污水站個(gè)性化反沖洗技術(shù)研究與應(yīng)用

樂(lè)昕朋

大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠規(guī)劃設(shè)計(jì)研究所

污水處理系統(tǒng)是油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中至關(guān)重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)油站、轉(zhuǎn)油放水站及脫水站的含油污水最終均需要在污水站中經(jīng)過(guò)沉降、過(guò)濾后注入地層，過(guò)濾系統(tǒng)作為污水處理的最后環(huán)節(jié)，其處理污水效果直接影響注水水質(zhì)[1]。然而，過(guò)濾系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行后，濾料層中會(huì)截留大量污油和懸浮物質(zhì)，形成不同程度的濾餅層，影響過(guò)濾效果。為了恢復(fù)或提高濾罐的過(guò)濾效果，保障濾料再生，需要定期對(duì)濾罐進(jìn)行反沖洗[2]。

1 杏北油田污水站工藝及運(yùn)行現(xiàn)狀

在水驅(qū)、聚驅(qū)和三元復(fù)合驅(qū)并存開(kāi)發(fā)方式下，杏北油田建設(shè)4 類污水處理站共32 座。其中，普通污水站8 座、深度污水站15 座、聚驅(qū)污水站5 座、三元污水站4 座。除水驅(qū)深度污水站采用“兩級(jí)過(guò)濾”處理工藝外，其余站庫(kù)均采用“沉降+過(guò)濾”主體工藝技術(shù)。

杏北油田污水站目前在用反沖洗控制系統(tǒng)主要有TDCS 系統(tǒng)和PLC 系統(tǒng)2 類，均可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)變強(qiáng)度反沖洗工藝。各站庫(kù)通過(guò)對(duì)不同反沖洗階段參數(shù)的設(shè)定，形成“一站一參數(shù)”的反沖洗模式。

2 “一站一參數(shù)”模式的不適應(yīng)性

隨著三次采油的開(kāi)發(fā)推廣，地面污水處理成分日益復(fù)雜，多元開(kāi)發(fā)方式下含油污水處理難度越來(lái)越大。采出液含聚濃度的上升造成污水黏度增加，嚴(yán)重污染濾料，影響處理水質(zhì)[3]。由于各過(guò)濾罐的結(jié)構(gòu)、使用時(shí)間等情況不同，濾罐內(nèi)的濾料數(shù)量與污染程度也不同，現(xiàn)有“一站一參數(shù)”的反沖洗模式已經(jīng)難以滿足所有濾罐的差異反沖洗要求。圖1、圖2 為杏二十五聯(lián)深度污水站在現(xiàn)有反沖洗模式下部分二級(jí)濾罐的運(yùn)行情況。該站反沖洗分為“低階—高階—低階”三個(gè)階段，其反沖洗強(qiáng)度按照“5 L/(m2·s)（3 min）—13 L/(m2·s)（8 min）—7 L/(m2·s)（4 min）”進(jìn)行變化。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，濾料年限較長(zhǎng)的二級(jí)2#、4#及10#過(guò)濾罐出現(xiàn)了反沖洗強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)定值、反沖洗曲線波動(dòng)較大的現(xiàn)象，說(shuō)明這3 座濾罐反沖洗效果不佳，濾料再生效果差[4]，且3 座濾罐平均除懸率僅為20%。

圖1 部分二級(jí)過(guò)濾罐反沖洗曲線Fig.1 Backwashing curve of some secondary filter tanks

圖2 杏二十五聯(lián)深度污水站二級(jí)濾罐除油、除懸情況Fig.2 Oil and suspended substance removal status of secondary fifter tanks in Xing 25 Deep Sewage Station

