基于DCS的生活水處理裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王海向

(中石化中原石油工程設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 635000)

隨著中國水處理系統(tǒng)自動(dòng)化控制技術(shù)的飛速發(fā)展，先進(jìn)的分散控制系統(tǒng)(DCS)逐步取代了“現(xiàn)場儀表加調(diào)節(jié)器加人工操作”為主的傳統(tǒng)水處理控制方式[1]。由于DCS卓越的自控性能以及穩(wěn)定的運(yùn)行狀況，在某煤炭深加工示范項(xiàng)目全廠生活水處理裝置中取得了良好的效果。

1 生活水處理裝置工藝流程

1.1 工程概況

該煤炭深加工示范項(xiàng)目為大型煤化工項(xiàng)目，以煤為原料生產(chǎn)甲醇，由甲醇轉(zhuǎn)化生產(chǎn)乙烯、丙烯，最終制得多牌號(hào)聚丙烯及聚乙烯產(chǎn)品。全廠生活水處理裝置為其配套的公用工程裝置之一[2]。該裝置以井水和生產(chǎn)給水為原水，在生產(chǎn)水調(diào)節(jié)池內(nèi)加壓后輸送至預(yù)處理單元和膜處理單元進(jìn)行過濾，從而得到符合飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的混合產(chǎn)水作為化工區(qū)、宿舍樓和煤礦區(qū)的生活用水。根據(jù)來水及產(chǎn)水水質(zhì)的要求，該裝置采用“調(diào)節(jié)池加多介質(zhì)過濾加活性炭吸附加超濾加納濾加消毒出水”的水處理工藝，包括調(diào)節(jié)池、預(yù)處理單元、膜處理單元、加藥輔助和生活水加壓等主要部分。

1.2 工藝流程

全廠生活水處理裝置工藝流程如圖1所示。生產(chǎn)給水及井水作為原水，在生產(chǎn)水調(diào)節(jié)池內(nèi)對(duì)水量波動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)對(duì)原水中的有機(jī)物、鹽分等污染物質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)、均合。通過管式靜態(tài)混合器投加絮凝劑和混凝劑，經(jīng)多介質(zhì)過濾器及活性炭過濾器的組合，去除較大顆粒、密實(shí)性較好的絮體，使?jié)岫?、色度等主要指?biāo)達(dá)到生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)?；钚蕴窟^濾器的一部分產(chǎn)水直接輸送至生活水箱，另一部分產(chǎn)水經(jīng)膜處理單元后輸送至生活水箱。在膜處理單元中超濾主機(jī)可去除水中的懸浮物、膠體、細(xì)菌和有機(jī)物等雜質(zhì)，滿足了后續(xù)納濾主機(jī)的進(jìn)水條件。納濾主機(jī)主要去除水中的可溶性鹽分、膠體、有機(jī)物及微生物，使最終產(chǎn)水達(dá)到優(yōu)良的飲用標(biāo)準(zhǔn)?；旌袭a(chǎn)水在進(jìn)生活水箱之前會(huì)投加二氧化氯以保證管網(wǎng)余氯含量；最終符合飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的生活水經(jīng)水泵加壓從生活水箱輸送至各用戶。

在生活水處理過程中，過濾反沖洗的排水加壓輸送至凈水場進(jìn)水管道進(jìn)行處理，膜處理反沖洗的排水加壓輸送至全廠生產(chǎn)廢水管網(wǎng)。

圖1 水處理裝置工藝流程示意

2 生活水處理裝置控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)的總體方案

全廠生活水處理裝置由預(yù)處理單元系統(tǒng)、膜處理單元系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)和清洗系統(tǒng)等組成，其中預(yù)處理單元系統(tǒng)和膜處理單元系統(tǒng)的控制是整個(gè)裝置控制系統(tǒng)的核心。各個(gè)系統(tǒng)配有單獨(dú)的電控柜。電控柜內(nèi)電動(dòng)閥和泵的控制信號(hào)采用硬連接方式接入DCS。根據(jù)裝置各系統(tǒng)的自動(dòng)控制邏輯圖進(jìn)行DCS的組態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1) 預(yù)處理單元控制系統(tǒng)主要包括多介質(zhì)過濾器和活性炭過濾器的順序控制。

