基于PLC與HMI的煤化工污水處理系統設計與應用

劉艷紅，項亞南，徐 濤

（1.江蘇信息職業技術學院 集成電路制造裝備工程技術研究開發中心，無錫214154；2.無錫市博眾自動化有限公司，無錫 214124）

我國煤資源富集區往往位于水資源較匱乏地區，煤化工廢水中含有氨、氮和硫等難降解的有機化合物，若未經有效處理排放，會對水環境和地質環境造成損害。 水處理是通過一系列水處理設備，使用物理、化學、生物等手段去除水中有害物質，對水進行沉降、過濾、混凝、絮凝、緩蝕、阻垢等過程。高鹽水零排放分鹽是實現工業廢水零排放的關鍵環節，對高濃鹽水進行處理，提取出污水中的無機鹽成分， 形成可供工業企業利用的分質鹽產品，實現無機鹽資源循環再利用。

當前， 國家對水環境治理的力度日益加大，這對水處理提出了更高的要求，既要追求卓越的污染物治理性能， 又要降低污水處理的能耗和物耗，最大程度減少碳排放，如何促進污水處理綠色低碳發展、達到節能降耗、實現高效管理是當前面臨的首要問題。 建立一套完整的自動化系統方案，優化過程工藝，提高能源資源利用效率對提升水處理的自動化、信息化有較大指導意義。

為提高某煤化工企業廢水的回用率和水處理的最優控制， 本文以某煤制甲醇水處理系統為例，分析工廠實際工況，主要從優化原料投入環節和排水泵站節能降耗兩個維度入手，開發一套穩定完整的水處理自控系統，降低單位產品能耗、水耗等指標，促進污水處理綠色低碳發展。

1 零排放分鹽工藝流程

內蒙古中煤蒙大煤制甲醇廢水零排放分鹽項目位于鄂爾多斯市， 屬于生態環境較脆弱區域，這對水處理技術提出了更高的要求，包括穩定的廢水處理工藝、先進的再生水利用工藝及分鹽零排放技術。 本系統為達到在滿足越來越高的排放標準要求的同時，最大限度減輕企業經濟負擔的目的，需對高含鹽煤化工廢水進行處理，經處理后的水全部回收利用，鹽產品可銷售，實現污水近零排放，符合國家環保與發展循環經濟的政策導向。

在生產過程中產生高鹽化工廢水，廢水含有多種鹽與酚，水量約為800 m3/h，廢水pH7.48，出水pH5.5～7。 根據項目具體水量、水質、出水要求、投資運行成本等各項因素[1]，項目水處理選擇“預處理+超濾+反滲透+蒸發濃縮結晶除鹽”工藝，如圖1 所示。

圖1 廢水零排放工藝流程Fig.1 Zero discharge process flow chart of wastewater

高鹽廢水處理系統對煤化工生產中的氣化廢水、循環水系統排水、除鹽水系統排水、回用系統濃水等來水進行處理，主要涉及污水處理、循環水、除鹽水、提濃、回用水、分鹽結晶等裝置[2]。

氣化裝置污水、生活污水、初期雨水、沖洗水及其他工藝裝置排污水經污水處理站后的排水、循環排污水、 脫鹽排污水均進入中水回用系統處理，處理合格的產水送至廠區回用水站，濃水送至蒸發結晶裝置進行處理。 蒸發結晶系統將提濃后的高鹽廢水通過多效蒸發結合冷凍結晶技術，轉化為生產用水和工業用鹽，各裝置之間無縫對接，優化全廠水系統設計，降低該煤化工項目水耗。

中水回用是對工業廢水達標排放水進行適當處理后循環再利用，項目回用水處理流程如圖2所示。

圖2 回用水水處理工藝流程Fig.2 Flow chart of reclaimed water treatment

預處理是對水中較大的固體污染物，利用格柵進行攔截，接著將水中較大的無機顆粒污染物通過沉砂池進行分離。 預處理間高密度沉淀池主要處理前端礦井水深度處理反滲透濃水，主要去除鈣、鎂、硬度及懸浮物，包含混凝、絮凝、沉淀等單元，配備各種化學劑加藥閥。 高密度沉淀池根據前端來水量來匹配相應加藥量以及污泥回流量來達到良好的出水效果。 超濾裝置處理高密度沉淀池產水，通過它進一步降低高密度產水濁度。 蒸發單元的蒸汽由煤礦鍋爐房產出，0.3 Mpa 蒸汽經過蒸汽分氣缸進入循環管；原料液使用原料泵經由袋式過濾器和三級板式換熱器預熱后進入三級蒸發器進行逐級濃縮，析出無水硫酸鈉晶體。

2 高鹽廢水處理工藝技術

（1）中水回用工藝技術

中水回用的來水具有色度高、 鹽度大、COD 高特點，污染較為嚴重，水質波動頻繁，難以生化處理，處理難度大。 項目采用優化的中水回用技術，克服了傳統工藝抗沖擊負荷能力弱、 適應性差的缺點，抗沖擊負荷能力強，能承受COD<120，普通中水回用承受COD＜60?；赜盟幚碛苫炷恋怼⑿跄恋?、多介質過濾、超濾、反滲透等多個環節組成，保證優質出水水質。

