联合站污水处理监测控制系统设计.doc

联合站污水处理监测控制系统设计.doc

《联合站污水处理监测控制系统设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《联合站污水处理监测控制系统设计.doc（40页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

摘要

污水处理是油田联合站生产过程的一项重要环节，因为含油污水不合理处理回注和排放，不仅使油田地面设施不能正常运行，而且会因地层堵塞而带来危害，同时也会造成环境污染，影响油田安全生产。

因此必须合理的处理利用含油污水。

本设计基于组态王工业控制软件，根据分析油田联合站的污水处理的工艺流程。

从油田污水处理安全、高效的角度出发。

最终设计出了基于PID控制、水罐液位控制、阀门开度控制的监测控制系统，同时为了更安全,在控制系统中加入了报警、报表、手动和自动的控制，以保证生产工作顺利的进行。

经过实验验证，所设计的污水处理监测控制方案达到了预期的设想,满足控制要求。

既保护了生态环境,又保证了油田污水处理生产过程的安全高效,降低了油田生产成本。

关键词：

污水处理；组态王；PID控制；液位

Abstract

Wastewatertreatmentisoilfieldproductionstationisanimportantlinkoftheprocess,becauseofoilywastewaterunreasonableprocessinginjectionandemissions,whichnotonlythenormaloperationofoilfacilities,andwillnotharmcausedbyformationplug,alsocancauseenvironmentalpollution,influencingoilfieldssafetyproduction.Thereforemustbereasonableutilizationofoilywastewatertreatment.

ThedesignisbasedonconfigurationKingviewontrolsoftware,accordingtotheanalysisofoilstationofwastewatertreatmentprocess.Fromthesewageprocessingsafe,efficient.ThefinaldesignbasedonPIDcontrol,waterlevelcontrolvalvecontrolandmonitoringcontrolsystem,atthesametime,inordertosaferinthecontrolsystemofalarm,statements,joinedthemanualandautomaticcontrol,inordertoensureproductionworksmoothly.Throughtheexperiment,thedesignofwastewatermonitoringcontrolschemereachedtheexpected,meettheneedsofthecontrolsystem.Toprotecttheecologicalenvironment,aswellasthesewageprocessingmanufacturinghighquality,reducethecostofoilfieldproduction.

Keywords:

sewagetreatment,Kingview,PIDcontrol,level

37

目录

第1章概述 1

1.1课题研究背景与意义 1

1.2国内外技术现状 2

1.3课题的主要研究内容 5

第2章总体设计分析及方案 6

2.1联合站污水处理工艺分析 6

2.2污水处理工艺 6

2.3反冲洗工艺 7

2.4污水处理工艺流程图 9

第3章PID基础知识及参数整定 11

3.1PID算法 11

3.2PID液位控制参数整定 13

第4章监测控制系统设计 16

4.1总体的控制系统 16

4.2上位机和下位机的选择 18

4.3报警的设计 21

4.4历史记录的存储和查询设计 23

4.5报表的显示和打印设计 25

4.6仪表的选择 26

4.7检测控制运行结果 27

4.8系统实现的功能 28

结论 29

致谢 30

参考文献 31

附录1 32

附录2 33

第1章概述

1.1课题研究背景与意义

一、污水处理利用的重要性

如果含油污水不合理的处理回注和排放，不仅使油田地面设施不能正常运行，而且会因地层堵塞而带来危害，同时也会造成环境污染，影响油田安全生产。

因此必须合理的处理和利用含油污水。

随着油田注水开发生产的进行，到来了两大问题。

一是注入水的水源问题，人们希望得到能量大而稳定的水源，油田注水开发初期注水水源是通过开采浅层地下水或地表水来解决的，过量开采清水会引起局部底层水位下降，影响生态环境；二是原油含水量不断上升，含油污水量越来越大，污水的排放和处理是个大问题，大量含油污水不合理排放会引起受纳水体的潜移性侵害，污染生态环境。