2) 膜處理單元控制系統(tǒng)主要包括管殼式換熱器、超濾主機(jī)、納濾供水泵、納濾高壓泵和納濾主機(jī)的順序控制。

3) 加壓控制系統(tǒng)主要包括生產(chǎn)水提升泵、超濾供水泵和生活給水泵撬等的遠(yuǎn)程控制。

4) 加藥控制系統(tǒng)主要包括二氧化氯加藥機(jī)、鹽酸加藥機(jī)、次氯酸鈉加藥機(jī)和氫氧化鈉加藥機(jī)等的遠(yuǎn)程控制。

5) 清洗控制系統(tǒng)主要包括膜系統(tǒng)化學(xué)清洗裝置、過濾反沖洗泵、超濾反沖洗泵和膜系統(tǒng)排污泵等的遠(yuǎn)程控制。

2.2 DCS配置及構(gòu)成

全廠生活水處理裝置采用ECS-700 DCS進(jìn)行集中監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)裝置的順序控制、工藝聯(lián)鎖、監(jiān)視和管理[3]。DCS配置構(gòu)成如下：

1) 控制節(jié)點(diǎn)。包括控制站及過程控制網(wǎng)上與異構(gòu)系統(tǒng)連接的通信接口等。

2) 操作節(jié)點(diǎn)。包括工程師站、操作員站、組態(tài)服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器等連接在過程信息網(wǎng)和過程控制網(wǎng)上的人機(jī)會(huì)話接口站點(diǎn)。

3) 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。包括I/O 總線、過程控制網(wǎng)、過程信息網(wǎng)、企業(yè)管理網(wǎng)等[4]。

全廠生活水處理裝置與凈水場裝置共用DCS工程師站、歷史趨勢服務(wù)器、AMS區(qū)域服務(wù)器、ODS區(qū)域服務(wù)器、交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備機(jī)柜等設(shè)備。生活水處理裝置新增1個(gè)控制站和1個(gè)操作站。生活水處理裝置和凈水場數(shù)據(jù)通過冗余通信光纜從現(xiàn)場機(jī)柜室傳送到全廠中心控制室。全廠中心控制室內(nèi)凈水場工程師站可對(duì)生活水處理裝置進(jìn)行全部的控制、監(jiān)視、報(bào)警及報(bào)表等操作。

3 預(yù)處理單元控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

預(yù)處理單元包括3臺(tái)多介質(zhì)過濾器和3臺(tái)活性炭過濾器。多介質(zhì)過濾器內(nèi)裝有石英砂、無煙煤和礫石三種濾料，用于除去水中的懸浮物、顆粒和膠體，降低進(jìn)水的濁度和污染指數(shù)，滿足活性炭過濾器的進(jìn)水要求。活性炭過濾器主要是利用粒狀活性炭的吸附機(jī)理來吸附水中的有機(jī)物和余氯，去除膠體渣、含鐵元素的化合物和懸浮物，進(jìn)一步降低水的色度和濁度，提高產(chǎn)水的質(zhì)量。使用中可以通過周期性的清洗來維持兩種過濾器的截污能力[5-6]。

