PLC在石油钻采撬装式污水处理设备的应用

陈文海

摘 要：本文对石油钻采污水处理撬装设备的结构工艺流程进行简要分析，立足撬装设备应用优越性，采用成熟的PLC技术，对撬装设备仪表选型、自动控制方案选择和系统配置等进行了探究。

关键词：PLC可编程控制器;污水处理;撬装设备;自动控制

当前，随着油气勘探开发增多，大量钻采污水产生，这些污水中含有较多污油、泥砂等杂质，易造成环境污染。受制于油田钻采环境，并非所有作业区域都适合建设污水处理厂。因此，有必要针对油田污水处理需求，设计可移动的污水处理撬装设备，通过车辆运输到需进行污水处理的区域，对污水进行处理。采用成熟的PLC技术，实现井场钻采污水处理撬装设备的自动控制。

1 石油钻采污水处理撬装设备处理工艺流程

考虑到油田实际作业的需求，对于钻采过程中的污水处理撬装设备，需具备可移动、可车载特点，其长、宽、高都有限制，须尽量在设计中压缩体积，控制好各单元规格参数。

根据污水处理工艺，主流程主要处理开发生产采出水，采用“除油+沉降+二级过滤（粗滤、精滤）”工艺，次流程主要处理滤灌反洗水等，其基本构造如图1所示。主要包括旋流预分离、粗滤、加药、精滤、反冲洗、水量计量等模块。

在处理流程上，油田钻采污水经排污管道与设备入口连接，撬装设备配套升压泵，借助泵压将污水引入撬装设备。污水进入旋流预分离模块后，将泥沙中的大颗粒先分离，随后进入粗滤模块进行进一步的分离。污水进入加药模块后加入相应处理药液，经处理后再借助升压泵提升压力进入精滤模块，加药和精滤模块主要进行排油排污。因污水中杂质较多，过滤模块滤膜易出现堵塞，需进行滤膜反冲洗作业，确保滤膜功能正常。经过滤处理的污水流入计量模块，可测量水量。

污水处理撬装设备核心构造为加药模块，核心技术是加药装置滤芯结构和药品构成，药品可根据具体区块污水中杂质进行适当调整。滤膜为反渗透膜，可利用回水对膜上的泥沙及污物进行冲洗处理，延长滤膜使用寿命和过滤处理效率。

污水处理的控制系统则采用PLC控制系统。可以配备上位机系统进行运行状态和故障的监视、报警，并可进行现场参数设计和更改。

2 撬装设备仪控系统设计

2.1 撬装设备仪表的选型及配置

撬装设备在电动阀选择上要优先考虑便于取电，可选择电动蝶阀。粗滤罐与精滤罐需配套反冲洗滤芯，在罐出入口安装差压变送器进行压差测量，通过取压掌握滤芯情况。反冲洗罐需安装具有“就地指示”功能的磁性液位计，实时监测反冲洗罐水量，将其与出口阀开关设置联锁装置，根据运行实际对出口开关实现同步调整。撬装设备内部介质是污水，测量精度要求不高，在计量模块可选择涡轮流量计进行应用。泵出口和粗滤罐、精滤罐进出口都要配套压力表，因升压泵运行存在震动，泵出口使用不锈钢耐震隔膜压力表，其他部位运行平稳，可选择不锈钢隔膜压力表。

2.2 控制系统选型及系统配置

为提升运行控制自动化程度，同时保证控制系统的可靠性要求，需在撬装机柜上配套设置PLC，控制器带有触摸屏，通过编程组态控制和调整，对撬装设备进行工艺流程和运行参数控制。本撬装设备选用西门子S7-300设备的可编程控制器，该型PLC是模块化中小型控制系统，具有较好的抗震动冲击性，性价比高，应用于广泛的工业控制领域。同时配套稳压、变压装置和蓄电池，根据现场污水处理情况合理选择电源供电方式，长期断电状态下由蓄电池为可编程控制器供电，辅助现场仪器操作;短期断电时可编程控制系统可等到来电时进行逻辑操作，继续未完成的污水处理工艺流程。因油田污水中含有大量油污，在现场爆炸危险场所作业时，要在PLC外部配套防爆箱，在触摸屏外设置防护罩，运行状态下只能监测观看操作流程运行、不可进行操作。在防爆箱内设置防爆急停按钮、泵运行状态报警灯，确保设备运行安全。