在生产实践中，人们认识到油田污水回注是合理开发和利用水资源的正确途径。

二、腐蚀防护与环境保护

众所周知，水对金属设备和管道会产生严重的腐蚀，油田含油污水由于矿化度高，又溶解了不同程度的硫化氢、二氧化碳等酸性气体的溶解氧，这样的污水回收处理和回注地层会对处理设施、回注系统产生腐蚀。

例如某油田一条钢质污水回注管线一年内腐蚀穿孔123次，注水泵一般运行6-15天即因腐蚀被迫停产，点蚀程度达到4毫米。

由于油田污水水质十分复杂，污水中大量成垢盐类随着温度、压力变化，以及因与不同水体的混合，将出现结垢、堵塞现象。

例如，某油田一口油井投产仅10天，集油管就因结垢而被堵死，先后更换6次管线，最后被迫关井。

污水中含有大量的有机物，加上适宜的温度范围为有害细菌提供了良好的滋生环境。

例如某南方油田注水泵，由于细菌生长，泵吸入口滤网出现了粘膜，使其发生了堵塞。

又如，某油田污水中含有硫酸盐还原菌达7.5×104个/ml；另一油田污水贴细菌含量则达到1.5×105个/ml。

细菌增生严重制约了油田污水处理和注水系统的正常生产。

针对我国目前污水处理现状，个陆上油田污水基本后进行处理回注，最大限度地减少污水直接外排，从而达到了保护环境的目的。

另外，针对油田污水腐蚀、结垢和细菌增生造成的危害，应采取有力的缓蚀、阻垢和杀菌措施，不断提高和改进油田水处理技术，充分预防对金属设备、管道和注水系统设施产生较严重的腐蚀[1]。

三、合理利用污水资源

由于现代工业的迅速发展和城市人口的增加，生活用水和工业用水急剧增加，因此不少国家颇感水源不足。

解决水源短缺的方法之一是提高水的循环利用率。

石油行业注水开发油田，随着开采时间的延长采出污水量逐渐增加，将油田污水经处理后代替地下水进行回注是循环利用水的一种方式。

如果污水处理回注率为100%，即不管原油含水率多高，从油层中采出的污水和地面处理、钻井、作业过程排出的污水全部处理回注，那么注水量中只需补充由于采油造成地层亏空的水量便可以了。

这样，不仅可以节省大量清水资源和取水设施的建设费用，而且，使油田污水资源变废为宝，实施可持续发展，提高油田注水开发的总体技术经济效益。

在石油开采过程中产生的工业污水未经任何处理或者仅经过非常简单的沉淀及油水分离后就排放在工业现场,对生态环境造成了极大的破坏,同时也造成了资源的浪费。

大庆油田在近几年实施污水处理计划,开展污水处理生产项目,其中污水处理的自动化控制是污水处理项目中的重要组成部分。

通过对生产污水的处理,进一步油水分离,沉淀分离水中悬浮物,将生产污水处理成酸碱度适宜,所含盐分较少的工业净化水。

这样一方面可以减少工业污水对油田生态环境的破坏,具有长远的社会意义;另一方面可以充分利用油田污水的可再用资源,减少对普通油井回注水的需求,节约生产成本和资源消耗,具有很大的经济意义。