結(jié)合開(kāi)罐檢查發(fā)現(xiàn)，3 座濾罐濾料污染嚴(yán)重，說(shuō)明在原有“整站一參數(shù)”的反沖洗模式下，3 座濾罐的濾料再生效果差（圖3）。針對(duì)此問(wèn)題，對(duì)過(guò)濾罐反沖洗參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，將高階反沖洗參數(shù)由“13 L/(m2·s)（8 min）”調(diào)整為“14 L/(m2·s)（10 min）”，跟蹤14 天觀察發(fā)現(xiàn)，2#、4#及10#濾罐反沖洗憋壓現(xiàn)象得到緩解，反沖洗壓力由平均0.52 MPa 下降至0.44 MPa，單罐濾后除懸率提升7%。從運(yùn)行效果來(lái)看，適當(dāng)?shù)奶岣叻礇_洗強(qiáng)度對(duì)濾料污染嚴(yán)重的2#、4#及10#濾罐具有一定效果，通過(guò)觀察回收水池內(nèi)反沖洗水情況發(fā)現(xiàn)，對(duì)于濾料污染不嚴(yán)重的其他濾罐，高強(qiáng)度的反沖洗會(huì)導(dǎo)致不同程度的跑料現(xiàn)象發(fā)生。

圖3 2#過(guò)濾罐內(nèi)濾料污染情況Fig.3 Pollution of the filter material in 2# filter tank

而針對(duì)單獨(dú)濾罐濾料污染情況頻繁調(diào)整整站反沖洗參數(shù)，將會(huì)大大增加崗位工人的工作量，且不便于生產(chǎn)管理[5]。因此，為保證單獨(dú)過(guò)濾罐出水水質(zhì)、確保生產(chǎn)過(guò)程中可根據(jù)單個(gè)濾罐出水水質(zhì)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整、方便員工操作及生產(chǎn)運(yùn)行，研究過(guò)濾罐個(gè)性化反沖洗工藝、保證問(wèn)題濾罐實(shí)現(xiàn)“一罐一參數(shù)”，對(duì)于杏北油田污水達(dá)標(biāo)回注尤為重要。

3 個(gè)性化反沖洗技術(shù)研究

由于TDCS、AB PLC 兩種控制系統(tǒng)均能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化反沖洗，只是實(shí)現(xiàn)的過(guò)程方式不同，因此本文以AB PLC 控制系統(tǒng)的優(yōu)化為例進(jìn)行個(gè)性化反沖洗技術(shù)研究。

3.1 AB PLC 控制系統(tǒng)

AB PLC 控制系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要由主程序模塊（main program）、過(guò)程控制模塊（process）和反沖洗水泵控制模塊（water-pump）三部分組成。其中main program 模塊主要用于模擬量輸入操作，包括模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、模擬量報(bào)警輸出等功能；process 模塊是整個(gè)反沖洗系統(tǒng)最重要的一個(gè)功能塊，反沖洗過(guò)程控制、閥開(kāi)關(guān)控制、閥狀態(tài)檢測(cè)等都由該功能塊完成；water-pump 模塊主要用于控制反沖洗水泵的啟停及運(yùn)行時(shí)間。三個(gè)功能模塊組合在一起共同完成過(guò)濾罐反沖洗工藝，并通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控及反沖洗操作運(yùn)行[6]。

3.2 AB PLC 個(gè)性化反沖洗程序開(kāi)發(fā)

以杏二十五聯(lián)深度污水站為試點(diǎn)進(jìn)行研究，該站共有30 個(gè)濾罐，每個(gè)濾罐在單次反沖洗時(shí)需經(jīng)歷3 個(gè)反沖洗階段，每個(gè)階段包括上升、保持和下降3 個(gè)過(guò)程。因此，需分別設(shè)置上升時(shí)間、保持時(shí)間、下降時(shí)間和反沖洗流量等4 個(gè)參數(shù)。為保證各節(jié)點(diǎn)參數(shù)可調(diào)、實(shí)現(xiàn)個(gè)性化反沖洗，在PLC 和上位機(jī)內(nèi)共進(jìn)行了3 處改進(jìn)（圖4、圖5）。