在有条件的情况下，还可以配备上位机，以实时监控设备的运行状态、故障等，并可按照现场情况进行参数设计。

3 污水处理PLC自动控制方案

根据现场工况条件，可推荐采用如下两种控制方案。

3.1 时序控制法

在未设置联锁和调节状态下，PLC以时间点为控制对象，对设备运行进行控制，这就是时序控制法，将一天24h看作一个控制单位，分三个阶段，借助PLC进行控制，实現撬装设备往复运转，直至污水处理达标。在设备安放就位后将进出口管道连接，进行第一个8h处理，将升压泵开启升压，打开粗滤罐进口阀门，通过3-5min憋压后将粗滤罐出口阀门打开;随后打开细滤罐前升压泵和细滤罐进口阀门，通过3-5min憋压处理后将细滤罐出口阀门打开，随后利用计量模块对出水量进行计量。随后进行第二个8h处理，粗滤罐、精滤罐依次进入排油阶段，先关闭第一个粗滤罐出口阀、打开排油阀进行排油，关闭进口阀打开排污阀进行排污，同时其他过滤罐保持运转，依次完成上述动作。第二个8h完成后重复第一个8h完成后的步骤。在24h处理后，首个粗滤罐完成排油排污后开启反洗泵、打开反洗阀，保持排污阀开启、排油阀关闭状态，进行反洗作业，其余各罐保持运行状态，依次完成反洗作业。通过上述3个阶段处理过程的重复操作，直到污水处理完成。整个污水处理都通过PLC根据时间点进行控制，由组态和电气专业配合完成的污水处理。

3.2 联锁控制法

在精滤罐、粗滤罐等罐体进出口间加装差压变送器，在反洗罐液位计与进出口阀设置联锁开关，以实现联锁控制。先开启升压泵随后打开粗滤罐进口阀，实施3-5min憋压后打开出口阀，开启精滤罐前升压泵，打开精滤罐进口阀实施3-5min憋压，利用计量模块进行水量计量，连续保持8h运行状态。随后粗滤罐和精滤罐进入排油状态，将第一个粗滤罐出口阀关闭、打开排油阀排油，关闭进口阀、打开排污阀排污，其余各罐依然保持运行状态，并依次完成排污。在上述污水处理中，差压变送器输入PLC的压差超过PLC设定值时，表示滤芯堵塞，需进行反冲洗，要在完成排油排污后进行反冲洗操作。在反洗罐水位过低时，将出水回注管线阀门关闭，使回流水流入反洗罐;水位过高时打开出水回注管线阀门，使水流入回流池。

3.3 两种控制方法的比较

时序控制法是在污水处理撬装设备上设置固定时间点进行处理，在达到排油排污操作的时间点后就会开启流程，而这时污水中的油污可能还未达到需要排出的状态，在未监测水质、达到反洗作业时间点后就会开启反洗操作，在一定程度上造成了资源浪费。

联锁控制法通过对过滤罐两侧压差进行检测，确保在滤芯堵塞到一定程度、达到设定压差后才进行反洗，反洗时先确保排油排污操作完成，反洗罐水位也经过液位计对罐的出入阀门进行了精准控制，所以节省了资源，可根据实时工况条件进行自动化、智能化控制调整，具有较强应用优势。

4 结论

综上所述，采用PLC技术对油田钻采污水处理撬装设备进行自动控制，减少人为干预，增加系统可靠性，也有利于以最低成本实现钻采污水处理，使污水达到回注标准，辅助油田在保护环境、控制钻采成本前提下实现高质量钻采作业。

参考文献：

[1]彭定义.膜处理技术在国内污水处理厂的运行管理经验与设想[J].经营管理者，2013（26）.

[2]卓小惠.三次采油污水存在问题原因及处理方法浅析[J].安全、健康和环境，2013（06）.

[3]王杰.PLC控制在污水处理中的应用[J].科技经济导刊，2018，26（34）.