1.2国内外技术现状

.1.2.1物理法

物理处理法的重点是去除废水中的矿物质和大部分固体悬浮物、油类等。

物理法主要包括重力分离、离心分离、过滤、粗粒化、膜分离和蒸发等方法。

重力分离技术，依靠油水比重差进行重力分离是油田废水治理的关键。

从油水分离的试验结果看，沉淀时间越长，从水中分离浮油的效果越好。

自然沉降除油罐、重力沉降罐、隔油池作为含油废水治理的基本手段，已被各油田广泛使用。

离心分离是使装有废水的容器高速旋转，形成离心力场，因颗粒和污水的质量不同，受到的离心力也不同。

质量大的受到较大离心力作用被甩向外侧，质量小的则停留在内侧，各自通过不同的出口排出，达到分离污染物的目的。

含油废水经离心分离后，油集中在中心部位，而废水则集中在靠外侧的器壁上。

按照离心力产生的方式，离心分离可分为水力旋流分离器和离心机。

其中水力旋流器，由于具有体积小、重量轻、分离性能好、运行安全可靠等优点，而备受重视。

目前在世界各油田，如中东、非洲、西欧、美洲等地区的海上和陆地油田都有应用。

我国引进的数套Vortoil水力旋流器，在油田污水处理上取得了良好的效果。

粗粒化，是指含油废水通过一个装有粗粒化材料的设备时，油珠粒径由小变大的过程。

目前常用的粗粒化材料有石英砂、无烟煤、蛇纹石、陶粒、树脂等材料。

粗粒化除油罐用以去除经前期治理后的含油污水中的细小油珠和乳化油。

过滤器有压力式和重力式两种，目前我国油田普遍采用的是压力式，有石英砂过滤器、核桃壳过滤器、双层滤料过滤器、多层滤料过滤器等。

近年来，随着纤维材料的发展，以纤维材料为滤料发展起来的深床高精度纤维球过滤器，因其具有纤维细密、过滤时可形成上大下小的理想滤料空隙分布、纳污能力大、反洗滤料不流失等优点，发展迅速。

膜分离技术被认为是“21世纪的水处理技术”，是一大类技术的总称。

主要包括微滤、超滤、纳滤和反渗透等几类。

这些膜分离产品均是利用特殊制造的多孔材料的拦截能力，以物理截留的方式去除水中一定颗粒大小的杂质。

特别是超滤，己经在除油的相关研究中取得了—定的进展，逐渐从实验室走向实际应用阶段，Humphery等人采用Membralox陶瓷膜进行了陆上和海上采油平台的采出水处理研究，经过适当的预处理后取得了较好的效果，悬浮物含量由73～290mg/L降低到1mg/L以下，油含量由8～583mg/L降低到5mg/L以下。

Simms等人采用高分子膜和Membralox陶瓷膜对加拿大西部的重油采出水进行了处理，悬浮物含量由150～2290mg/L降低到1mg/L以下，油含量由125～1640mg/L降低到20mg/L以下。

美国在1991前后研究了一种陶瓷超滤膜处理采出水用于油田回注，在美国路易斯安那、墨西哥湾的海上和陆上油田进行了小规模生产实验。

采出水先进行投加化学药剂和沉降分离常规处理后，出水含油为27～583mg/L，经过超滤处理后降为10mg/L以下。

美国加利福尼亚的德克萨斯砂道油田位于萨里纳斯谷，气候干旱，特别是近几年来地下水位降到临界点，因此研究决定向地下水注入高质量的水以补充水源的不足，实验以砂道油田采出水作为水源，用膜法处理使其满足饮用或灌溉要求。

Chen等对0.2～0.8µm陶瓷膜处理油田采出水进行了研究，发现经过Fe（OH）2预处理，可使油质量分数由27×10－6～583×10－6降低到5×10－6以下，悬浮固体由73×10－6～350×10－6降低到1×10－6以下，通过反冲和快速冲洗，膜通量能在较长时间内达到3000L/（m2．h）。

在国内，李永发等用超滤膜处理胜利油田东辛采油厂预处理过的废水，处理后油截留率为97.7%，能达到低渗透油田回注水标准。

梁立军等用中空纤维超滤器对大庆油田的注水站的回注水进行了试验，开发的膜组件在通量上比常规的中空纤维组件大3～4倍，在0.08MPa的压差下，其通量最大。

温建志等采用中空纤维超滤膜对油田含油废水进行了处理，研究表明，总悬浮固体质量浓度由6.69mg/L下降为0.56mg/L，油质量浓度由127.09mg/L下降为0.5mg/L，达到满意的效果。

