基于DCS的生活水處理裝置控制系統設計

王海向

(中石化中原石油工程設計有限公司，河南 鄭州 635000)

隨著中國水處理系統自動化控制技術的飛速發展，先進的分散控制系統(DCS)逐步取代了“現場儀表加調節器加人工操作”為主的傳統水處理控制方式[1]。由于DCS卓越的自控性能以及穩定的運行狀況，在某煤炭深加工示范項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目為大型煤化工項目，以煤為原料生產甲醇，由甲醇轉化生產乙烯、丙烯，最終制得多牌號聚丙烯及聚乙烯產品。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給水為原水，在生產水調節池內加壓后輸送至預處理單元和膜處理單元進行過濾，從而得到符合飲用水衛生標準的混合產水作為化工區、宿舍樓和煤礦區的生活用水。根據來水及產水水質的要求，該裝置采用“調節池加多介質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，包括調節池、預處理單元、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。生產給水及井水作為原水，在生產水調節池內對水量波動進行調節，同時對原水中的有機物、鹽分等污染物質進行調節、均合。通過管式靜態混合器投加絮凝劑和混凝劑，經多介質過濾器及活性炭過濾器的組合，去除較大顆粒、密實性較好的絮體，使濁度、色度等主要指標達到生活飲用水衛生標準。活性炭過濾器的一部分產水直接輸送至生活水箱，另一部分產水經膜處理單元后輸送至生活水箱。在膜處理單元中超濾主機可去除水中的懸浮物、膠體、細菌和有機物等雜質，滿足了后續納濾主機的進水條件。納濾主機主要去除水中的可溶性鹽分、膠體、有機物及微生物，使最終產水達到優良的飲用標準。混合產水在進生活水箱之前會投加二氧化氯以保證管網余氯含量；最終符合飲用水衛生標準的生活水經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水管道進行處理，膜處理反沖洗的排水加壓輸送至全廠生產廢水管網。

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總體設計

2.1 控制系統的總體方案

全廠生活水處理裝置由預處理單元系統、膜處理單元系統、加壓系統、加藥系統和清洗系統等組成，其中預處理單元系統和膜處理單元系統的控制是整個裝置控制系統的核心。各個系統配有單獨的電控柜。電控柜內電動閥和泵的控制信號采用硬連接方式接入DCS。根據裝置各系統的自動控制邏輯圖進行DCS的組態，從而實現各系統的遠程監控。

1) 預處理單元控制系統主要包括多介質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主要包括管殼式換熱器、超濾主機、納濾供水泵、納濾高壓泵和納濾主機的順序控制。

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

4) 加藥控制系統主要包括二氧化氯加藥機、鹽酸加藥機、次氯酸鈉加藥機和氫氧化鈉加藥機等的遠程控制。

5) 清洗控制系統主要包括膜系統化學清洗裝置、過濾反沖洗泵、超濾反沖洗泵和膜系統排污泵等的遠程控制。

2.2 DCS配置及構成

全廠生活水處理裝置采用ECS-700 DCS進行集中監控，實現裝置的順序控制、工藝聯鎖、監視和管理[3]。DCS配置構成如下：

1) 控制節點。包括控制站及過程控制網上與異構系統連接的通信接口等。

2) 操作節點。包括工程師站、操作員站、組態服務器、數據服務器等連接在過程信息網和過程控制網上的人機會話接口站點。

3) 系統網絡。包括I/O 總線、過程控制網、過程信息網、企業管理網等[4]。

全廠生活水處理裝置與凈水場裝置共用DCS工程師站、歷史趨勢服務器、AMS區域服務器、ODS區域服務器、交換機和網絡設備機柜等設備。生活水處理裝置新增1個控制站和1個操作站。生活水處理裝置和凈水場數據通過冗余通信光纜從現場機柜室傳送到全廠中心控制室。全廠中心控制室內凈水場工程師站可對生活水處理裝置進行全部的控制、監視、報警及報表等操作。

