建一個安全高效、綠色智能水廠值得行業(yè)重視與探究。

2 石化智能污水廠概念及特征

石化智能污水處理廠是結合石化污水特點，綜合運用視頻識別、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和云計算等先進技術構建智能化運營平臺，并通過運營該平臺對污水處理流程進行精細化管控，實現(xiàn)水質達標、回用，安全生產(chǎn)，高效節(jié)能，綠色低碳管理目標的現(xiàn)代化污水處理廠〔3〕。石化智能污水處理廠的建設主要具備管理標準化、運行自動化、數(shù)據(jù)信息化、決策智能化和環(huán)境友好化5 個基本特征。

2.1 管理標準化

管理標準化是指廠區(qū)的生產(chǎn)運營滿足中國石化《水務管理技術要求》（Q/SH 0628）和《污水系統(tǒng)提質提效工藝技術要點》（中國石化資水〔2015〕6號）等有關標準和制度的要求，通過對水廠建立標準化的管理體系創(chuàng)新污水系統(tǒng)智能管控模式，推進污水處理廠管理實現(xiàn)規(guī)范化、標準化。

2.2 運行自動化

運行自動化是指充分利用遠傳高清視頻，配置COD、pH、氨氮、水中油、DO、ORP、MLSS 等水質在線檢測儀和計量儀表，通過分散控制系統(tǒng)（DCS，Distributed Control System）實現(xiàn)石化污水處理廠內(nèi)主要設備（鼓風機、泵、調(diào)節(jié)閥）及廢氣、廢渣處理設施運行的遠程或就地自動控制，實現(xiàn)加藥自動配制與投加、機組泵站無人值守，對水廠在線儀表、控制儀表和計量儀表實行分級管理，儀表完好率達到99%以上。

2.3 數(shù)據(jù)信息化

數(shù)據(jù)信息化是指通過建設污水處理廠生產(chǎn)運營管理信息系統(tǒng)，集成DCS、實驗室信息管理系統(tǒng)（LIMS，Laboratory Information Management System）、水廠生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)（MES，Manufacturing Execution System）等相關數(shù)據(jù)，建立水質信息、生產(chǎn)運行、設備狀態(tài)和環(huán)境安全監(jiān)控等關鍵指標的數(shù)據(jù)庫并應用于污水處理廠的運維管理。

2.4 決策智能化

決策智能化是指采用大數(shù)據(jù)分析、模型搭建等技術手段，通過運營管理平臺提供科學的決策分析，持續(xù)對水廠自動加藥、生化調(diào)整、剩余活性污泥排放與控制、廢氣治理、污水回用及三泥處理與干化控制、機泵運行和風險防控等方面提出優(yōu)化建議，實現(xiàn)運行水廠管理智能化。

2.5 環(huán)境友好化

環(huán)境友好化是指污水處理過程實現(xiàn)綠色低碳，廢氣、廢渣得到有效處理，無異味，無揚塵，工作環(huán)境安全整潔友好，滿足職業(yè)健康工作環(huán)境要求，兼具生態(tài)、濕地、自然、綠色的特點。

3 石化智能污水處理廠案例分析

3.1 水廠建設概況

沿江某石化企業(yè)作為石化行業(yè)首家入選國家智能制造試點的智能工廠，全面建設和開發(fā)了“自動化、數(shù)字化、可視化、模型化、集成化”的智能化應用平臺。該企業(yè)污水處理廠從2016 年進行智能化建設，以智能工廠平臺為依托進行數(shù)字化轉型，構建了一個功能完備的智能化數(shù)據(jù)服務體系。

水廠主要工藝由預處理單元、粉末活性炭-活性污泥（PACT）及炭泥再生單元（WAR）、沉降和過濾單元組成，其中預處理單元采用兩級隔油和兩級氣浮工藝對污水進行除油和除懸浮物處理，之后通過PACT+WAR 工藝對含油和含鹽系列污水分別進行生化處理并完成活性炭再生。廠區(qū)運用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動寬帶網(wǎng)絡、大數(shù)據(jù)等信息化技術，以新一代信息通信技術（ICT，Information Communications Technology）為重點〔4〕，構建了水廠的信息基礎設施與運維平臺，通過在線監(jiān)測儀表實時感知各階段工藝系統(tǒng)的運行狀態(tài)，將采集后的數(shù)據(jù)進行及時分析、處理，并通過信息化手段為運行管理提供輔助決策建議，實現(xiàn)了水廠信息的采集、傳輸、存儲、處理、分析、決策等全過程的管理。水廠總體智能化建設內(nèi)容主要包括物聯(lián)感知體系、基礎支撐設施、大數(shù)據(jù)中心、智能運營管控平臺4 個方面，如圖2 所示。