王怀林等采用南京化工大学膜科学技术研究所生产的0.2µm和0.8µm陶瓷微滤膜对江苏真武油田的采出水进行处理，效果很好。

1.2.2化学法

化学法主要用于处理废水中不能单独用物理法或生物法去除的一部分胶体和溶解性物质，特别是含油废水中的乳化油。

包括混凝沉淀、化学转化和中和法。

混凝沉淀法是借助混凝剂对胶体粒子的静电中和、吸附、架桥等作用使胶体粒子脱稳，在絮凝剂的作用下，发生絮凝沉淀以去除污水中的悬浮物和可溶性污染物。

目前采用的混凝剂主要有铝盐类、铁盐类、聚丙烯酰胺（PAM）类、接枝淀粉类等。

化学氧化是转化废水中污染物的有效方法，能将废水中呈溶解状态的无机物和有机物转化为微毒、无毒物质或转化成容易与水分离的形态。

该法分为化学氧化法，电解氧化法和光化学催化氧化法3类。

化学氧化是指利用强氧化剂（如O2、O3、Cl2、H2O2、KMnO4、K2FeO4等）氧化分解废水中油和COD等污染物质以达到净化废水的一种方法。

电解氧化法是指在废水中插上电极，通以一定的直流电．废水中的油和COD等污染物在阳极发生电氧化作用或与电解产生的氧化性物质（如C12、C1O－、Fe3－等）发生化学氧化还原作用，以达到净化废水的一种方法。

光化学催化氧化法是指以半导体材料（如TiO2、Fe2O3、WO3等）利用太阳光能或人造光能（如紫外灯、日光灯等）使废水中的油和COD等污染物质降解以达到净化废水的一种方法。

目前常用的处理含油废水的方法包括超临界水氧化、湿式空气氧化、臭氧氧化、TiO2电极氧化、Fenton试剂氧化等[2]。

1.2.3物理化学法

油田污水物化处理法通常包括气浮法和吸附法两种。

气浮法是将空气以微小气泡形式注入水中，使微小气泡与在水中悬浮的油粒粘附，因其密度小于水而上浮，形成浮渣层从水中分离。

常投加浮选剂提高浮选效果，浮选剂一方面具有破乳作用和起泡作用，另一方面还有吸附架桥作用，可以使胶体粒子聚集随气泡一起上浮。

张登庆等把电气浮技术应用于油田采出水处理中，研究表明电气浮工艺用于油田采出水除油及杀菌是可行的。

阳极用于除油，阴极用于杀菌，除油率为80％～90％，电耗约为0.1kW•h/m3。

吸附法主要是利用固体吸附剂去除废水中多种污染物。

根据固体表面吸附力的不同，吸附可分为表面吸附、离子交换吸附和专属吸附三种类型。

油田污水处理中采用的吸附主要是利用亲油材料来吸附水中的油。

常用的吸附材料是活性炭，由于其吸附容量有限，且成本高，再生困难，使用受到一定的限制，故一般只用于含油废水的深度处理。

因此，近年来开展了寻求新的吸油剂方面的研究，研究主要集中在两点：

一是把具有吸油性的无机填充剂与交联聚合物相结合，提高吸附容量：

二是提高吸油材料的亲水性，改善其对油的吸附性能。

20世纪70年代，美国学者Richard首次提出了超声波辐照的化学效应，随着超声波技术的不断发展，大功率超声波设备的问世，超声波的物理化学效应逐渐成为人们的研究热点。

20世纪90年代以来，国内外学者纷纷致力于超声波降解有机物的研究，开始将超声波应用于控制水污染，尤其是治理废水中难以降解的有毒有机污染物，结果表明，超声波对污染水体的降解机理是声空化效应及由空化产生的增强化学反应的活性自由基的作用。