3 預處理單元控制系統的設計

預處理單元包括3臺多介質過濾器和3臺活性炭過濾器。多介質過濾器內裝有石英砂、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，降低進水的濁度和污染指數，滿足活性炭過濾器的進水要求。活性炭過濾器主要是利用粒狀活性炭的吸附機理來吸附水中的有機物和余氯，去除膠體渣、含鐵元素的化合物和懸浮物，進一步降低水的色度和濁度，提高產水的質量。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 多介質過濾器

每臺多介質過濾器配有進水電動閥、產水電動閥、初濾電動閥、反洗進水電動閥、反洗排水電動閥、反洗進氣電動閥和排氣電動閥各1臺，可自動/人工進行控制。每臺過濾器配有電控柜1臺，所有電動閥控制信號從電控柜接入DCS，由DCS進行遠程控制。多介質過濾器設有三罐和雙罐運行模式，可人工選擇運行模式。多介質過濾器采用時間控制，可實現自動控制氣沖洗、水沖洗、初濾和過濾4個流程的運行，也可定時自動/人工啟動反沖洗流程。反洗水來自過濾反沖洗泵，反洗氣來自工程空氣罐。

1) 反洗。關閉進水電動閥和產水電動閥，打開排氣電動閥和反洗排水電動閥，檢測以上閥門到位后，完全開啟反洗進氣電動閥3～4 min后，關閉反洗進氣電動閥。待完全關閉后，打開反洗進水電動閥，閥門開啟到位后，啟動過濾反沖洗泵。過濾反沖洗泵運行約2 min后，關閉排氣電動閥，過濾器進入水沖洗狀態。

2) 初濾。過濾反沖洗水泵運行5～10 min后，停止該泵。關閉反洗進水電動閥，打開進水電動閥和初濾電動閥，關閉反洗排水電動閥，過濾器進入初濾狀態。

3) 過濾。初濾運行約4 min后關閉初濾電動閥，打開進水電動閥和產水電動閥。待電動閥開啟到位后，開啟第1臺生產水提升泵。運行平穩5 min后開啟第2臺生產水提升泵。水泵運行正常后，過濾器進入正常過濾狀態。

3.2 活性炭過濾器

活性炭過濾器與多介質過濾器相比，不同點在于減少了反洗進氣電動閥，自控邏輯中減少了氣沖洗流程。活性炭過濾器的產水一部分進生活水箱，另一部分進活性炭產水池，經超濾供水泵加壓后進入膜處理單元。在進生活水箱前管道上安裝有濁度計、電磁流量計和電動調節閥，對其流量進行自動調節。當濁度值小于1 NTU時，活性炭過濾器產水水質才達標。

4 膜處理單元控制系統的設計

膜處理單元包括管殼式換熱器、自清洗過濾器、超濾主機、納濾供水泵、納濾保安過濾器、納濾高壓泵和納濾主機。控制系統包括對以上設備的順序控制。

活性炭過濾器產水經超濾供水泵加壓進入管殼式換熱器用于保證水的溫度，然后進入自清洗過濾器，保證水質滿足超濾主機進水要求。水經超濾主機中的膜系統處理后進入超濾產水池，由納濾供水泵加壓后進入納濾保安過濾器進一步保證納濾主機供水水質。水由納濾高壓泵加壓后進入納濾主機，經納濾膜系統處理后輸送至生活水箱[8]。

4.1 超濾主機

膜處理單元設有2套超濾主機，運行時同時使用。每套超濾主機配有產水電磁流量計1臺，進水電動閥、產水電動閥、水洗電動閥、濃水電動閥、排放電動閥和氣洗電動閥各1臺，可自動/人工進行控制。每套主機配有電控柜1臺，流量計信號、電動閥控制信號由電控柜接入DCS，實現遠程控制。超濾主機可實現就地/遠程控制過濾、氣洗、反沖洗和正沖洗等流程。氣洗用氣來自工程空氣罐。2套超濾主機錯開氣洗、反沖洗[9]過程。

當超濾主機運行一定時間后，其產水量下降，清洗控制系統會用酸洗和堿洗對其進行加強反沖洗或化學清洗。

1) 過濾。打開進水電動閥和產水電動閥，待電動閥開啟到位后，開啟第1臺超濾供水泵，運行平穩5 min后開啟第2臺超濾供水泵。水泵運行正常后，超濾主機進入正常過濾狀態。

