海上平台污水处理系统.docx

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海上平台污水处理系统

摘要

本文以中海油天津分公司渤中28-2SCEP中心平台污水处理系统为背景，研究海上平台污水处理系统，在这里我们首先到勃中28-2SCEP中心平台进行实习，在实习过程中，初步认识污水处理系统的工艺流程，回到学校后，到图书馆查阅污水处理方面的文献，了解课题研究的背景及必要性，并且了解国内外污水处理系统的现状，然后认真学习渤中28-2SCEP平台污水处理系统的工艺流程，熟悉污水处理系统设备，以及设备参数控制方法，在学习了解的基础上，对工艺进行控制，在这里控制方法有很多，我们经过分析对比，最终选择PID控制，并用力控对系统进行上位机组态设计，下位机用西门子PLC进行控制。

关键字：

污水处理；组态；PID；PLC

Abstract

TheTianjinBranchofCNOOCBozhong28-2SCEPplatformsystemforsewagetreatment,sewagetreatmentsystemofoffshoreplatform,herewefirstgotothe28-2SCEPplatform.Inpractice,inthepracticeprocess,apreliminaryunderstandingofprocessflowofsewagetreatmentsystem,backtoschool,tothelibraryaccesstosewagetreatmentliterature,understandtheresearchbackgroundandnecessity,andtounderstandthecurrentstatusofdomesticsewagetreatmentsystem,andthenstudytheBozhong28-2SCEPplatformprocesswastewatertreatmentsystemseriously,familiarwiththesewagetreatmentsystemequipment,andequipmentparametercontrolmethod,basedontheunderstandingoflearning,tocontroltheprocess,herethecontroltherearemanymethods,weafteranalysisandcomparison,thefinalchoiceofPIDcontrol,andforcecontrolforPCconfigurationdesignofthesystem,usingSiemensPLCPLCcontrol.

Keywords:

Sewagetreatment;configuration;PID;PLC

目录

第1章概述1

1.1课题研究的背景及必要性1

1.2工业污水处理的国内外现状2

1.3海上平台污水处理系统方案的提出2

第2章渤中28-2南CEP生产污水处理系统4

2.1海上平台污水处理系统工艺流程4

2.2海上平台污水处理系统设备介绍5

2.3海上平台污水处理系统监控操作10

2.4小结10

第3章污水处理系统控制算法12

3.1污水处理系统控制算法的选择12

3.2污水处理系统PID控制算法12

3.3污水处理系统PID控制算法编写13

3.4小结14

第4章污水处理系统下位机PLC设计15

4.1软件开发平台和开发语言的选择15

4.2西门子S7-200PLC组成及工作原理16

4.3污水处理系统PLC开发设计18

4.4小结20

第5章污水处理系统上位机组态设计21

5.1污水处理系统上位机力控6.0简介21

5.2污水处理系统组态人机界面设计原则22

5.3污水处理系统组态开发23

5.4小结33

结论34

参考文献35

致谢36

第一章概述

1.1课题研究的背景及必要性

随着航运业和海洋开发的空前发展，海洋环境的污染也越来越严重，人类对海洋环境保护也日益重视。

平台生产过程中产生的生产污水对海洋环境构成了较为严重的流动性污染源。

船舶生产污水处理系统就是为了防止由船舶和海洋平台产生的生产污水对航行水域造成污染而在船上和平台上设置的特定处理装置。

随着社会的发展，水资源已经成为影响工业发展的重要因素，现代工业中生产工艺和设备对水质要求越来越高。

但是我国工业用水耗费高，重复利用水少，中水使用率不高，有关资料显示，我国的工业用水重复利用率平均为40%～50%。

目前全国城市污废水的处理率（达排放标准的）仅有10%左右，其余的污废水都直接排入河川、湖泊、海洋。

耗水量高、重复利用率低、污染严重是我国工业系统水资源利用的突出问题。

严重的环境污染使有限的水资源日益减少、水质日益恶化，无疑是“雪上加霜”。

据统计，由于水质污染，我国已有大约3亿人的饮水发生不安全现象，其中1.9亿人的饮水是超标水。

气象学家预测，2100年全球变暖加剧，地表将有1/3的面积变为沙漠，那时，干旱将威胁全球一半的大陆人类的生存。

这些现象都是水污染产生的严重后果，因此工业污水处理项目的实施已经刻不容缓。

众多迹象表面，水资源的短缺无疑将成为制约经济持续协调发展的瓶颈，因此世界各国越来越重视水处理和水的再利用，通过各种技术进一步提高供水质量，提高经济效益。

并且工业污水处理过程中，经过厌氧和好氧处理，污水中的热量、沼气等再生能源可以为工业生产提供二次能源，真正实现变废为宝、循环经济的目的。

随着环境保护的呼声越来越高，工业污水处理已经体现出其必要性和紧迫性，对于各种污水进行处理后排放成为各企业基本的要求。

在工厂的工业污水处理过程中，污水来源的不稳定以及工厂中各种污水的成分的复杂性，对工业污水处理的工艺和控制方式提出了非常高的要求。

未来10年，中国工业污水处理项目工程建设投资将超过2500亿元，其中工业污水处理设备投入约300亿元。

采用先进、实用的技术改造传统工艺，在环保工程中广泛采用先进的自动控制技术，是推动环保产业升级，实现环保发展战略的重要环节。

在这种形势下工业污水处理自动化控制系统无疑是一个具有巨大的社会效益、环境效益及经济效益的研究课题。

对于环境保护问题，国务院明确规定所有工业污染源都必须达到排放标。

其中处理过的污水还可以循环再利用，由于我国是一个水资源匮乏的国家，而且时空分布上极不均匀，许多地区和城市严重缺水。

所以水资源也是一种保护。

因此，从环保、注水等多方面的因素考虑，对于工业污水处理非常有必要。

因此，有效的结合目前最新的工艺状况、计量自控检测仪表使用、PLC控制系统技术，将为当前工业污水处理控制系统提供有效的自控方法。

1.2工业污水处理的国内外现状

我国工业污水处理技术从“七五”国家科技攻关开始逐步进行研究。

“七五”和“八五”攻关项目在氧化塘、土地处理和复合生态系统等自然处理技术方面的研究较多，以这些成果为设计依据，建立了一些氧化塘、土地处理等污水示范工程。

在人工处理技术方面，“八五”对高负荷活性污泥、高负荷生物膜、一体化氧化沟技术进行了深入研究。

研究成果己被应用于大批工业污水处理厂。

污水厂污泥处置问题在“九五”科技攻关中受到重视，并配套开发成套的污泥处理。

经过“七五”、“八五”和“九五”期间的努力，我国在工业污水处理技术方面取得了较大的成就。

目前在水污染治理技术上，我国已能提供下列工艺技术传统活性污泥法技术、各种新型活性污泥工艺如：

SBR法和氧化沟技术等、酸化水解好氧技术和多种类型的稳定塘技术等，这些污水治理技术已经在水体污染、改善水体环境方面发挥了突出的作用，标志着我国工业污水处理事业发展到了一个崭新的阶段。

现阶段，我国工业污水处理的工作重点已经从工艺技术的研究转移到具体项目的实施。

国际上，大规模的水污染治理是在第二次世界大战后，随着50年代经济的蓬勃发展带来的60年代日益严重性的环境污染而展开的。

工业污水处理设施中，城市排水管线和工业污水处理厂的兴建和运行在水污染控制中发挥着骨干作用。

至70年代末，美国投入了数千亿美元兴建了18000余座城市工业污水处理厂，英国、法国、德国更耗费了巨额资金兴建了7000至8000座城市工业污水处理厂。

这些工业污水处理厂的投入对国家的水体污染改善起了关键的作用，也为人类治理水污染积累了丰富的经验。

现在，这些国家的工业污水处理水平又有了进一步提高，兴建了一批具有脱氮除磷功效的设施，对水体质量改善和水环境保护起了重大的作用。

1.3海上平台污水处理系统方案的提出

海上平台污水处理系统的工艺流程是一级分离器分离出来的生产污水经过斜板除油器进行初次处理，处理后的污水含油量在200～400ppm，依靠重力流入加气浮选器进行处理，经过加气浮选器之后含油量达到30～60ppm，再通过输送泵进入双介质滤器，在这里处理后的污水含油量≤15ppm后就达到处理要求，然后送入储水罐，在经过注水缓冲罐打入油井下以平衡井下压力，提高采油量。