圖4 反沖洗模式的改進(jìn)Fig.4 Improvement of backwashing model

圖5 過(guò)濾罐參數(shù)設(shè)置界面Fig.5 Parameter setup interface of filter tanks

（1）PLC 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)部分。利用RSLogix5000軟件平臺(tái)打開(kāi)杏二十五聯(lián)污水站PLC 應(yīng)用程序[7]，在反沖洗的3 個(gè)階段中分別新建4 個(gè)數(shù)組，每個(gè)數(shù)組含有30 個(gè)變量，分別表示每個(gè)罐在不同反沖洗強(qiáng)度的上升時(shí)間、保持時(shí)間、下降時(shí)間和反洗流量，共計(jì)360 個(gè)變量點(diǎn)（3 個(gè)階段×4 個(gè)數(shù)組×30個(gè)罐）。

（2）反沖洗控制程序部分。在研究原PLC 應(yīng)用程序基礎(chǔ)上，保持water-pump 模塊不變，利用程序循環(huán)運(yùn)行原理，在process 模塊內(nèi)建立變量循環(huán)語(yǔ)句，以變量代換方式實(shí)現(xiàn)單個(gè)濾罐參數(shù)個(gè)性化設(shè)置功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)個(gè)性化反沖洗功能[8]。反沖洗流量、反沖洗上升時(shí)間、保持時(shí)間和下降時(shí)間等變量賦值在上位機(jī)進(jìn)行。

（3）上位機(jī)界面部分。應(yīng)用RSView32 軟件對(duì)上位機(jī)部分進(jìn)行修改[9]，新建2 個(gè)界面用于設(shè)置反沖洗控制參數(shù)，設(shè)計(jì)表格，排放360 個(gè)編輯框，用來(lái)輸入30 個(gè)濾罐各自在3 個(gè)反沖洗階段下的4 個(gè)參數(shù)。利用OPC 方式將每個(gè)編輯框與PLC 數(shù)據(jù)庫(kù)中的變量進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。最后為新界面添加顯示按鈕，刪除原界面中部分編輯框，完成上位機(jī)界面的添加和修改。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

杏二十五聯(lián)深度污水處理站采用兩級(jí)單向石英砂、磁鐵礦雙層濾料過(guò)濾工藝流程，一級(jí)過(guò)濾罐12座，二級(jí)過(guò)濾罐18 座，設(shè)計(jì)處理量為3×104m3/d，出水水質(zhì)指標(biāo)為含油濃度、含懸浮物濃度均小于等于5 mg/L。該站AB PLC 反沖洗控制系統(tǒng)經(jīng)改造后能夠?qū)崿F(xiàn)單獨(dú)濾罐個(gè)性化反沖洗參數(shù)調(diào)整。

針對(duì)反沖洗效果不好的二級(jí)2#、4#及10#過(guò)濾罐進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。由于杏二十五聯(lián)深度污水站反沖洗模式為“低階—高階—低階”，反洗效果的好壞主要取決于高階時(shí)的強(qiáng)度及時(shí)間[10]，因此首先考慮調(diào)高反沖洗高頻段排量。將3 座罐的高階段排量由13 L/(m2·s)調(diào)至16 L/(m2·s)，對(duì)比試驗(yàn)前后含油、含懸浮物去除率變化情況，具體如表1、圖6 所示。

圖6 調(diào)整反沖洗強(qiáng)度前后除油率、除懸率變化情況Fig.6 Oil and suspended substance removal rate before and after adjusting the backwashing strength

表1 調(diào)整反沖洗強(qiáng)度前后試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Test data before and after adjusting the backwashing strength

從結(jié)果可以看出，個(gè)性化調(diào)整反沖洗參數(shù)后，3 座濾罐的出水含油均達(dá)標(biāo)，平均除油率由原“整站一參數(shù)”的38.1%上升至66.1%；出水含懸接近達(dá)標(biāo)，平均除懸率由20.7%上升至47.6%。平均除油率及除懸率分別上升28 個(gè)百分點(diǎn)及26.9 個(gè)百分點(diǎn)，說(shuō)明適當(dāng)?shù)奶岣叻礇_洗強(qiáng)度對(duì)濾料再生效果起到促進(jìn)作用。