圖2 智能石化污水處理廠建設架構Fig.2 Construction framework of intelligent petrochemical sewage treatment plant

3.2 物聯(lián)感知體系建設

3.2.1 基礎數(shù)據(jù)采集

該水廠通過對各個工藝中的生產(chǎn)參數(shù)如流量、液位、水質、有毒氣體在線監(jiān)控，設置現(xiàn)場視頻監(jiān)控設備運行工況，以及配備溫度計、pH 計、電導率儀、濁度儀、流量計、水質儀表、高清視頻等在線儀表和設備等措施，全方位構建水廠的物聯(lián)感知體系，對水質和環(huán)境數(shù)據(jù)進行實時采集，實現(xiàn)日常運行全面監(jiān)控。

3.2.2 構建物聯(lián)感知體系

水廠的物聯(lián)感知體系包括安裝85 塊在線監(jiān)測儀表，設置70 個關鍵考核參數(shù)，包括DO、藥劑投加量、ORP、pH、液位、流量、能耗、有毒氣體濃度等，實現(xiàn)了PACT、WAR 等主要處理單元出水水質的實時監(jiān)控、在線分析及在線優(yōu)化調(diào)整。在封閉的構筑物和廢氣排放集中區(qū)域設置氣體監(jiān)測儀，實現(xiàn)加藥間、氣浮處理單元、污泥處理單元的H2S 和有毒氣體在線監(jiān)測與報警，確保了安全生產(chǎn)。

在現(xiàn)場關鍵部位設置21 個遠程高清視頻，對來水水質、明溝水質及危廢暫存庫進行遠程監(jiān)控，實現(xiàn)了重點要害部位、巡檢點、泵房和加藥間的全覆蓋。通過數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA）系統(tǒng)進行鼓風機、泵、廢氣及廢渣處理設施等設備運行工況與數(shù)據(jù)的采集，實現(xiàn)了生產(chǎn)運行過程的控制〔5〕。通過對基礎監(jiān)測設備的改造與升級，初步形成了覆蓋水廠整體的物聯(lián)感知網(wǎng)，有助于水廠管理信息系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)的完善。

3.3 基礎支撐設施建設

基礎支撐設施是連接數(shù)據(jù)的橋梁，水廠在廠區(qū)內(nèi)搭建專網(wǎng)與私有服務器，結合5G網(wǎng)絡、GPS定位系統(tǒng)，實現(xiàn)了設備監(jiān)測數(shù)據(jù)、人員定位信息、報警信息等數(shù)據(jù)互聯(lián)。

3.4 水廠數(shù)據(jù)中心建設

石化污水廠的數(shù)據(jù)包括生產(chǎn)、設備、管理及文檔數(shù)據(jù)等，根據(jù)業(yè)務、功能對數(shù)據(jù)進行分類整合，以此建立污水廠的大數(shù)據(jù)中心〔4〕。

該水廠針對實時變化的來水，通過神經(jīng)網(wǎng)絡算法及時地作出反饋調(diào)整（圖3），進一步優(yōu)化進水水質與加藥比例，確保氣浮處理后水中油穩(wěn)定達標，同時將加藥量控制在最優(yōu)區(qū)間，即聚合氯化鋁（PAC）20～30 mg/L、聚丙烯酰胺（PAM）40～50 mg/L。

圖3 水廠自動加藥流程圖Fig.3 Automatic dosing flow chart of water plant

根據(jù)水質水量、工況的非線性變化以及曝氣條件對生化反應、硝化反應等的影響，以模糊神經(jīng)網(wǎng)絡為內(nèi)核開發(fā)的智能優(yōu)化控制軟件可實時調(diào)控風量和溶解氧（圖4），跟蹤數(shù)據(jù)表明，DO 保持在2～3 mg/L 即可滿足生產(chǎn)需要，維持較高的DO 會導致鼓風機能耗過高。

3.5 智能運營管控平臺建設

智能運營管控平臺是實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控、調(diào)度管理、決策分析的主要窗口。該水廠運營管控平臺不僅融合了污水處理自動化功能，還融合了生產(chǎn)運營、設備管理、報表分析、巡檢操作等主要業(yè)務，實現(xiàn)了人員與環(huán)境、設備、工藝、管理的交互，并通過與神經(jīng)網(wǎng)絡、污泥模型等技術的融合，為水廠生產(chǎn)運行、預測預警、自動加藥、優(yōu)化調(diào)度提供決策依據(jù)。平臺建設主要包括生產(chǎn)管理系統(tǒng)、智能裝備系統(tǒng)、安全環(huán)保健康（HSE）管控系統(tǒng)、智能決策系統(tǒng)4 個子系統(tǒng)。