通过上述的工艺要求分析，我们在这里提出方案，由于在污水处理系统中许多罐体的液位需要控制，而且在液位控制中我们用的控制算法是离散式PID，算法在上位机组态中实现，下位机中我们用的西门子S7-200系列的PLC，CPU型号为226,PLC梯形图的编写用的是STEP7MicroWINSP6。

第2章渤中28-2南CEP生产污水处理系统

2.1海上平台污水处理系统工艺流程

渤中28-2SCEP生产污水处理系统基本工艺流程为：

一级分离器分离出来的生产污水→斜板除油器→加气浮选器→双介质滤器供给泵→双介质滤器→污水罐→注水缓冲罐。

图2-1生产污水处理系统工艺流程

一级分离器分离出来的生产污水经过斜板除油器进行初次处理，处理后的污水含油量在200～400ppm，依靠重力流入加气浮选器进行处理，经过加气浮选器之后含油量达到30～60ppm，再通过输送泵进入双介质滤器，在这里处理后的污水含油量≤15ppm后就达到处理要求，然后送入储水罐，在经过注水缓冲罐打入油井下以平衡井下压力，提高采油量。

2.2海上平台污水处理系统设备介绍

渤中28-2SCEP生产污水处理系统主要设备包括：

斜板除油器、加气浮选器、气浮循环泵、、双介质滤器、污水罐、污油罐、旋流除砂器、注水缓冲罐。

1.斜板除油器

勃中28-2SCEP设置有一台斜板除油器，它用来处理从一级分离器、生产水输送泵、分离出来的生产污水，斜板除油器分离的污油依靠重力进入污油罐，生产污水经处理后含油200～400ppm，依靠重力流入加气浮选器进行处理；斜板除油器顶部设置有呼吸阀PVSV-3001来控制容器的压力，当压力低于设定值（-1KPaG）时，来自燃料气洗涤罐的天然气进行补压，当压力高于设定值（6KPaG）时，泄压排放至冷空系统。

容器还设置了水封装置，水封高度为1000mm。

图2-2斜板除油器

工作原理：

在油井采出水中，油粒的分布方式主要分为三种：

一是粒径>100um的浮油，这种浮油约占总含油量的30%左右，在斜板除油器内通过沉降较易分离：

第二种是粒径在30～100um之间的分散油，通过短时间沉降不易分离，需要经过“粗粒化”，使油粒粒径变大到100um以上后，才能较快的从水中浮上来，这部分油约占含油量的50%左右；第三种油是粒径小于30um的细颗粒油，呈乳化状态，难以用一般的方法分离出来，至少经过二级处理-使油粒粗粒化，粒径增加到60um以上时，才能沉降分离出来。

根据上述油水二相中有利的特性分析，斜板除油器设计原理如下：

（1）粗粒化原理：

粗粒化就是利用有机高强材料或经改性处理的不锈钢材料对水中油粒的亲和粘浮能力。

使含油污水或非互溶的液液两相中的碳氢化合物或油，被吸附在这些特种亲油材料的表面，形成油膜，当油膜逐渐增厚，并在水力推动的条件下，油膜就会变为粒径>100um的油粒，并立即上浮到液面成为浮油，在用收集浮油的方法将油从水中分离出来，这个过程就是粗粒化过程。

（2）浅迟原理：

从工艺实用的角度来看，处理含油污水的油水分离技术主要是利用水和油的密度差来分离。

根据Stocks定律：

—出油效率

—水的密度

—油的密度

—油的粒径

—浮生面积

—水的黏度

—处理量

从公式可以看出，油滴的脱出效率只与水、油的粒径及表面负荷

有关，与浮升高度无关，这就是所谓的“浅迟原理”。

因此强化重力沉降从污水中除油，主要从两方面着手：

一是采取多层板结构，增大浮生面积，降低表面负荷，多层板距越小，在相同处理量情况下，就可以脱出粒径更小的油滴;二是使细小的油滴聚集成大油滴，从而提高油的浮生分离效率。

斜板除油器的设计就是依据上述的两个原理，使进入除油器的含油污水先进行斜板除油器，同时能除沙，再进入平流式波纹管聚结组合装置，除分散油和乳化油，所分离出的油上浮，并定时自动流入收油槽后排到污油罐中去回收，脱油后的生产污水从集油槽下面的通道流过，再从溢流堰板流至集水槽排出。

2.