（2）高鹽廢水減量化技術

高鹽廢水減量化處理傳統工藝一般采用預處理系統+膜濃縮方式，存在膜污染嚴重、壽命短的弊端；本項目在傳統工藝基礎上做了優化，比如在預處理方面使用了高密池除硬，優化藥劑配方，用高強度高壓膜雙膜（超濾膜+反滲透膜）處理。 廢水零排減量化工藝與傳統工藝對比如表1 所示。

表1 廢水零排減量化工藝與傳統工藝對比Tab.1 Comparison between zero emission reduction process and traditional process

（3）高鹽廢水零排分鹽技術

高鹽廢水零排分鹽處理減量化后形成的濃鹽水，為了排水而控鹽，將無機鹽資源化，分離出高品質化學原料，剩余的改造后的水循環使用，最終實現零排放。 傳統工藝采用蒸發結晶進行處理，易發生發泡、堵塞、腐蝕、雜鹽現象。 項目對應的煤化工客戶產鹽量巨大，采用深度濃縮（MVR 濃縮、電驅動膜）+分質鹽結晶（冷凍/納濾耦合分鹽及蒸發結晶）工藝，保證長期穩定、產鹽優質目標，處理成本降低，雜鹽率低。

3 控制系統框架設計

廠方對本水處理系統的出水水質有明確要求，二氧化硅、硬度、電導率、COD、氨氮、酚、色度、SS 等關鍵指標要求較高。 以企業提供的原水水質情況、生產技術要求和出水技術參數為設計依據，主要從優化原料投入環節和排水泵站節能降耗兩個維度入手，項目設計污水處理系統以實現節能降耗。 中煤蒙大煤制甲醇廢水零排放分鹽項目自控系統采用設備層、控制層及監控層3 層結構，如圖3 所示。

圖3 污水處理系統整體框架Fig.3 Overall framework of sewage treatment system

現場控制層主要由各種智能傳感器組成，采集水質、液位、流量、溫度、壓力、pH 值等現場工藝數據。 在各電氣站點設備旁設置就地控制箱，可對單個閥門或機泵進行任意啟停。 現場在線監測儀表，不僅節約了人力、物力，還可及時調整工藝參數。

在PLC 控制層，控制器根據現場檢測裝置采集的數據和系統各設備的運行邏輯關系，自動控制各站點內的電氣設備運行狀態， 完成具體的進水、混凝、沉淀、過濾、排水等環節的邏輯聯動控制。

監控層主要負責工藝流程、參數設置、狀態監控、數據采集、故障報警、報表處理等。 通過工控機控制現場各裝置的監控，如預處理裝置、超濾裝置、多介質過濾器、反滲透裝置、混床、精制混床、前置陽床、水池、總泵房、加藥間、儲藥間等，實現各設備狀態顯示、自動控制、分析報表等工作。 遠程監控可完成日常數據巡查、設備異常預警、水質異常預警、系統緊急狀況干預。

系統配備手動/自動兩種操作模式，自動控制采用PLC 控制， 也分為全自動和半自動兩種模式；工控機能實時監測與控制整個水處理過程，PLC 自控系統主要完成以下工作：

（1）調節控制：在加藥系統中，投加于各進水管道上的化學劑計量泵與相應管道流量計聯鎖，根據流量變化通過PLC 自動調節投加量。

（2）順序控制：預處理系統多介質過濾器裝置的運行、退出、進氣擦洗、進水反洗、備用和投運都由PLC 來實現，過濾器的退出運行機制通過每臺過濾器設定的累計過濾流量或運行時間來控制。

（3）機泵保護：每套反滲透裝置的高壓泵進、出水口裝設有高低壓保護開關。 當供水量不足使高壓泵入口的水壓低于某一設定值（0.10 Mpa）時，低壓力開關動作，系統會自動發出信號停止高壓泵并發出警告，保護高壓泵不在空轉情況下工作[3]。 當因其它的原因誤操作，使高壓泵的出口壓力超過某設定值時（1.8 Mpa），高壓泵出口高壓保護開關動作，也會自動發出信號停止高壓泵并發出告警，保護系統不在高壓下運行。

4 控制系統硬件設計

整個水處理自控系統選用Simens S7-300 作為控制器，實現現場數據采集、PLC 控制、實時監控和流程管理、網絡與通信、數據庫和信息處理一體化。系統輸入輸出信號統計：數字量輸入312 個，8 個備用；數字量輸出84 個；模擬量輸入112 個；模擬量輸出8 個。 系統PLC 配置如表2 所示。