3.1 多介質(zhì)過濾器

每臺(tái)多介質(zhì)過濾器配有進(jìn)水電動(dòng)閥、產(chǎn)水電動(dòng)閥、初濾電動(dòng)閥、反洗進(jìn)水電動(dòng)閥、反洗排水電動(dòng)閥、反洗進(jìn)氣電動(dòng)閥和排氣電動(dòng)閥各1臺(tái)，可自動(dòng)/人工進(jìn)行控制。每臺(tái)過濾器配有電控柜1臺(tái)，所有電動(dòng)閥控制信號(hào)從電控柜接入DCS，由DCS進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。多介質(zhì)過濾器設(shè)有三罐和雙罐運(yùn)行模式，可人工選擇運(yùn)行模式。多介質(zhì)過濾器采用時(shí)間控制，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制氣沖洗、水沖洗、初濾和過濾4個(gè)流程的運(yùn)行，也可定時(shí)自動(dòng)/人工啟動(dòng)反沖洗流程。反洗水來自過濾反沖洗泵，反洗氣來自工程空氣罐。

1) 反洗。關(guān)閉進(jìn)水電動(dòng)閥和產(chǎn)水電動(dòng)閥，打開排氣電動(dòng)閥和反洗排水電動(dòng)閥，檢測以上閥門到位后，完全開啟反洗進(jìn)氣電動(dòng)閥3～4 min后，關(guān)閉反洗進(jìn)氣電動(dòng)閥。待完全關(guān)閉后，打開反洗進(jìn)水電動(dòng)閥，閥門開啟到位后，啟動(dòng)過濾反沖洗泵。過濾反沖洗泵運(yùn)行約2 min后，關(guān)閉排氣電動(dòng)閥，過濾器進(jìn)入水沖洗狀態(tài)。

2) 初濾。過濾反沖洗水泵運(yùn)行5～10 min后，停止該泵。關(guān)閉反洗進(jìn)水電動(dòng)閥，打開進(jìn)水電動(dòng)閥和初濾電動(dòng)閥，關(guān)閉反洗排水電動(dòng)閥，過濾器進(jìn)入初濾狀態(tài)。

3) 過濾。初濾運(yùn)行約4 min后關(guān)閉初濾電動(dòng)閥，打開進(jìn)水電動(dòng)閥和產(chǎn)水電動(dòng)閥。待電動(dòng)閥開啟到位后，開啟第1臺(tái)生產(chǎn)水提升泵。運(yùn)行平穩(wěn)5 min后開啟第2臺(tái)生產(chǎn)水提升泵。水泵運(yùn)行正常后，過濾器進(jìn)入正常過濾狀態(tài)。

3.2 活性炭過濾器

活性炭過濾器與多介質(zhì)過濾器相比，不同點(diǎn)在于減少了反洗進(jìn)氣電動(dòng)閥，自控邏輯中減少了氣沖洗流程?；钚蕴窟^濾器的產(chǎn)水一部分進(jìn)生活水箱，另一部分進(jìn)活性炭產(chǎn)水池，經(jīng)超濾供水泵加壓后進(jìn)入膜處理單元。在進(jìn)生活水箱前管道上安裝有濁度計(jì)、電磁流量計(jì)和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，對(duì)其流量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)濁度值小于1 NTU時(shí)，活性炭過濾器產(chǎn)水水質(zhì)才達(dá)標(biāo)。

4 膜處理單元控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

膜處理單元包括管殼式換熱器、自清洗過濾器、超濾主機(jī)、納濾供水泵、納濾保安過濾器、納濾高壓泵和納濾主機(jī)?？刂葡到y(tǒng)包括對(duì)以上設(shè)備的順序控制。

活性炭過濾器產(chǎn)水經(jīng)超濾供水泵加壓進(jìn)入管殼式換熱器用于保證水的溫度，然后進(jìn)入自清洗過濾器，保證水質(zhì)滿足超濾主機(jī)進(jìn)水要求。水經(jīng)超濾主機(jī)中的膜系統(tǒng)處理后進(jìn)入超濾產(chǎn)水池，由納濾供水泵加壓后進(jìn)入納濾保安過濾器進(jìn)一步保證納濾主機(jī)供水水質(zhì)。水由納濾高壓泵加壓后進(jìn)入納濾主機(jī)，經(jīng)納濾膜系統(tǒng)處理后輸送至生活水箱[8]。

4.1 超濾主機(jī)