加气浮选器

图2-3加气浮选器

勃中28-2SCEP设置有两台加气浮选器，它们并行安装。

从斜板除油器出来的生产污水靠重力流入加气浮选器，回流水与气体在文丘里高效汽水混合器中产生强烈的碰撞、混合，将气体大分子切割成细小的气体小分子，使气体以微细粒状态均匀的溶于液体中，形成被气体饱和，均相溶液溶气水，溶气水通过加气浮选器内的喷嘴释放，在水中产生均匀细微的气泡，这些气泡可以捕捉粒径在微米级的油粒并将其裹挟一起上浮，通过顶部的刮油器将污油收集至污油罐，加气浮选器分离的污油进入污油罐，处理后的生产污水（含油量30～60ppm）通过输送泵进入双介质滤器。

工作原理：

通过假期浮选器的文丘里高效汽水混合器和溶气释放器能产生大量的粒径小于10um的微小气泡，大量的小气泡与油滴粘浮，形成气泡—油滴聚合体，在浮力的作用下上升到液面，从而实现油水的分离，高效率脱油的条件除了适宜的操作，还必须有适宜的药剂，浮选所用的药剂一般有下面几个作用：

1、捕集；2、破乳及絮凝；3、起泡；4、协同。

一般情况下，无药剂或药剂不当，脱油效率只有70%～80%，而使用合适的药剂可达到90%～95%。

3.双介质滤器

图2-4双介质滤器

勃中28-2SCEP设置有两台双介质滤器，从加气浮选器出来的生产污水经过双介质滤器喂给泵增压至400KpaG后进入双介质滤器，双介质滤器主要作用是去除水中的污油和悬浮物颗粒，使污水满足回注要求，处理后的污水含油量≤15ppm，90%～95%的大于3um的固体颗粒将被去除，处理合格后的生产污水进入注水系统，正常操作条件下，两台双介质滤器是同时工作的。

工作原理：

过滤就是通过滤料床的物理和化学作用来去除污水中的微小悬浮物和油珠等，过滤法是一种用于含油污水深度处理的方法，过滤的一方面是通过滤料的机械筛选作用，把悬浮固体、油珠及细菌藻类截留在滤料表面，或转到先前被截留在滤料内的絮凝体表面：

另一方面，通过滤料的电化学特性把悬浮物等吸附在滤料表面。

4.污水罐

勃中28-2SCEP污水系统设置有一个污水罐，主要是接收双介质滤器及二级分离器分离出来的生产污水，通过污水泵将生产污水输送到斜板除油器进行处理。

5．污油罐

勃中28-2SCEP污水系统设置有一个污油罐，主要是接收斜板除油器和加气浮选器以及双介质滤器输送的生产污油，通过污油泵将污油输送到原油处理系统进行处理。

如下图：

图2-5污油罐

5.注水缓冲罐

勃中28-2SCEP污水系统设置有一个注水缓冲罐，用它来接收处理合格的生产污水，在注入地下油井中来保持地下压力平衡，增加原油产量。

图2-6注水缓冲罐

6.旋流除砂器

图2-7旋流除砂器

旋流除砂器由筒体和椎体二部分组成，壳体上部，即筒体部分分开有切线形进水口，筒体内有旋流组合件，椎体底部开有排砂口，通体顶部开有排水口。

地层水进入除砂器旋流管室后，迅速切向进入各旋流管切向进水口，地下水依靠自身的压力，在旋流管内做高速圆周运动，由于离心力的作用，水中沙砾迅速离开圆心，逐渐沉降到管壁，并最终沉降到排砂口，脱离的地下水沿着旋流管的中心不断的上升，并通过出水口排出，从而源源不断的完成地下水的除沙、净化的作用，在除砂器的下部设有锥形斗，该部件的作用是将各旋流产生的泥沙汇集起来，并通过锥形斗端部的砂水排出管阀将泥沙排出。

2.3海上平台污水处理系统监控操作

在系统正常投入工作后，每天都要对系统进行监控操作，对主要设备的液位、阀门、流量的进行控制，对处理后的水质进行抽样检查，看看是否合格，如果不合格尽快通知相关人员对系统进行检查。

