基于DCS的生活水处理装置控制系统设计

王海向

(中石化中原石油工程设计有限公司，河南 郑州 635000)

随着中国水处理系统自动化控制技术的飞速发展，先进的分散控制系统(DCS)逐步取代了“现场仪表加调节器加人工操作”为主的传统水处理控制方式[1]。由于DCS卓越的自控性能以及稳定的运行状况，在某煤炭深加工示范项目全厂生活水处理装置中取得了良好的效果。

1 生活水处理装置工艺流程

1.1 工程概况

该煤炭深加工示范项目为大型煤化工项目，以煤为原料生产甲醇，由甲醇转化生产乙烯、丙烯，最终制得多牌号聚丙烯及聚乙烯产品。全厂生活水处理装置为其配套的公用工程装置之一[2]。该装置以井水和生产给水为原水，在生产水调节池内加压后输送至预处理单元和膜处理单元进行过滤，从而得到符合饮用水卫生标准的混合产水作为化工区、宿舍楼和煤矿区的生活用水。根据来水及产水水质的要求，该装置采用“调节池加多介质过滤加活性炭吸附加超滤加纳滤加消毒出水”的水处理工艺，包括调节池、预处理单元、膜处理单元、加药辅助和生活水加压等主要部分。

1.2 工艺流程

全厂生活水处理装置工艺流程如图1所示。生产给水及井水作为原水，在生产水调节池内对水量波动进行调节，同时对原水中的有机物、盐分等污染物质进行调节、均合。通过管式静态混合器投加絮凝剂和混凝剂，经多介质过滤器及活性炭过滤器的组合，去除较大颗粒、密实性较好的絮体，使浊度、色度等主要指标达到生活饮用水卫生标准。活性炭过滤器的一部分产水直接输送至生活水箱，另一部分产水经膜处理单元后输送至生活水箱。在膜处理单元中超滤主机可去除水中的悬浮物、胶体、细菌和有机物等杂质，满足了后续纳滤主机的进水条件。纳滤主机主要去除水中的可溶性盐分、胶体、有机物及微生物，使最终产水达到优良的饮用标准。混合产水在进生活水箱之前会投加二氧化氯以保证管网余氯含量；最终符合饮用水卫生标准的生活水经水泵加压从生活水箱输送至各用户。

在生活水处理过程中，过滤反冲洗的排水加压输送至净水场进水管道进行处理，膜处理反冲洗的排水加压输送至全厂生产废水管网。

图1 水处理装置工艺流程示意

2 生活水处理装置控制系统总体设计

2.1 控制系统的总体方案

全厂生活水处理装置由预处理单元系统、膜处理单元系统、加压系统、加药系统和清洗系统等组成，其中预处理单元系统和膜处理单元系统的控制是整个装置控制系统的核心。各个系统配有单独的电控柜。电控柜内电动阀和泵的控制信号采用硬连接方式接入DCS。根据装置各系统的自动控制逻辑图进行DCS的组态，从而实现各系统的远程监控。

1) 预处理单元控制系统主要包括多介质过滤器和活性炭过滤器的顺序控制。

2) 膜处理单元控制系统主要包括管壳式换热器、超滤主机、纳滤供水泵、纳滤高压泵和纳滤主机的顺序控制。

3) 加压控制系统主要包括生产水提升泵、超滤供水泵和生活给水泵撬等的远程控制。

4) 加药控制系统主要包括二氧化氯加药机、盐酸加药机、次氯酸钠加药机和氢氧化钠加药机等的远程控制。

5) 清洗控制系统主要包括膜系统化学清洗装置、过滤反冲洗泵、超滤反冲洗泵和膜系统排污泵等的远程控制。

2.2 DCS配置及构成

全厂生活水处理装置采用ECS-700 DCS进行集中监控，实现装置的顺序控制、工艺联锁、监视和管理[3]。DCS配置构成如下：

1) 控制节点。包括控制站及过程控制网上与异构系统连接的通信接口等。

2) 操作节点。包括工程师站、操作员站、组态服务器、数据服务器等连接在过程信息网和过程控制网上的人机会话接口站点。

3) 系统网络。包括I/O 总线、过程控制网、过程信息网、企业管理网等[4]。

全厂生活水处理装置与净水场装置共用DCS工程师站、历史趋势服务器、AMS区域服务器、ODS区域服务器、交换机和网络设备机柜等设备。生活水处理装置新增1个控制站和1个操作站。生活水处理装置和净水场数据通过冗余通信光缆从现场机柜室传送到全厂中心控制室。全厂中心控制室内净水场工程师站可对生活水处理装置进行全部的控制、监视、报警及报表等操作。