運用智能軟件構建污泥產(chǎn)生與處置平衡、炭投加與炭泥再生平衡，通過建立生物相鏡檢圖譜實時跟蹤微生物種類變化與污泥沉降比等的關系等，由此初步建立運行數(shù)據(jù)中心，形成了污水處理廠的基礎數(shù)據(jù)庫，為水廠掌握水質波動趨勢、優(yōu)化調(diào)整方案、智能診斷提供數(shù)據(jù)支撐。數(shù)據(jù)中心的建立不僅實現(xiàn)了廠內(nèi)數(shù)據(jù)資源的整合、互通，還實現(xiàn)了對外數(shù)據(jù)的傳輸、共享。

圖4 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制器對風機風量的跟蹤優(yōu)化（以DO 為優(yōu)化設定目標）Fig.4 Tracking optimization offan airvolume by fuzzy neural network controller（take DO as optimization setting target）

3.5.1 生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)

生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)將運行數(shù)據(jù)進行實時展示形成趨勢曲線，同時對異常數(shù)據(jù)進行報警。通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)，管理人員可實時查看關鍵生產(chǎn)單元現(xiàn)場狀況，結合視頻監(jiān)控下達工藝操作指令，實現(xiàn)設備的遠程控制，形成閉環(huán)管理；對生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動生成報表，生成電子化的交接班日志，實現(xiàn)生產(chǎn)監(jiān)管的數(shù)字化轉型。

3.5.2 智能裝備系統(tǒng)

水廠巡檢操作采用4G 巡檢技術實現(xiàn)了檢查過程的可視化、實時化，并可對設備工況進行診斷和故障預警，生成運維任務發(fā)送給相應的維護人員。管理人員通過本系統(tǒng)可實現(xiàn)設備的安裝、維修、巡檢、緊急搶修等多任務管理，同時結合視頻、語音實現(xiàn)遠程會診與指揮調(diào)度，有效提升了設備運維效率。本系統(tǒng)還可對資產(chǎn)設備庫存及其使用狀況進行分析評估，并對運維成本進行核算、分析、評價，為水廠的運營提供數(shù)據(jù)支撐。

3.5.3 HSE 管控系統(tǒng)

HSE 管控系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)、人員定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控等多信息技術構建一個安全的環(huán)境監(jiān)控體系，可對廠區(qū)內(nèi)VOCS、H2S 等可燃有毒有害及惡臭氣體進行在線監(jiān)測，設置報警儀與高清視頻網(wǎng)絡對存在隱患及風險的地方進行實時報警與監(jiān)控，并進行溯源分析，形成全方位立體的監(jiān)控網(wǎng)格，有效減少了廠內(nèi)人員中毒等安全隱患。

3.5.4 智能決策系統(tǒng)

智能決策系統(tǒng)通過大數(shù)據(jù)分析和模型算法為管理人員提供工藝模擬數(shù)據(jù)，以便及時調(diào)整工藝參數(shù)，持續(xù)優(yōu)化藥劑投加量；通過建立PACT 單元的活性污泥模型可實現(xiàn)生產(chǎn)中溶解氧、混合液懸浮固體濃度（MLSS）、加藥量的模擬優(yōu)化；同時可對WAR 單元中的負荷、溫差、壓差、污泥濃度、鈣離子等關鍵參數(shù)進行模擬與調(diào)整，提供模擬數(shù)值來指導實際生產(chǎn)運營。比如，通過系統(tǒng)的模擬分析得出在生化單元投加尿素、甲醇控制PACT 生化入口的COD 維持在1 500 mg/L，氨氮在50 mg/L 左右時，能夠提高水廠的抗沖擊能力。本系統(tǒng)還可利用模型算法根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對水廠除油效率、運行電耗等進行智能化分析，為管理人員的決策分析提供科學指導，實現(xiàn)污水處理由結果導向轉變?yōu)槭虑皟?yōu)化、過程控制。

3.6 智能水廠建設成效

通過智能管控平臺的搭建及數(shù)字化轉型，該水廠初步具備全面感知、預警預測、自動控制、優(yōu)化協(xié)同、科學決策能力，實現(xiàn)了廠區(qū)管理的自動化、實時化、智能化與綠色化，包括對生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設備工況、環(huán)境安全實現(xiàn)動態(tài)感知、智能分析與資源共享。

