煤制甲醇水處理系統自動控制的研究與應用

劉艷紅 項亞南 徐濤

摘要：針對某煤制甲醇項目廢水水量大、水質復雜、處理流程復雜、人工控制影響控制精確度和實時性等問題，設計了一套高效穩定的深度水處理自動控制系統。根據煤化工污水處理工藝流程和出水水質要求，搭建了系統電氣和網絡拓撲結構，設計了由工控機、PLC、現場智能儀表、HMI 等組成的硬件系統，通過 PLC實現水處理自動控制，并利用 WINCC開發了上位機監控系統，最終實現了對水處理系統全過程的遠程監視、參數設置、實時控制、報警、生成報表等功能。運行結果表明，設計的水處理控制系統長期穩定高效可靠運行，廢水回用率高達97%，節約排污費超100萬元/年，實現了節能減排和降本增效。

關鍵詞：水處理;反滲透;PLC;監控

中圖分類號：TP273???????????? 文獻標志碼：A??????? 文章編號：1009-9492（2021）12-0155-07

Research and Application of Automatic Control of Water Treatment System in Coal-methanol Project

Liu Yanhong1，Xiang Yanan1，Xu Tao2

（1. Integrated Circuit Manufacturing Equipment Engineering Technology Research and Development Center， Jiangsu Vocational College ofInformation Technology， Wuxi， Jiangsu 214153， China;2. Wuxi Bozhong Automation Co.， Ltd.， Wuxi， Jiangsu 214124， China）

Abstract： In coal-methanol project， to solve the problems of large amount of wastewater， complex composition and treatment process， control accuracy and real-time performance are difficult to achieve by manual control. An efficient and stable automatic control system for advanced water treatment was designed. According to the requirements of coal chemical wastewater treatment process and effluent quality， the system electrical construction and network topology were built， and the hardware system composed of industrial computer， PLC， field intelligent instruments and HMI was designed. The automatic control of water treatment was realized through PLC， and the upper computer monitoring system was developed by WINCC. The remote monitoring， parameter setting and real time control， alarm， report generation and other functions were realized. The operation results show that the water treatment control system operates stably， efficiently and reliably for a long time， the wastewater reuse rate is as high as 97%， the sewage discharge fee is saved by more than one million yuan / year， and energy conservation， emission reduction， cost reduction and efficiency increase are realized.

Key words： water treatment; reverse osmosis; PLC; monitor

0 引言

《關于推進污水資源化利用的指導意見》提出，“雙碳”形勢下煤化工企業廢水重在減排和資源化，需要企業踐行低碳控制的水循環理念。近年來，煤化工行業快速發展，工業生產過程中產生的反滲透濃水、工業污水、循環排污水及部分工藝排水等污水量逐年增加，污水成分復雜、污染物多，其水處理流程復雜。現有水處理系統可采用人工控制現場電柜簡單電氣線路，此方式只適用于簡單的水處理控制，很難實現精準實時控制和能耗節約，且存在安全隱患。在行業監管加強、人工成本大幅上升等因素影響下，本文旨在設計一套高效穩定的深度水處理自動控制系統，利用 PLC模塊達到智能化控制和節約能耗目標，通過水處理遠程監控系統，實現污水處理的智能監控、數據存儲、預判預報警等功能。通過智能化水處理監控系統，提升污水收集處理效能，推進污水資源化利用，促進甲醇生產過程智能制造新模式應用。

1 煤制甲醇水處理工藝流程

本甲醇生產項目位于內蒙古鄂爾多斯市烏審旗無定河鎮毛烏素沙漠腹地，當地水資源匱乏，整個產品周期耗水巨大，易產生大量的廢水，水泵消耗的能源消耗占水處理設施能耗10%，水處理消耗大量燃料和藥劑，并排放溫室氣體。項目站在更高視角進行整體工藝設計，設計時充分利用上游生產裝置，綜合分析污染物來源特性及產生過程，治理污水同時同步優化資源配置，降低污水處理成本，降低廢水排放量，提升企業競爭力。

通過優化原料投入環節、改造升級曝氣系統、優化污水處理工藝，建立一套水處理監控系統，實現由 PLC 根據現場設備自動完成水處理工藝流程[1]，旨在降低污水處理能耗和物耗。