李书光等在超声波处理石油污水的实验中探讨了时间、功率、PH值和温度的影响。

另外，徐有生等取得专利并大力推广的微波能水处理技术，也开始应用于油田污水。

1.2.4生物法

生物法是利用微生物的生化作用，将复杂的有机物分解为简单的物质，将有毒的物质转化为无毒物质，从而使废水得以净化。

根据氧气的供应与否，将生物法分成好氧生物处理和厌氧生物处理，好氧生物处理是在水中有充分的溶解氧的情况下，利用好氧微生物的活动，将废水中的有机物分解为CO2、H2O、NH3、NO3¬等；厌氧生物处理的特点是可以在厌氧反应器中稳定的保持足够的厌氧生物菌体，使废水中的有机物降解为CH4、CO2、H2O等。

生物法较物理或化学方法成本低，投资少，效率高，无二次污染，广泛为各国所采用。

油田废水可生化性较差，且含有难降解的有机物，因此，目前国内外普遍采用A/O法、接触氧化、曝气生物滤池（BAF）、SBR、UASB等处理油田污水[3]。

1.3课题的主要研究内容

本设计主要是利用组态王这种工业控制对象人机接口的智能软件，来监测控制油田联合站污水处理的整个过程，以防止危险出现，防患于未然以保证油田联合站的污水处理过程安全、高效的运行。

本设计主要是利用PID算法来控制整过水罐液位的变化，通过各参数的调整及工程经验来选出合理的参数。

通过组态王软件显示报警、报表、历史曲线和实时曲线等我们需要了解的数据。

我们通过这些数据来检测控制污水处理过程，保证其安全、有效的运行。

主要的研究内容如下：

1、掌握组态王的基础知识及PID控制的各种原理公式；

2、然后分析、研究污水处理工艺，利用组态王设计污水处理的工艺流程图；

3、最后根据控制要求画出控制界面，在控制界面上实现检测控制；

4、结合组态王软件调试、修改程序，实现污水处理的自动控制。

第2章总体设计分析及方案

2.1联合站污水处理工艺分析

油田污水是从生产单井和各计量站、原油联合站等各生产环节对原油进行简单的油、水、气三相分离后直接产生的。

这种油田污水直接排放到地表会造成对环境的污染,直接回注到地层既容易腐蚀回注设备也容易造成对油层和地下水的破坏。

油田的污水成分较为复杂,主要包括少量原油、固体杂质颗粒、硫化物等。

目前,大庆油田主要采用向污水中添加化学药剂通过破乳、絮凝、中和等化学方法结合沉降、过滤等物理手段的净化方法对油田污水进行处理。

由于污水中含有少量的原油,仅仅通过物理方法很难达到彻底除油的目的,因此需要在提升泵的入口处加入适量破乳剂将原油从水胞中剥离,再通过油水分离就能很好地起到除油的作用;油田的生产污水基本上是偏酸性的,酸性污水对管道设备的腐蚀很严重,因此就需要在反应罐中添加复合碱以提高PH值。

污水中的固体杂质颗粒是监测水质否标的重要指标之一,这些杂质颗粒一般是悬浮在污水中使污水呈混浊状态,通过在反应罐中添加絮凝剂使这些杂质结成絮状物沉淀下来,能够大大改善污水的水质，通常为了平衡水中各种盐分比例进一步改善产出水质,还要投加一定量的离子调整剂。

本控制系统其工艺流程为：

来自联合站的污水，进入缓冲罐，通过缓冲罐的升压泵将污水打入过滤罐进行过滤，经过滤后的污水最后输出到站外，供联合站其它系统使用；需要对过滤罐进行反冲洗时，用反冲洗泵将反冲洗罐液体打入过滤罐进行反冲洗操作，最后把反冲洗产生的深度污水回收到回收池。