2) 氣洗。過濾約40 min后應進行反沖洗，反沖洗前先進行氣洗，氣洗可高效沖刷膜絲上的污染物。氣洗時打開濃水電動閥和氣洗電動閥，氣洗壓力為0.08 MPa，持續0～60 s后關閉氣洗電動閥，打開排放閥持續約3 min后關閉。

3) 反沖洗。氣洗結束進行反沖洗，通過超濾反沖洗水泵對超濾產水加壓提升至超濾主機進行反沖洗，反沖洗分為上反洗和下反洗。

下反洗時打開水洗電動閥和排放閥，待全打開后開啟第1臺超濾反沖洗水泵，待穩定3 min后開啟第2臺，進入下反洗狀態。下反洗1～2 min后，打開濃水電動閥，關閉排放閥，進入上反洗狀態。上反洗1～2 min后停超濾反沖洗水泵，關閉水洗電動閥和濃水電動閥，反沖洗流程結束。

4) 正沖洗。反沖洗結束后進行正沖洗，正沖洗采用超濾供水泵對活性炭過濾器產水加壓提升至超濾主機。完全打開進水電動閥和排放閥后開啟第1臺超濾供水泵，穩定3 min后開啟第2臺，進入正沖洗狀態。正沖洗1～2 min后停超濾供水泵，關閉排放閥，正沖洗流程結束。

4.2 納濾主機

膜處理單元設有2套納濾主機，運行時同時使用。每套納濾主機配有產水電磁流量計1臺；產水pH計1臺；壓力變送器4臺，分別測納濾高壓泵前、進水、段間和濃水四處管線壓力；進水電動閥和濃排電動閥各1臺。每套主機配有電控柜1臺，各儀表信號、電動閥控制信號由電控柜接入DCS，實現遠程控制。

為防止納濾膜面結垢，提高產水量和產水質量，降低運行費用，納濾主機運行時阻垢劑加藥機同時運行。當水中加入氧化劑時，為配合氧化性殺菌劑的余氯還原，將余氯量控制在一定數值內，納濾主機運行時還原劑加藥機也同時運行。納濾主機可實現就地/遠程控制過濾和沖洗等流程。為保證納濾主機長時間的安全運行，通常0.5～1.0 a需人工對其進行酸洗和堿洗或化學清洗，清洗方向與運行方向相同，不得反向清洗[10]。

1) 沖洗。為保證產水質量，納濾主機每次啟動和停止時都需沖洗10 min。完全打開進水電動閥和濃排電動閥后，啟動第1臺納濾供水泵，穩定3 min后啟動第2臺，進入沖洗狀態。

2) 過濾。沖洗結束后，關閉濃排電動閥，開啟產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，進入正常過濾狀態。

5 結束語

通過基于ECS-700 DCS的生活水處理裝置控制系統的設計，實現了在該項目中心控制室就能全面了解整體裝置的運行情況。該系統自投運以來，運行平穩，大幅提高了生活水裝置處理的自動化程度，降低了操作人員的勞動強度，獲得了用戶的一致好評。

參考文獻：

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

[2] 鄧麗君．中天合創公司氣化項目中的儀表設計進度管理與質量控制[D]．上海： 華東理工大學，2016.

[3] 史延鵬．中控ECS-700系統故障狀態的快速應對方法[J]．中華紙業，2017(10)： 70-71.

[4] 吳江林．ECS-700系統在空分裝置的應用[J]．工業儀表與自動化裝置，2014(05)： 46-47.

[5] 蔣正杰，劉躍東．多介質過濾器在電廠廢水處理系統中的應用[J]．電力科技與環保，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用研究[J]．四川電力技術，2001(05)： 48-49.

[7] 童秋階．程控系統時序圖與邏輯框圖設計[J]．化工設計，2005(01)： 30-31.

[8] 陳勝喜，劉小亮. 多介質過濾器、超濾和反滲透技術在中水回用中的應用探討[J].節能，2014(07)： 38-39.

[9] 崔東鋒.基于S7-300PLC的超濾控制系統設計[J].自動化技術與應用，2016(11)： 55-56.

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