含油污泥處理測控系統設計研究

譚蓮香

(四機賽瓦石油鉆采設備有限公司，湖北 荊州 434100)

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含油污泥處理測控系統設計研究

譚蓮香

(四機賽瓦石油鉆采設備有限公司，湖北 荊州 434100)

含油污泥處理一直是困擾各大油田的一個技術難題。針對這一技術難題，提出基于物理法和化學法相結合的含油污泥處理方法并給出相應的工藝流程。在此基礎上，著重研究含油污泥處理測控系統設計，給出詳盡的測控系統整體結構設計和基于dsPIC30F4013單片微機的控制器硬件設計。在深入分析含油污泥處理工藝流程的穩流控制原理及化學藥劑添加量的測控原理基礎上，提出基于3段磁滯回線的穩流控制方法及基于比值控制與閉環反饋控制相結合的化學藥劑添加量控制方法，并給出具體控制算法。經現場測試驗證,所設計的測控系統性能穩定，能有效實現對工藝流程及相應參數的穩定控制。

測控系統；含油污泥處理；穩流控制；加藥控制；dsPIC30F4013單片機

在原油的開采過程中，隨著地層中含泥、砂的采出液進入地面，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、含油量高且脫水難等特性，若不加以處理而直接排放將會對環境造成嚴重污染[1]。隨著人們環保意識的加強以及國家在環保方面相關政策的實施，各油田近年來日益重視對含油污泥的凈化處理和回收利用。筆者主要針對基于化學法和物理法相結合的含油污泥處理工藝流程，研究關鍵工藝參數的測控方法及相應的測控系統設計。

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，組成成分相對復雜。因此，提出基于化學法和物理法相結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。在污泥處理過程中，先把一定量的濾后水注入到藥劑罐中，隨后按照化學配比要求加入相應化學劑；在罐體中化學劑與濾后水混合，并進行加熱和攪拌配置成化學藥劑，通過藥劑輸送泵把配比好的藥劑輸送到油泥反應罐中；油泥通過油泥提升泵加打到油泥反應罐，與反應罐中的藥劑攪拌加熱，混合均勻后，將油泥水混合物通過油泥水輸送泵送至分離罐中。靜置一段時間，使油、泥、水3種介質通過物理沉淀進行分層處理；其中油位于最上端，水位于中間，最下端的是泥[2]。通過控制泥水出料泵的閥門開關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研磨循環泵打到污泥研磨機中，把泥水研磨細膩，然后去注聚系統，回注地下。當泥水輸出完之后，關閉泥水閥門，打開污油輸出閥門把污油輸送到油回收罐中，經由污油回收泵打到閉罐中。藥劑罐、油泥反應罐、油泥水分離罐和油回收罐外壁由導熱油循環加熱，以便促進油、水、泥的熱解、分離[3]。

2　含油污泥處理測控系統結構

圖2　測控系統結構

含油污泥處理測控系統由專用控制器、工業控制計算機(上位機)、電氣控制柜、現場檢測儀表、執行機構等組成。上位機(IPC)主要是給用戶提供一個可視化的人/機交互操作與生產管理平臺，用以顯示工藝流程及相關工藝參數，保存工藝參數并生成生產報表，設定相應控制參數并生成相應控制指令下傳給專用控制器，以實現對生產過程的實時在線監控。專用控制器完成對現場數據的采集并上傳給上位機；同時，接收管理級上位機(IPC)下傳的生產指令，產生相應控制信號，輸出控制相關執行機構，以實現對生產過程的直接自動控制。電氣控制柜為測控系統及現場儀器儀表以及提升泵、研磨機、電磁閥等現場執行機構提供電源。測控系統結構如圖2所示。

專用控制器的硬件電路主要由dsPIC30F4013單片機、數字I/O模塊、模擬I/O模塊、通訊單元等組成，具體硬件電路結構如圖3所示。其中dsPIC30F4013單片機是系統的核心，所有現場數據都在此交匯。該單片機內部集成有13通道12位的A/D轉換模塊、4通道12位脈寬調制(PWM)信號輸出模塊、2路通用串行UART通訊接口模塊以及開關量輸入、輸出接口模塊等豐富的硬件資源[4]。系統檢測的信號包括有流量、液位、壓力、溫度等10路模擬量信號?？刂戚敵鲂盘栍?路基于脈寬調制(PWM)的模擬量信號用以控制提升泵和加藥泵的變頻器頻率，10路開關量信號用以實現對現場各類泵、攪拌器、研磨機、電磁閥的啟?？刂?。

