PLC在石油鉆采撬裝式污水處理設備的應用

陳文海

摘 要：本文對石油鉆采污水處理撬裝設備的結構工藝流程進行簡要分析，立足撬裝設備應用優越性，采用成熟的PLC技術，對撬裝設備儀表選型、自動控制方案選擇和系統配置等進行了探究。

關鍵詞：PLC可編程控制器;污水處理;撬裝設備;自動控制

當前，隨著油氣勘探開發增多，大量鉆采污水產生，這些污水中含有較多污油、泥砂等雜質，易造成環境污染。受制于油田鉆采環境，并非所有作業區域都適合建設污水處理廠。因此，有必要針對油田污水處理需求，設計可移動的污水處理撬裝設備，通過車輛運輸到需進行污水處理的區域，對污水進行處理。采用成熟的PLC技術，實現井場鉆采污水處理撬裝設備的自動控制。

1 石油鉆采污水處理撬裝設備處理工藝流程

考慮到油田實際作業的需求，對于鉆采過程中的污水處理撬裝設備，需具備可移動、可車載特點，其長、寬、高都有限制，須盡量在設計中壓縮體積，控制好各單元規格參數。

根據污水處理工藝，主流程主要處理開發生產采出水，采用“除油+沉降+二級過濾（粗濾、精濾）”工藝，次流程主要處理濾灌反洗水等，其基本構造如圖1所示。主要包括旋流預分離、粗濾、加藥、精濾、反沖洗、水量計量等模塊。

在處理流程上，油田鉆采污水經排污管道與設備入口連接，撬裝設備配套升壓泵，借助泵壓將污水引入撬裝設備。污水進入旋流預分離模塊后，將泥沙中的大顆粒先分離，隨后進入粗濾模塊進行進一步的分離。污水進入加藥模塊后加入相應處理藥液，經處理后再借助升壓泵提升壓力進入精濾模塊，加藥和精濾模塊主要進行排油排污。因污水中雜質較多，過濾模塊濾膜易出現堵塞，需進行濾膜反沖洗作業，確保濾膜功能正常。經過濾處理的污水流入計量模塊，可測量水量。

污水處理撬裝設備核心構造為加藥模塊，核心技術是加藥裝置濾芯結構和藥品構成，藥品可根據具體區塊污水中雜質進行適當調整。濾膜為反滲透膜，可利用回水對膜上的泥沙及污物進行沖洗處理，延長濾膜使用壽命和過濾處理效率。

污水處理的控制系統則采用PLC控制系統。可以配備上位機系統進行運行狀態和故障的監視、報警，并可進行現場參數設計和更改。

2 撬裝設備儀控系統設計

2.1 撬裝設備儀表的選型及配置

撬裝設備在電動閥選擇上要優先考慮便于取電，可選擇電動蝶閥。粗濾罐與精濾罐需配套反沖洗濾芯，在罐出入口安裝差壓變送器進行壓差測量，通過取壓掌握濾芯情況。反沖洗罐需安裝具有“就地指示”功能的磁性液位計，實時監測反沖洗罐水量，將其與出口閥開關設置聯鎖裝置，根據運行實際對出口開關實現同步調整。撬裝設備內部介質是污水，測量精度要求不高，在計量模塊可選擇渦輪流量計進行應用。泵出口和粗濾罐、精濾罐進出口都要配套壓力表，因升壓泵運行存在震動，泵出口使用不銹鋼耐震隔膜壓力表，其他部位運行平穩，可選擇不銹鋼隔膜壓力表。

2.2 控制系統選型及系統配置

為提升運行控制自動化程度，同時保證控制系統的可靠性要求，需在撬裝機柜上配套設置PLC，控制器帶有觸摸屏，通過編程組態控制和調整，對撬裝設備進行工藝流程和運行參數控制。本撬裝設備選用西門子S7-300設備的可編程控制器，該型PLC是模塊化中小型控制系統，具有較好的抗震動沖擊性，性價比高，應用于廣泛的工業控制領域。同時配套穩壓、變壓裝置和蓄電池，根據現場污水處理情況合理選擇電源供電方式，長期斷電狀態下由蓄電池為可編程控制器供電，輔助現場儀器操作;短期斷電時可編程控制系統可等到來電時進行邏輯操作，繼續未完成的污水處理工藝流程。因油田污水中含有大量油污，在現場爆炸危險場所作業時，要在PLC外部配套防爆箱，在觸摸屏外設置防護罩，運行狀態下只能監測觀看操作流程運行、不可進行操作。在防爆箱內設置防爆急停按鈕、泵運行狀態報警燈，確保設備運行安全。