膜處理單元設(shè)有2套超濾主機(jī)，運(yùn)行時(shí)同時(shí)使用。每套超濾主機(jī)配有產(chǎn)水電磁流量計(jì)1臺(tái)，進(jìn)水電動(dòng)閥、產(chǎn)水電動(dòng)閥、水洗電動(dòng)閥、濃水電動(dòng)閥、排放電動(dòng)閥和氣洗電動(dòng)閥各1臺(tái)，可自動(dòng)/人工進(jìn)行控制。每套主機(jī)配有電控柜1臺(tái)，流量計(jì)信號(hào)、電動(dòng)閥控制信號(hào)由電控柜接入DCS，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。超濾主機(jī)可實(shí)現(xiàn)就地/遠(yuǎn)程控制過濾、氣洗、反沖洗和正沖洗等流程。氣洗用氣來自工程空氣罐。2套超濾主機(jī)錯(cuò)開氣洗、反沖洗[9]過程。

當(dāng)超濾主機(jī)運(yùn)行一定時(shí)間后，其產(chǎn)水量下降，清洗控制系統(tǒng)會(huì)用酸洗和堿洗對(duì)其進(jìn)行加強(qiáng)反沖洗或化學(xué)清洗。

1) 過濾。打開進(jìn)水電動(dòng)閥和產(chǎn)水電動(dòng)閥，待電動(dòng)閥開啟到位后，開啟第1臺(tái)超濾供水泵，運(yùn)行平穩(wěn)5 min后開啟第2臺(tái)超濾供水泵。水泵運(yùn)行正常后，超濾主機(jī)進(jìn)入正常過濾狀態(tài)。

2) 氣洗。過濾約40 min后應(yīng)進(jìn)行反沖洗，反沖洗前先進(jìn)行氣洗，氣洗可高效沖刷膜絲上的污染物。氣洗時(shí)打開濃水電動(dòng)閥和氣洗電動(dòng)閥，氣洗壓力為0.08 MPa，持續(xù)0～60 s后關(guān)閉氣洗電動(dòng)閥，打開排放閥持續(xù)約3 min后關(guān)閉。

3) 反沖洗。氣洗結(jié)束進(jìn)行反沖洗，通過超濾反沖洗水泵對(duì)超濾產(chǎn)水加壓提升至超濾主機(jī)進(jìn)行反沖洗，反沖洗分為上反洗和下反洗。

下反洗時(shí)打開水洗電動(dòng)閥和排放閥，待全打開后開啟第1臺(tái)超濾反沖洗水泵，待穩(wěn)定3 min后開啟第2臺(tái)，進(jìn)入下反洗狀態(tài)。下反洗1～2 min后，打開濃水電動(dòng)閥，關(guān)閉排放閥，進(jìn)入上反洗狀態(tài)。上反洗1～2 min后停超濾反沖洗水泵，關(guān)閉水洗電動(dòng)閥和濃水電動(dòng)閥，反沖洗流程結(jié)束。

4) 正沖洗。反沖洗結(jié)束后進(jìn)行正沖洗，正沖洗采用超濾供水泵對(duì)活性炭過濾器產(chǎn)水加壓提升至超濾主機(jī)。完全打開進(jìn)水電動(dòng)閥和排放閥后開啟第1臺(tái)超濾供水泵，穩(wěn)定3 min后開啟第2臺(tái)，進(jìn)入正沖洗狀態(tài)。正沖洗1～2 min后停超濾供水泵，關(guān)閉排放閥，正沖洗流程結(jié)束。

4.2 納濾主機(jī)

膜處理單元設(shè)有2套納濾主機(jī)，運(yùn)行時(shí)同時(shí)使用。每套納濾主機(jī)配有產(chǎn)水電磁流量計(jì)1臺(tái)；產(chǎn)水pH計(jì)1臺(tái)；壓力變送器4臺(tái)，分別測納濾高壓泵前、進(jìn)水、段間和濃水四處管線壓力；進(jìn)水電動(dòng)閥和濃排電動(dòng)閥各1臺(tái)。每套主機(jī)配有電控柜1臺(tái)，各儀表信號(hào)、電動(dòng)閥控制信號(hào)由電控柜接入DCS，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

