油田污水处理监控系统设计

陈卫红，薄迎春

(中国石油大学 信息与控制工程学院，山东 青岛 266580)

油田污水处理监控系统设计

陈卫红，薄迎春

(中国石油大学 信息与控制工程学院，山东 青岛 266580)

针对老油田在开发过程中含水量的增加，日产含油污水量增大，造成土壤、地面水体的污染日趋严重的趋势，油田污水的二次处理越加得到重视。根据油田污水处理的过程和特点， 设计了1套基于工控软件的油田污水处理监控系统， 对污水处理过程中的重要参数进行了监控，并对其中重要的加药部分进行了控制方法的研究，提高了污水处理质量。

污水处理 监控系统 控制策略 模糊控制

近年来，随着社会的不断进步，人们越来越深刻地认识到，环境保护对于人类可持续发展的重要性。中国也把环境保护作为一项长期的基本国策，不断加大环保治理的力度，提高环保水平。目前，国内油田的开采大都处于注水开采期，不但开采时需要大量的水，而且会产生大量成分复杂的剩余含油污水，造成地层里的水大量流失，也给后期的石油炼制造成了很大的困难，所以必须对油中的污水进行特殊的处理，使处理后的水回注地层以补充、平衡地层压力。前期老油田对污水的处理基本上是采用加石灰工艺的方法手动控制处理，很难达到指标。为此结合胜利油田滨南采油厂的实际情况，笔者开发设计了1套油田污水处理监控系统，在提高油田污水处理效果的同时，也提高了污水处理的现代化管理水平。

1 污水处理监控系统结构

1.1 油田污水处理工艺流程[1-2]

采油污水处理通常采用物化法，大量的污水通过主污水管道进入污水处理厂的总污水储油罐，通过仪表检测来水的总量以便后续处理，从总储油罐送出的污水进入其他储油罐，根据其成分进行多步骤的物理和化学处理，处理完的污水合格后再通过外输管道送出，使污水再次得到利用。

结合油田污水处理厂的实际情况，利用组态王工控软件所绘制的污水监控系统现场工艺流程如图1所示。图中清楚地标出了污水处理厂的各处理设备的摆放、名称、数量、管道的连接，各种参数如液位、流量、压力、加入的药剂量、处理后污水的pH值等显示一目了然。

1.2 监控系统结构设计[2-4]

污水处理监控系统由监测中心、现场监控工作站、现场过程测控系统等构成。监测中心通过网络与现场监控站连接，将整个厂区各现场监控站的重要参数和数据进行汇总、存档及综合分析，实现任务优化组合调配。现场监控工作站主要是给用户提供一个可视化的污水处理操作管理平台， 提供了污水处理的工艺流程图、罐区示意图、泵状态、参数总貌、实时曲线、历史曲线、控制台、控制监测、监测报警、自动报表、网络数据服务、零点矫正等图形和操作功能。现场测控系统主要由ADAM-5000工控模块和安全栅组成，实现对现场的数据采集、模拟转换、模拟输出、上传数据及接收现场监控站的生产指令等， 完成对油田污水处理过程的自动测量与控制。整体结构如图2所示。

图1 污水处理厂流程示意

图2 监控系统整体结构示意

该结构是整个监控系统的核心部分，其中工控模块ADAM-5000系列担当了重要角色，系统通过模块对现场的数据进行采集、转换、输出，实现计算机自动控制。

1.3 系统的功能与特点

1) 系统可以直接通过现场监控站各功能窗口了解到各子系统的工作状态，可根据污水性质的变化实时地调整相应的工艺参数，不仅方便了技术人员操作，同时也进一步提高了污水处理的质量。

2) 在设计自动监控系统时，对一切可能出现的问题笔者在系统中设置了应对措施预案，自动处理相关问题，提高了系统的可靠性。

3) 加强了抗干扰能力设计，部分采用了冗余设计，提高了系统的稳定性。

4) 自动监控系统对于要控制的现场参数，无需工作人员现场考察，其现场的仪表状态及加药系统的工作状态在控制室里一目了然。

5) 监控系统具有多数据自动记录、显示功能，对历史数据作了浓缩处理，可通过现场监控站各功能窗口直接查询、显示或打印任何时刻的监测结果。

6) 通过现代化的网络实现了系统数据共享，并可通过网络把动态数据实时传送到上级主管部门的监控系统，便于职能部门实时了解现场情况，做出正确决策。

2 污水处理监控系统功能设计[5-7]

污水处理监控系统软件系统采用组态王工控软件开发，根据需要绘制了工程流程图、罐区示意、泵状态、参数总貌、实时曲线、历史曲线、控制台、控制监测、零点矫正、报警、报表、参数设置等画面。画面是用户用来与计算机进行人机交互、监视控制系统状况、进行生产操作、输入控制命令的人机界面，通过该画面，能够让操作人员形象、直观、正确地掌握整个系统的运行状况，及时方便发出自己的操作命令。通过这些运行画面为用户提供了数据采集与处理、画面设计、动画显示、报表输出、报警处理、流程控制等功能，对整个污水处理工作状况实现了全方位实时监控。