由于杏二十五聯(lián)二級(jí)2#、4#及10#過(guò)濾罐自2009 年投產(chǎn)未更換過(guò)濾料，長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度的反沖洗將加速濾料磨損[11]。因此，在高階階段適當(dāng)提高反沖洗強(qiáng)度的同時(shí)，減少反沖洗時(shí)間，并對(duì)比試驗(yàn)前后含油含、懸去除率變化情況（表2）。

由表2 可知，降低反洗時(shí)間后，3 座濾罐平均除油率及除懸率均有所下降，但降幅不大。從水質(zhì)上來(lái)看，當(dāng)高階階段反沖洗時(shí)間由8 min 降低至7 min，3 座濾罐出水含油仍能達(dá)標(biāo)，出水含懸水平基本不變；當(dāng)高階階段反沖洗時(shí)間降低至6 min 時(shí)，3 座濾罐出水含油均無(wú)法達(dá)標(biāo)，且出水含懸量也有所上升。因此，將杏二十五聯(lián)深度污水站二級(jí)2#、4#、10#過(guò)濾罐的反沖洗參數(shù)設(shè)置為5 L/(m2·s)（3 min）—16 L/(m2·s)（7 min）—7 L/(m2·s)（4min）。運(yùn)行反沖洗曲線如圖7 所示。

圖7 調(diào)整反沖洗參數(shù)后反沖洗曲線Fig.7 Backwashing curve after adjusting the backwashing parameters

表2 調(diào)整反沖洗時(shí)間前后試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Test data before and after adjusting the backwashing time

綜上所述，對(duì)于濾料再生效果較差的濾罐，可根據(jù)實(shí)際情況提高其高頻反沖洗強(qiáng)度，并適當(dāng)降低反沖洗時(shí)間，在提高出水水質(zhì)的前提下節(jié)省反洗水量[12]。通過(guò)調(diào)整反沖洗模式為“一罐一參數(shù)”，可有效提高濾料再生效果，與“一站一參數(shù)”相比，既方便了員工操作，也降低了管理困難。

5 結(jié)論與建議

（1）研發(fā)了TDCS、AB PLC 兩種控制系統(tǒng)的反沖洗參數(shù)優(yōu)化程序，實(shí)現(xiàn)“一罐一參數(shù)”的個(gè)性化反沖洗設(shè)置，解決了因“一站一參數(shù)”造成的部分濾罐反沖洗不適應(yīng)性，改善濾料再生效果，對(duì)于水質(zhì)提升、降低勞動(dòng)強(qiáng)度及自動(dòng)化管理具有重大意義。

（2）污水處理站的反沖洗應(yīng)首選“一站一參數(shù)”運(yùn)行模式，當(dāng)部分過(guò)濾罐出現(xiàn)反沖洗不適應(yīng)性時(shí)，應(yīng)及時(shí)對(duì)有問(wèn)題的過(guò)濾罐進(jìn)行問(wèn)題分析，并進(jìn)行“一罐一參數(shù)”調(diào)試。

（3）現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展個(gè)性化反沖洗參數(shù)調(diào)節(jié)試驗(yàn)，針對(duì)杏二十五聯(lián)深度污水站除油率、除懸率較低的2#、4#、10#過(guò)濾罐進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，有效改善了濾罐出水水質(zhì)，3 座濾罐出水含油均能達(dá)標(biāo)，除油率、除懸率能夠提升20 個(gè)百分點(diǎn)以上。

（4）面對(duì)油田多元開(kāi)發(fā)形勢(shì)以及采出污水的日益復(fù)雜，污水站過(guò)濾系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)更為嚴(yán)峻，為進(jìn)一步提高濾料再生效果、改善水質(zhì)、降低能耗，需根據(jù)各濾罐的實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行摸索和實(shí)踐，探索出適合各污水站的反沖洗方法。