根据工艺人员提供回收池水位来控制阀门的大小。

使回收池的水位不能太高也不能太低，太高容易溢出，而太低更易发生危险。

从工艺流程上可以看出,回收池的水位对整个控制系统的安全有着非常重要的作用,系统必须尽可能保证反应罐入口来水流量的稳定性,在反应罐前增加污水调储罐和在反应罐入口添加污水提升泵,并由系统进行联锁控制调节储罐的液位和提升泵的排量力求流量稳定,这样会大大增加控制系统的安全性[4]。

2.2污水处理工艺

来自联合站的污水，进入缓冲罐，通过缓冲罐的升压泵将污水打入过滤罐进行过滤，经过滤后的污水最后输出到站外，供联合站其它系统使用。

图2-1给出了油田联合站污水处理的工艺流程简图。

虑罐的进水方式为上进下出方式。

图2-2给出了虑罐的进水方式图[5]。

含有污水

缓冲水罐

升压处理

一次处理

二次处理

物理杀菌

回收注入

加药处理

图2-1污水处理工艺流程

图2-2虑罐的进水方式图

2.3反冲洗工艺

油田联合站反冲洗过程是采油生产中的一项基础工作，它对油田污水过滤罐的过滤系统进行清洗操作，是提高油田污水过滤效果的一个重要措施，因为的污水成分较为复杂,主要包括少量原油,固体杂质颗粒、硫化物等。

反应器经过一段时间后会沉积一些杂质、污垢，长期累计会影响反应器的使用寿命，并影响沉淀速度。

这时就需要定期进行反冲洗。

这样不仅延长了过滤罐的使用寿命，而且提高了石油生产的经济效益。

目前的一些联合站反冲洗系统没有监控报警和自动控制系统，使岗位工人的工作量很大，同时由于人为疏忽导致生产事故，影响了正常工作生产。

因此，研究反冲洗过程自动控制系统，推广应用反冲洗系统的自动监控报警技术对于提高反冲洗效率和联合站自动化水平具有十分重要的意义。

当需要对过滤罐进行反冲洗时，用反冲洗泵将反冲洗罐液体打入过滤罐进行反冲洗操作，最后把反冲洗产生的深度污水回收到回收池。

图2-3反冲洗处理工艺流程。

反冲洗时虑罐的进水方式为上进下出方式。

图2-4给出了反冲洗时虑罐的进水方式图[6]。

反冲洗水罐

反冲洗

回收水池

下一

流程

加压处理

图2-3反冲洗处理工艺流程

图2-4冲洗时虑罐的进水方式图

2.4污水处理工艺流程图

来自联合站的污水，进入缓冲罐，通过缓冲罐的升压泵将污水打入过滤罐进行过滤，经过滤后的污水最后输出到站外，供联合站其它系统使用。

当需要对过滤罐进行反冲洗时，用反冲洗泵将反冲洗罐液体打入过滤罐进行反冲洗操作，最后把反冲洗产生的深度污水回收到回收池。

根据以上的工艺设计我用组态王这种工控软件来设计整个工艺流程，组态王6.5是亚控科技在组态王6.0x系列版本成功应用后，广泛征询数千家用户的需求和使用经验，采取先进软件开发模式和流程，由十多位资深软件开发工程师历时一年多的开发，及四十多位试用户一年多的实际现场考验。

使用更方便，功能更强大，性能更优异，软件更稳定，质量更可靠。

组态王是亚控科技设计的在PC机上建立工业控制对象人机接口的一种智能软件包，它以Windows98/Windows2000/WindowsNT4.0中文操作系统作为其操作平台，具有图形功能完备，界面一致友好，易学易用的特点。

该软件包由工程管理器（ProjManager）、工程浏览器（TouchExplorer）、画面运行系统（TouchVew）三部分组成。

ProjManager用于新建工程、工程管理，并能对已有工程进行搜索、备份及有效恢复，实现数据字典的导入和导出。

TouchExplorer是“组态王”软件的核心部分和管理