在有條件的情況下，還可以配備上位機，以實時監控設備的運行狀態、故障等，并可按照現場情況進行參數設計。

3 污水處理PLC自動控制方案

根據現場工況條件，可推薦采用如下兩種控制方案。

3.1 時序控制法

在未設置聯鎖和調節狀態下，PLC以時間點為控制對象，對設備運行進行控制，這就是時序控制法，將一天24h看作一個控制單位，分三個階段，借助PLC進行控制，實現撬裝設備往復運轉，直至污水處理達標。在設備安放就位后將進出口管道連接，進行第一個8h處理，將升壓泵開啟升壓，打開粗濾罐進口閥門，通過3-5min憋壓后將粗濾罐出口閥門打開;隨后打開細濾罐前升壓泵和細濾罐進口閥門，通過3-5min憋壓處理后將細濾罐出口閥門打開，隨后利用計量模塊對出水量進行計量。隨后進行第二個8h處理，粗濾罐、精濾罐依次進入排油階段，先關閉第一個粗濾罐出口閥、打開排油閥進行排油，關閉進口閥打開排污閥進行排污，同時其他過濾罐保持運轉，依次完成上述動作。第二個8h完成后重復第一個8h完成后的步驟。在24h處理后，首個粗濾罐完成排油排污后開啟反洗泵、打開反洗閥，保持排污閥開啟、排油閥關閉狀態，進行反洗作業，其余各罐保持運行狀態，依次完成反洗作業。通過上述3個階段處理過程的重復操作，直到污水處理完成。整個污水處理都通過PLC根據時間點進行控制，由組態和電氣專業配合完成的污水處理。

3.2 聯鎖控制法

在精濾罐、粗濾罐等罐體進出口間加裝差壓變送器，在反洗罐液位計與進出口閥設置聯鎖開關，以實現聯鎖控制。先開啟升壓泵隨后打開粗濾罐進口閥，實施3-5min憋壓后打開出口閥，開啟精濾罐前升壓泵，打開精濾罐進口閥實施3-5min憋壓，利用計量模塊進行水量計量，連續保持8h運行狀態。隨后粗濾罐和精濾罐進入排油狀態，將第一個粗濾罐出口閥關閉、打開排油閥排油，關閉進口閥、打開排污閥排污，其余各罐依然保持運行狀態，并依次完成排污。在上述污水處理中，差壓變送器輸入PLC的壓差超過PLC設定值時，表示濾芯堵塞，需進行反沖洗，要在完成排油排污后進行反沖洗操作。在反洗罐水位過低時，將出水回注管線閥門關閉，使回流水流入反洗罐;水位過高時打開出水回注管線閥門，使水流入回流池。

3.3 兩種控制方法的比較

時序控制法是在污水處理撬裝設備上設置固定時間點進行處理，在達到排油排污操作的時間點后就會開啟流程，而這時污水中的油污可能還未達到需要排出的狀態，在未監測水質、達到反洗作業時間點后就會開啟反洗操作，在一定程度上造成了資源浪費。

聯鎖控制法通過對過濾罐兩側壓差進行檢測，確保在濾芯堵塞到一定程度、達到設定壓差后才進行反洗，反洗時先確保排油排污操作完成，反洗罐水位也經過液位計對罐的出入閥門進行了精準控制，所以節省了資源，可根據實時工況條件進行自動化、智能化控制調整，具有較強應用優勢。

4 結論

綜上所述，采用PLC技術對油田鉆采污水處理撬裝設備進行自動控制，減少人為干預，增加系統可靠性，也有利于以最低成本實現鉆采污水處理，使污水達到回注標準，輔助油田在保護環境、控制鉆采成本前提下實現高質量鉆采作業。

參考文獻：

[1]彭定義.膜處理技術在國內污水處理廠的運行管理經驗與設想[J].經營管理者，2013（26）.

[2]卓小惠.三次采油污水存在問題原因及處理方法淺析[J].安全、健康和環境，2013（06）.

[3]王杰.PLC控制在污水處理中的應用[J].科技經濟導刊，2018，26（34）.