在监控操作的过程中，主要分两部分，一部分是通过中控室进行远程监控，一部分是通过现场的查点进行监控，两个是有机的结合起来的，并能通过无线设备进行相互的通信。

为了更好的对系统进行控制，对监控人员列出了一下要求：

（1）生产污水处理系统主要设备的液位、温度、压力、流量和各类调节阀、PCV阀、SDV阀等的动态变化和运行状态。

（2）生产污水处理系统各个泵的运行状态和相关的压力、流量、振动、电流、电压等参数的变化。

（3）化验人员定期对水相出口取样化验，并及时将化验结果报告生产监督。

（4）生产污水处理系统各种报警信号的确认和处理。

（5）现场操作人员通过听、看、闻、摸分析设备的运转状态，确保其运转正常，发现问题及时处理、反映。

（6）现场操作人员在日常巡检过程中，对生产污水处理系统相关的设备进行油气泄漏检查，严防跑、冒、滴、漏现象的发生。

（7）现场操作人员定期对生产污水处理系统现场仪表进行排液，防止由于管线集液冷凝、冻结导致仪表控制失灵，造成恶性生产事故。

（8）现场操作人员定期对生产污水处理系统的电伴热系统进行检查（冬季），发现问题及时反馈。

（9）现场操作人员根据录取的生产污水处理系统动态参数，进行相应的流程动态分析，发现问题早处理、早反馈，防止不必要的生产事故。

（10）现场操作人员巡检时目测各取样点污水水质，根据具体情况调整流程。

2.4小结

在本章中我们研究了海上平台污水处理系统的工艺流程，学习了系统所用的设备，并且怎么去控制这些设备去工作，怎么去判断是否出现故障，怎么对设备进行维护，以及正常的运行工作，了解完这些后，让我对系统有了清晰明了的想法，在接下来的章节中，对系统的设计更加游刃有余，为接下来系统的开发做好基础。

在接下来组态的开发中，我们主要围绕着系统的设备进行控制，让各个设备协调的工作，在下位机PLC中，我们主要是围绕着对现场数据的采集，以及对现场阀门的控制量进行控制，以保证各个设备的实际值达到设定值。

第3章污水处理系统控制算法

3.1污水处理系统控制算法的选择

在污水处理系统中，我们要控制各个罐体的液位，在这里我们要在上位机中编写控制算法程序来控制液位，控制算法有很多，比如PID控制、模糊控制、神经网络控制等。

在这里我们最为熟悉的就是PID控制算法，也跟专业相匹配，并且它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术，所以在这里我们用PID控制算法。

3.2污水处理系统PID控制算法

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

PID控制，实际中也有PI和PD控制。

PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

比例（P）控制：

比例控制是一种最简单的控制方式。

其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。

当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。

积分（I）控制：

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。

对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。

为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。

积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。

这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。

因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

微分（D）控制：

在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。

自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。

其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。

解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。

这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。

所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

3.3污水处理系统PID控制算法编写

在上位机中我们在控制各个液位中用的是PID控制算法，在计算机编程中我们用的位置式PID算法，当执行机构需要的是控制量的绝对值，而不是控制量的增量时，需要用PID的位置式算法。

连续式PID式子如下：

将模拟PID控制规律变换成差分方程，可做如下近似：

则连续的PID就被离散化了得到如下式子：

式中u（k）为执行机构的位置，如阀门开度，因此称为位置型控制算式。

在组态中我们就是用的离散式位置型PID式子，把式子用C语言写到组态的程序控制脚本中，来控制液位，程序如下：

/*斜板除油器液位PID控制起始*/a1=0.1;a2=0.2;a3=0.125;e_xie1=e_xie2;e_xie2=e_xie3;e_xie3=xie_level.PV-sp_xie;sum_xie1=sum_xie1+e_xie3;u_xie=KP_xie*e_xie3*a1+KI_xie*sum_xie1*a2+KD_xie*a3*（e_xie3-e_xie2）;xie_waterout.PV=u_xie;/*水液位PID控制结束*/

其控制曲线如下图所示：

图3-1PID控制曲线

3.4小结

在这里我们通过对污水处理系统的分析，选择了PID控制算法，并且了解了PID控制算法，在PID控制算法中我们用的是离散式位置型PID，算法，并且在组态的控制脚本中把控制程序用C