圖3　專用控制器硬件電路結構圖

3　工藝流程的穩流控制

3.1穩流控制原理

圖4　藥劑罐入口的穩流控制原理圖

由工藝流程可知，油泥反應罐入口流量就是整個流程的污泥處理量，是污泥處理流程中的關鍵參量，工藝流程的穩流控制就是控制油泥反應罐入口流量相對穩定。工藝流程的相對穩定有利于后續的化學藥劑添加量的控制及通過物理沉淀方法實現油、泥、水3種介質的分層處理。如果油泥反應罐入口流量不穩定，將難以實現化學藥劑量按工藝要求的最佳配比投加并影響后續的油、泥、水3介質的分層處理。但如果控制系統片面強調油泥反應罐入口流量的穩定，而不考慮油泥反應罐自身液位的變化，將油泥提升泵頻率恒定在某個點上，那么造成的后果就有可能是油泥反應罐滿罐冒頂或者被抽空造成流程中斷，這2種情況在實際生產上都是不允許的。因此工藝流程的穩流控制必須保證油泥反應罐液位在允許的范圍內，同時實現入口流量在一定時間范圍內保持基本穩定。穩流控制原理如圖4所示，控制器根據油泥反應罐液位控制油泥提升泵的工作頻率。由于提升泵的轉速與其工作頻率成正比，頻率穩定時提升泵出口流量也將保持恒定，因此，控制器可通過控制提升泵的工作頻率以實現穩流控制[5]。

3.2基于3段磁滯回線的控制方法

由穩流控制原理可知，污泥處理控制器根據油泥反應罐液位控制提升泵工作頻率，進而實現污泥處理工藝流程的穩流控制。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罐液位成負斜率的線性關系，在反應罐液位低時提升泵頻率相對高，進入反應罐的污泥流量相應大，這樣雖然可實現對反應罐液位的有效控制，防止滿罐溢出或空罐缺水而造成的生產事故，但無法滿足提升泵出口流量的穩定性，當反應罐液位波動時，提升泵出口流量也隨之波動。

如果控制器采用圖6所示的分段式穩流控制方法，可以防止滿罐溢出或空罐缺水而造成的生產事故，并確保在一定時段內提升泵出口流量的穩流控制，但當反應罐液位在分界點附近波動時，提升泵出口流量將產生較大幅度的波動。

圖6　分段式控制曲線

為了解決反應罐液位與提升泵出口流量穩定性的矛盾，在控制系統中提出基于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，當反應罐液位處于L1和L4之間時，提升泵運行于中頻段，如果反應罐液位超過L4，控制器將控制提升泵從中頻段切換至低頻段工作，但在低頻段時反應罐液位要低于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的當反應罐液位在分界點波動時提升泵出口流量大幅度波動的情況且每一頻率段的穩流工作時段更長。合理設置各頻段的頻率及液位分界點，可實現避免滿罐溢出或者空罐缺水而造成的生產事故，同時在各頻段工作下，提升泵出口流量保持穩定。

根據圖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

在含油污泥處理過程中，對化學藥劑添加量的精確控制是確保污泥處理質量的關鍵?；瘜W藥劑應按化學工藝要求的比例添加到油泥反應罐中以促進含油污泥的油、水、泥分解。因此藥劑提升泵的出口流量應嚴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。

化學藥劑由藥劑提升泵打到油泥反應罐中，控制器通過控制藥劑提升泵變頻器的工作頻率實現對化學藥劑添加量的控制。由于對化學藥劑添加量要求精確按工藝要求的比例控制，因此，對藥劑提升泵的出口流量采用閉環控制，控制結構如圖9所示。 圖9中，比值控制器依據油泥流量計實時檢測到的油泥流量實測值Q0及工藝設計要求的配比值計算所需的化學藥劑添加量的設定值Qr。具體控制算法如下：

Qr=KQ0/C

(1)

式中，Q0為油泥流量實測值，m3/h；Qr為化學藥劑添加量的設定值,m3/h;K為工藝要求的化學藥劑配比，%；C為化學藥劑自身的配藥濃度，%。

閉環控制回路根據這一設定值(Qr)通過控制藥劑提升泵的工作頻率使實際化學藥劑添加量(Qf)與設定值(Qr)相一致。閉環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　加藥控制結構圖

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為比例項系數；kI為積分項系數。

5　結語

針對含油污泥的特性，提出基于化學法和物理法相結合的含油污泥處理方法，設計相應工藝流程及測控系統。所設計的測控系統采用工業控制計算機(IPC)及基于單片機的專用控制器2級控制結構，尤其是在控制器硬件電路設計上充分利用dsPIC30F4013單片機的內部硬件資源，使所研制的專用控制器簡單、可靠。經現場控制試驗驗證，測控系統能夠有效實現對工藝流程的穩流控制及化學藥劑添加量的控制。

[1]孫先長,羅云,萬濤，等.含油污泥處理技術現狀與展望[J].中國資源綜合利用, 2009, 27(10): 16～19.

[2] 李高峰,付石,何帆,等. 油水界面自動監測技術研究與應用[J]. 自動化與儀表, 2012, 27(6): 21～25.

[3] 闞新東.熱解法處理含油污泥的若干技術問題[J].石油和化工設備,2014，17(9):85～86,91.

[4] 劉和平，鄭群英.dsPIC通用數字信號控制器原理及應用[M]. 北京：北京航天航空大學出版社，2007：7～43.

[5] 陸綺榮,黃福彥,韓東升,等.DCS模糊控制的污水處理系統研究[J]. 自動化與儀表, 2010, 25(3):37～40.

[編輯]趙宏敏

2016-04-25

譚蓮香(1963-)，女，工程師，現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.含油污泥處理測控系統設計研究[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(22)：19～22.