3 预处理单元控制系统的设计

预处理单元包括3台多介质过滤器和3台活性炭过滤器。多介质过滤器内装有石英砂、无烟煤和砾石三种滤料，用于除去水中的悬浮物、颗粒和胶体，降低进水的浊度和污染指数，满足活性炭过滤器的进水要求。活性炭过滤器主要是利用粒状活性炭的吸附机理来吸附水中的有机物和余氯，去除胶体渣、含铁元素的化合物和悬浮物，进一步降低水的色度和浊度，提高产水的质量。使用中可以通过周期性的清洗来维持两种过滤器的截污能力[5-6]。

3.1 多介质过滤器

每台多介质过滤器配有进水电动阀、产水电动阀、初滤电动阀、反洗进水电动阀、反洗排水电动阀、反洗进气电动阀和排气电动阀各1台，可自动/人工进行控制。每台过滤器配有电控柜1台，所有电动阀控制信号从电控柜接入DCS，由DCS进行远程控制。多介质过滤器设有三罐和双罐运行模式，可人工选择运行模式。多介质过滤器采用时间控制，可实现自动控制气冲洗、水冲洗、初滤和过滤4个流程的运行，也可定时自动/人工启动反冲洗流程。反洗水来自过滤反冲洗泵，反洗气来自工程空气罐。

1) 反洗。关闭进水电动阀和产水电动阀，打开排气电动阀和反洗排水电动阀，检测以上阀门到位后，完全开启反洗进气电动阀3～4 min后，关闭反洗进气电动阀。待完全关闭后，打开反洗进水电动阀，阀门开启到位后，启动过滤反冲洗泵。过滤反冲洗泵运行约2 min后，关闭排气电动阀，过滤器进入水冲洗状态。

2) 初滤。过滤反冲洗水泵运行5～10 min后，停止该泵。关闭反洗进水电动阀，打开进水电动阀和初滤电动阀，关闭反洗排水电动阀，过滤器进入初滤状态。

3) 过滤。初滤运行约4 min后关闭初滤电动阀，打开进水电动阀和产水电动阀。待电动阀开启到位后，开启第1台生产水提升泵。运行平稳5 min后开启第2台生产水提升泵。水泵运行正常后，过滤器进入正常过滤状态。

3.2 活性炭过滤器

活性炭过滤器与多介质过滤器相比，不同点在于减少了反洗进气电动阀，自控逻辑中减少了气冲洗流程。活性炭过滤器的产水一部分进生活水箱，另一部分进活性炭产水池，经超滤供水泵加压后进入膜处理单元。在进生活水箱前管道上安装有浊度计、电磁流量计和电动调节阀，对其流量进行自动调节。当浊度值小于1 NTU时，活性炭过滤器产水水质才达标。

4 膜处理单元控制系统的设计

膜处理单元包括管壳式换热器、自清洗过滤器、超滤主机、纳滤供水泵、纳滤保安过滤器、纳滤高压泵和纳滤主机。控制系统包括对以上设备的顺序控制。

活性炭过滤器产水经超滤供水泵加压进入管壳式换热器用于保证水的温度，然后进入自清洗过滤器，保证水质满足超滤主机进水要求。水经超滤主机中的膜系统处理后进入超滤产水池，由纳滤供水泵加压后进入纳滤保安过滤器进一步保证纳滤主机供水水质。水由纳滤高压泵加压后进入纳滤主机，经纳滤膜系统处理后输送至生活水箱[8]。

4.1 超滤主机

膜处理单元设有2套超滤主机，运行时同时使用。每套超滤主机配有产水电磁流量计1台，进水电动阀、产水电动阀、水洗电动阀、浓水电动阀、排放电动阀和气洗电动阀各1台，可自动/人工进行控制。每套主机配有电控柜1台，流量计信号、电动阀控制信号由电控柜接入DCS，实现远程控制。超滤主机可实现就地/远程控制过滤、气洗、反冲洗和正冲洗等流程。气洗用气来自工程空气罐。2套超滤主机错开气洗、反冲洗[9]过程。

当超滤主机运行一定时间后，其产水量下降，清洗控制系统会用酸洗和碱洗对其进行加强反冲洗或化学清洗。

1) 过滤。打开进水电动阀和产水电动阀，待电动阀开启到位后，开启第1台超滤供水泵，运行平稳5 min后开启第2台超滤供水泵。水泵运行正常后，超滤主机进入正常过滤状态。