3.6.1 運行管控水平顯著提升

水廠基本實現(xiàn)全面自動化、智能化控制，有效減少了人員工作量，提升了人員的工作效率，水廠運行效率較先前提升了65%。同時，生產(chǎn)數(shù)據(jù)實現(xiàn)了遠程監(jiān)測，約80%的工藝單元實現(xiàn)無人化生產(chǎn)，有效降低了運營成本，其中操作人員較改造前減少約35%。

3.6.2 處理效果大幅提高

與智能化建設前相比，水廠生產(chǎn)運行更加穩(wěn)定，出水水質顯著改善。經(jīng)處理后的外排水COD 由42.99 mg/L 下降至30.6 mg/L，氨氮由1.52 mg/L 下降至0.45 mg/L，去除率分別提升了28.82%、70.39%，總氮、總磷可分別穩(wěn)定降至9.1、0.2 mg/L。

3.6.3 處理成本顯著降低

通過智能控制與管控平臺的融合，藥劑實現(xiàn)精準投加，曝氣池風機實現(xiàn)與溶解氧聯(lián)鎖控制和模擬調(diào)節(jié)，運行維護實現(xiàn)精細化管理，水廠的藥耗、電耗、運維費用等成本得到有效降低。其中，水廠絮凝劑PAC 和助凝劑PAM 消耗分別下降了40%和65%，鼓風機電耗下降了35%，鼓風機、離心機及污水提升泵等關鍵設備通過運營管控平臺的在線預警實現(xiàn)預防性檢修，使得水廠的設備運維費用減少約28%。總體噸水成本（含廢氣和污泥處理費用）由8.6 元降為4.8 元，降低了44.2%，提升了水廠整體效益。

4 結論與建議

現(xiàn)階段石化行業(yè)污水處理廠的運行管理已難以滿足可持續(xù)、綠色化、數(shù)字化發(fā)展的需求。石化行業(yè)污水處理廠的數(shù)字化、綠色化、智能化建設是其未來進行升級改造的必由之路，但部分石化企業(yè)在智能化水廠建設過程中遇到一些實際困難，諸如智能化水廠建設缺乏頂層設計、智能終端儀表不穩(wěn)定、專業(yè)軟件實用性不強、水處理數(shù)據(jù)不全、信息技術與運維力量薄弱等。但以上實踐案例表明，通過建立完善的數(shù)據(jù)服務體系，融合新一代技術，能夠很好地完成水廠數(shù)字化、智能化轉型，加快水廠的提質降本、節(jié)能增效。未來建設智能化石化污水處理廠建議重點從以下3 個方面入手：

（1）加快污水廠自動化的全面升級改造。水廠自動化的升級改造是水廠智能化、智慧化的必經(jīng)階段，同時水廠的數(shù)據(jù)及設備控制是所有頂層應用的基礎，而目前大部分水廠現(xiàn)場自控設備老舊，對關鍵數(shù)據(jù)無法感知、傳輸，因此需針對廠內(nèi)業(yè)務需求，首先對現(xiàn)場設備實現(xiàn)遠程控制，對生產(chǎn)數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時采集、全面感知，對廠內(nèi)進行全面的自動化升級改造。

（2）重視數(shù)據(jù)資源的積累?；A數(shù)據(jù)是未來企業(yè)的重要財富之一，也是業(yè)務平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析的重要支撐。而石化行業(yè)內(nèi)的基礎數(shù)據(jù)通常以紙質文檔記錄，存在數(shù)據(jù)檔案缺失、整理難度大的問題。因此要注重對生產(chǎn)數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)的積累，形成企業(yè)及廠區(qū)內(nèi)部的數(shù)據(jù)資源，并建立數(shù)據(jù)電子化管理模式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)不斷積累、數(shù)據(jù)資源共享。

（3）注重新一代信息技術與水廠業(yè)務融合。未來新一代信息技術將在水廠的升級改造中不斷與業(yè)務融合、應用、發(fā)展，業(yè)務功能與新型技術的高效融合是水廠智能化建設的發(fā)展趨勢。隨著人工智能、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、機器人技術的迅速發(fā)展，多種技術與石化行業(yè)特點相融合必將是未來發(fā)展方向，因此要從業(yè)務出發(fā)，關注信息技術與業(yè)務的持續(xù)融合，才能更快推進污水處理廠的升級與轉型。