為防止納濾膜面結(jié)垢，提高產(chǎn)水量和產(chǎn)水質(zhì)量，降低運(yùn)行費(fèi)用，納濾主機(jī)運(yùn)行時(shí)阻垢劑加藥機(jī)同時(shí)運(yùn)行。當(dāng)水中加入氧化劑時(shí)，為配合氧化性殺菌劑的余氯還原，將余氯量控制在一定數(shù)值內(nèi)，納濾主機(jī)運(yùn)行時(shí)還原劑加藥機(jī)也同時(shí)運(yùn)行。納濾主機(jī)可實(shí)現(xiàn)就地/遠(yuǎn)程控制過濾和沖洗等流程。為保證納濾主機(jī)長時(shí)間的安全運(yùn)行，通常0.5～1.0 a需人工對(duì)其進(jìn)行酸洗和堿洗或化學(xué)清洗，清洗方向與運(yùn)行方向相同，不得反向清洗[10]。

1) 沖洗。為保證產(chǎn)水質(zhì)量，納濾主機(jī)每次啟動(dòng)和停止時(shí)都需沖洗10 min。完全打開進(jìn)水電動(dòng)閥和濃排電動(dòng)閥后，啟動(dòng)第1臺(tái)納濾供水泵，穩(wěn)定3 min后啟動(dòng)第2臺(tái)，進(jìn)入沖洗狀態(tài)。

2) 過濾。沖洗結(jié)束后，關(guān)閉濃排電動(dòng)閥，開啟產(chǎn)水出水閥后開啟納濾高壓泵、阻垢劑加藥泵和還原劑加藥泵，進(jìn)入正常過濾狀態(tài)。

5 結(jié)束語

通過基于ECS-700 DCS的生活水處理裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在該項(xiàng)目中心控制室就能全面了解整體裝置的運(yùn)行情況。該系統(tǒng)自投運(yùn)以來，運(yùn)行平穩(wěn)，大幅提高了生活水裝置處理的自動(dòng)化程度，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，獲得了用戶的一致好評(píng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐炳．基于PLC的水處理控制系統(tǒng)淺析[J]．科技展望，2014(12)： 98-99.

[2] 鄧麗君．中天合創(chuàng)公司氣化項(xiàng)目中的儀表設(shè)計(jì)進(jìn)度管理與質(zhì)量控制[D]．上海： 華東理工大學(xué)，2016.

[3] 史延鵬．中控ECS-700系統(tǒng)故障狀態(tài)的快速應(yīng)對(duì)方法[J]．中華紙業(yè)，2017(10)： 70-71.

[4] 吳江林．ECS-700系統(tǒng)在空分裝置的應(yīng)用[J]．工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2014(05)： 46-47.

[5] 蔣正杰，劉躍東．多介質(zhì)過濾器在電廠廢水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．電力科技與環(huán)保，2017(04)： 47-48.

[6] 何明，謝世全．活性炭過濾器在電廠水處理中的應(yīng)用研究[J]．四川電力技術(shù)，2001(05)： 48-49.

[7] 童秋階．程控系統(tǒng)時(shí)序圖與邏輯框圖設(shè)計(jì)[J]．化工設(shè)計(jì)，2005(01)： 30-31.

[8] 陳勝喜，劉小亮. 多介質(zhì)過濾器、超濾和反滲透技術(shù)在中水回用中的應(yīng)用探討[J].節(jié)能，2014(07)： 38-39.

[9] 崔東鋒.基于S7-300PLC的超濾控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2016(11)： 55-56.

[10] 李景義．納濾和反滲透技術(shù)用于鹽化工廢水回用的研究[D]．天津： 天津科技大學(xué)，2011.