2) 气洗。过滤约40 min后应进行反冲洗，反冲洗前先进行气洗，气洗可高效冲刷膜丝上的污染物。气洗时打开浓水电动阀和气洗电动阀，气洗压力为0.08 MPa，持续0～60 s后关闭气洗电动阀，打开排放阀持续约3 min后关闭。

3) 反冲洗。气洗结束进行反冲洗，通过超滤反冲洗水泵对超滤产水加压提升至超滤主机进行反冲洗，反冲洗分为上反洗和下反洗。

下反洗时打开水洗电动阀和排放阀，待全打开后开启第1台超滤反冲洗水泵，待稳定3 min后开启第2台，进入下反洗状态。下反洗1～2 min后，打开浓水电动阀，关闭排放阀，进入上反洗状态。上反洗1～2 min后停超滤反冲洗水泵，关闭水洗电动阀和浓水电动阀，反冲洗流程结束。

4) 正冲洗。反冲洗结束后进行正冲洗，正冲洗采用超滤供水泵对活性炭过滤器产水加压提升至超滤主机。完全打开进水电动阀和排放阀后开启第1台超滤供水泵，稳定3 min后开启第2台，进入正冲洗状态。正冲洗1～2 min后停超滤供水泵，关闭排放阀，正冲洗流程结束。

4.2 纳滤主机

膜处理单元设有2套纳滤主机，运行时同时使用。每套纳滤主机配有产水电磁流量计1台；产水pH计1台；压力变送器4台，分别测纳滤高压泵前、进水、段间和浓水四处管线压力；进水电动阀和浓排电动阀各1台。每套主机配有电控柜1台，各仪表信号、电动阀控制信号由电控柜接入DCS，实现远程控制。

为防止纳滤膜面结垢，提高产水量和产水质量，降低运行费用，纳滤主机运行时阻垢剂加药机同时运行。当水中加入氧化剂时，为配合氧化性杀菌剂的余氯还原，将余氯量控制在一定数值内，纳滤主机运行时还原剂加药机也同时运行。纳滤主机可实现就地/远程控制过滤和冲洗等流程。为保证纳滤主机长时间的安全运行，通常0.5～1.0 a需人工对其进行酸洗和碱洗或化学清洗，清洗方向与运行方向相同，不得反向清洗[10]。

1) 冲洗。为保证产水质量，纳滤主机每次启动和停止时都需冲洗10 min。完全打开进水电动阀和浓排电动阀后，启动第1台纳滤供水泵，稳定3 min后启动第2台，进入冲洗状态。

2) 过滤。冲洗结束后，关闭浓排电动阀，开启产水出水阀后开启纳滤高压泵、阻垢剂加药泵和还原剂加药泵，进入正常过滤状态。

5 结束语

通过基于ECS-700 DCS的生活水处理装置控制系统的设计，实现了在该项目中心控制室就能全面了解整体装置的运行情况。该系统自投运以来，运行平稳，大幅提高了生活水装置处理的自动化程度，降低了操作人员的劳动强度，获得了用户的一致好评。

参考文献：

[1] 徐炳．基于PLC的水处理控制系统浅析[J]．科技展望，2014(12)： 98-99.

[2] 邓丽君．中天合创公司气化项目中的仪表设计进度管理与质量控制[D]．上海： 华东理工大学，2016.

[3] 史延鹏．中控ECS-700系统故障状态的快速应对方法[J]．中华纸业，2017(10)： 70-71.

[4] 吴江林．ECS-700系统在空分装置的应用[J]．工业仪表与自动化装置，2014(05)： 46-47.

[5] 蒋正杰，刘跃东．多介质过滤器在电厂废水处理系统中的应用[J]．电力科技与环保，2017(04)： 47-48.

[6] 何明，谢世全．活性炭过滤器在电厂水处理中的应用研究[J]．四川电力技术，2001(05)： 48-49.

[7] 童秋阶．程控系统时序图与逻辑框图设计[J]．化工设计，2005(01)： 30-31.

[8] 陈胜喜，刘小亮. 多介质过滤器、超滤和反渗透技术在中水回用中的应用探讨[J].节能，2014(07)： 38-39.

[9] 崔东锋.基于S7-300PLC的超滤控制系统设计[J].自动化技术与应用，2016(11)： 55-56.

[10] 李景义．纳滤和反渗透技术用于盐化工废水回用的研究[D]．天津： 天津科技大学，2011.