表2 系統PLC 配置Tab.2 System PLC configuration

本系統可在本地控制和遠程控制模式間切換，實現順序、調節和保護控制。 順序控制完成泵、閥門及專用設備的周期循環自動控制，以及工藝參數與設備之間聯鎖啟停；調節控制完成對工藝需要的溫度、壓力、流量、液位等的自動調節功能。

本系統需要控制的水泵超50 臺， 對應的電機都有自動、運行、故障3 個數字信號；各種化學原料投放閥、眾多水閥都有關到位、開到位信號等，系統數字量輸入信號超300 個。 實際生產工況下，普通的超聲波液位計的檢測結果容易失真，從而使系統恒液位的檢測失去基準數據。 選擇合理的位置，選擇合理的檢測儀表，定期的巡檢可優化控制系統自動化運行管理。

綜合考慮水泵的熱備和流量組合搭配，系統采用變頻器精準控制流量。 但水泵電機功率較高，頻繁啟動會造成水泵的損壞，故設置報警液位、啟動液位、停泵液位等，把水泵的控制區間放大，同時還增加水泵的啟動、停止的延時，從而減少水泵頻繁啟動的幾率，減少水泵損壞。

每一臺水泵在無論長時間運行、頻繁啟動都會消耗大量的電能，為了有效控制能耗，不能依靠運行人員不停地開關水泵， 需要自控系統來精細調控。 實際設計中，通過對泵房液位和出水管固定液位之間的差值計算出提升高度，根據水泵后的流量計可以得出水泵的提升量，然后將這兩個數值和水泵的高效段進行比對，通過增加或減少水泵的運行臺數來實現水泵的高效段的運行，從而有效地降低能耗。

5 監控系統設計

設備層主要檢測現場水質狀況及控制工藝設備（如水質檢測儀表、加藥設備、水泵等），采集現場的實時數據，反映給控制中心并同時保存到歷史數據庫中。 整個水處理系統實現統一的狀態監控、數據采集、故障報警，實現生產過程設備的計算機自動控制，實現工藝電控設備的順序、條件、計時、計數、PID 調節等控制功能，以及流量等參數的自動累積和數據處理功能。

本水系統監控系統包含多個監控畫面，如系統主畫面、預處理、過濾器、超濾、反滲透、混床、前置陽床、精制混床、加藥系統、再生系統、中和系統、參數設置、報警、報表等。 加藥系統監控畫面如圖4 所示。 pH 調節系統是通過pH 儀自動檢測被測液體pH 值，并通過設定控制范圍轉換成電流信號輸出到自動加藥計量泵，自動加藥計量泵（設定接收信號范圍和輸出頻率范圍）通過接收到的信號，自動調節計量泵的加藥量；在藥液不足時系統發出報警并控制計量泵停止工作。 絮凝劑加藥泵、阻垢劑加藥泵等的控制方法跟pH 調節加藥泵類似。

圖4 加藥系統流程控制界面Fig.4 Process control interface of dosing system

污水處理本質是通過生化反應來去除水中污染物，需要投加碳源和多種化學藥劑，這些原材料在生產、運輸、投加過程中也消耗一定能源。 優化投料環節，有助于節能降耗減少碳排放。 對污水水量、水質等參數和加藥系統運行數據等進行數據分析，形成最優算法模型，實現加藥精細化控制，有效降低藥品消耗以及設備運行能耗。

在參數設置畫面中可以看到所有液位、溫度和頻率的實時數據，同時還可以對液位、壓力進行設定，以實現系統自動控制的要求，參數設置中數據對系統自動運行非常重要。

在系統報警畫面，當系統有報警發生時報警信息在這里顯示出來。 正在發生的報警以紅背景顏色形式顯示，發生過但現在沒有的報警以黃底背景顏色顯示，報警發生但得到確認后以藍底背景顏色顯示。 操作人員應經常留意出現的報警信息，并做出及時的處理，提升對現場設備如泵的防護。

報表畫面中記錄了一天內所有的液位、 流量、pH 及其它數據信息，點擊畫面上的停止更新開關，還可以查閱一年內所有的數據信息，操作人員也可以根據需要打印歸檔。

6 結語

本水處理系統包含設備層、 控制層及監控層，充分考慮企業實際生產工藝、設備實際情況，實現了全過程監控。 項目從檢測設備選用、優化原料投入、水泵組合運行等環節進行優化設計，將水系統各單元運營科學整合，從節能降耗、安全穩定、高負荷、高效率等角度發力，依托自動化技術優勢，在生產實踐上做到了煤化工廢水零排放。

整套系統調試很成功，產水全部回用，濃鹽水零排放及結晶鹽資源化利用。 本系統每小時可處理高鹽廢水44 m3，回收無水硫酸鈉產品鹽1.2 t，氯化鈉產品鹽1.8 t。

目前，中煤蒙大煤制甲醇項目各水系統裝置運行平穩高效，是化工主裝置連續長期高負荷運行的強有力的前期保障。 據測算，本系統運行后每年可減少排污費數百萬元，節約水費上百萬元，回收工業鹽超萬噸，環保效益、經濟效益凸顯。