泵工作状态画面各参数反映了各加药泵的工作状态，如各泵污水流量、工作频率、控制量等。通过对加药撬块各泵变频器工作频率的自动控制，实现了药剂加药量的自动控制，大幅提高了污水处理质量。控制操作台画面既有重要参数显示窗口，也有各种不同的功能按钮菜单，实现了监控系统登录、配置用户、时间设置、参数修正、打印报表、手/自动切换控制、关闭/打开窗口、系统退出、关闭计算机等功能。

3 污水处理控制方法研究

随着设备和工艺的不断完善，用于污水处理控制方法也在不断更新。目前油田的污水处理方法基本上有三种： 通过监测污水的pH值；通过检测接收罐和缓冲罐的液位；通过检测提升泵污水流量。经过实验比较，笔者采用综合控制策略。由于污水流量的变化对污水处理药剂量的添加产生很大的影响，因而先对接收罐的液位和提升泵的污水流量进行联锁控制，尽量使污水流量保持稳定。去除水中杂质的药剂和净化污水药剂的控制采用开环控制，以接收罐的液位高度和提升泵的污水流量为依据，采用专家控制算法控制加药泵的变频器频率改变加药量，其中的各参数由操作人员根据规程和经验精心调试即可设定，控制过程中可根据实际情况作在线微调，经过实践完全可以达到要求。由于污水pH值对污水水质影响较大，必须使其在允许范围内，才能保证处理的污水达标，因而pH值控制采用闭环自动控制，精确控制加药泵的药剂量，以期达到较好的效果[8-9]。

3.1 pH值控制策略[10-11]

该项目主要是针对油田开采污水处理，由于油田污水所含杂质成分较为复杂，且化学成分较多，因而污水处理过程较为复杂。整个处理系统属于典型的非线性滞后系统，该系统的精确对象数学模型难以获得。PID控制器是过程控制系统中最常用、最成熟、应用最广泛的调节器，由于对象的非线性、滞后性，运用PID控制效果不理想。模糊控制器不依赖过程控制的精确数学模型，采用人工智能的方式，吸收人工控制的操作经验，依据一些推理规则，将日常生活中的自然语言能够直接转化为计算机所能接受的算法语言决定控制决策；调整控制器中各参数，可大幅提高非线性滞后系统控制精度和可靠性。综合比较以上三种控制策略，确定该污水处理自动控制系统pH值加药部分采用模糊控制策略。

3.2 模糊控制器的实现

在污水综合处理控制系统设计中，针对pH值加药部分设计了“双入单出”模糊控制器，其结构如图3所示。

图3 模糊控制器结构示意

根据现场污水处理过程中pH值的调试经验和系统运行数据分析，得出的控制规则见表1所列。选取控制量变化的原则： 在开始阶段误差较大时，控制作用以快速减小误差为主，操作幅度较大；当误差适中时，控制作用以抑制超调为主；当误差很小时，输出与给定值接近，控制作用以维持系统的稳定性为主，操作较弱。

表1 控制规则

在pH值加药系统模糊控制过程中，只要选择适当的采样周期和量化因子，可使系统获得较好的性能指标，提高了系统的可靠性和智能化程度，是一种较理想的控制方案。

4 结束语

油田污水处理自动监控系统，目前在胜利油田的滨南采油厂得到了很好的应用，系统自投入运行以来，运行状况良好，性能稳定，使用便捷，各项污水治理指标稳定合格。污水监控系统加药部分实现自动控制，节省了人力、物力、财力，达到经济效益和社会效益双丰收。

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Design of Monitoring System for Oilfield Sewage Treatment

Chen Weihong， Bo Yingchun

(Information and Control Engineering，China University of Petroleum，Qingdao，266580，China)

With the development of old oil fields， water control and daily oily wastewater output are increasing，causing more and more serious pollution to soil and surface water. Secondary treatment for oilfield sewage is attached more and more importance. According to the process and characteristics of oilfield sewage， a set of oilfield sewage treatment monitoring system based on industrial control software is designed. The important parameters in sewage treatment process are monitored. The control method of important material dosing section is studied. The quality of treated sewage is improved.

sewage treatment； monitoring system； control strategy； fuzzy control

陈卫红(1967—)，男，湖北武穴人，1988年毕业于中国石油大学机电工程专业，研究方向： 自动控制与测控类实践教学理论、方法探索，大型精密仪器开发使用与维护等，任高级实验师。

TP277

B

1007-7324(2015)01-0036-03

稿件收到日期： 2014-09-29，修改稿收到日期： 2014-12-06。