本項目用水主要分為鍋爐用水、循環水補水和其他生產工序用水，其中脫鹽水站和循環水補水的用水量最大，超總用水的90%，本項目需要把煤制甲醇過程中所需的原水、生產裝置排除的廢水、雨水、生活污水等進行處理，最終達到不向外界排放廢水的目標，項目“零排放”選用的工藝如圖1所示。

脫鹽水站利用各種設施設備（如反滲透裝置）和工藝技術，將水中所含的鹽分即雜質從水中分離去除，使水中鹽分下降趨向純水（一般能脫除98%的可溶性物質），使水資源得到充分利用。脫鹽水站擁有3套水處理系統，分別為生產水制備、透平冷凝液回收、工藝冷凝水回收。脫鹽水處理工藝流程如圖2所示。

原水制備脫鹽水系統采用多介質過濾器+板式換熱器+碟片過濾器+程控超濾裝置+反滲透+混床處理工藝。處理后的合格脫鹽水被送入2臺脫鹽水箱貯存，再經脫鹽水泵送至全廠各用戶[2]。

冷凝液制備脫鹽水系統采用雙膜法（UF+RO）預處理工藝。將高鹽廢水和排污水合并處理，利用中水回用和蒸發結晶技術，直接轉化為生產用水和工業用鹽。

2 系統工藝指標

甲醇項目水處理的目的是實現水資源回收利用，主要通過回收工藝廢水進行循環利用，同步建設兩個廢水裝置，生產廢水及生活污水通過氣化廢水處理系統和循環排污水處理及蒸發系統處理后提高利用率。回用水站接收的廢水包括循環水站排污水、污水處理站出水、熱電站鍋爐排污水及脫鹽水站排污水[3]。

原水水量數據如下：循環水站排污水（含旁濾反沖洗水）167 m3/h （正常），199 m3/h （最大）;污水處理站出水110 m3/h （正常），165 m3/h （最大）;熱電站鍋爐排污水9.6 m3/h （正常），11.8 m3/h （最大）;脫鹽水站排污水為160 m3/h （正常），190 m3/h （最大）。脫鹽水站排污水質如表1所示。

系統工藝指標具體如下。

（1） 系統產水量

原水制備脫鹽水系統產水量[4]為300 m3/h ，冷凝液制備脫鹽水系統產水量520 m3/h ，均以水溫25℃計算。

（2） 出水水質指標

原水制備和冷凝液制備脫鹽水系統脫鹽水水質達到二級水質要求，主要指標如表2所示。隨著水體 pH 值的增加， CODCr 的去除率先增加后減小。當 pH值為5～ 6時，絮體溶解度較小，混凝工藝處理效果較好， CODCr 去除率達到33%左右[5]。多介質過濾器出水 SDI≤5～6;超濾裝置出水污染指數小于或等于0.3; RO 裝置進水污染指數小于或等于0.5、ORP ≤100 mV ，余氯小于或等于0.1 mg/L ，水溫20～30℃;絮凝劑、殺菌劑投加濃度為2～5 mg/L ，配制藥液濃度5%。

3 水系統控制

煤制甲醇項目脫鹽水站中拖動機械裝置配套的電動機主要參數和位置如表3所示。

現場有煤儲運、煤漿制備、氣化、渣水處理、中間罐、脫硫/脫碳、硫回收、合成/氫回收、甲醇精餾、除氧、空分、污水處理等眾多電氣裝置。現場僅脫鹽水站有成套電控柜2套，現場按鈕操作箱41臺，需要控制的和作為備用的電動機共51臺。

開發一套水處理自動控制系統，系統主要控制對象：超濾裝置、多介質過濾器、反滲透裝置、混床、精制混床、前置陽床、水池、總泵房、加藥間、儲藥間等。現場電氣設備執行層包含50多個泵、百余個閥門、開關、變頻器、傳感器、智能儀表等。

輸入模塊負責采集數字量（開關、按鈕等）和模擬量（流量、電導率、壓力等）數據，PLC根據控制要求按照預先編好的程序，通過數字量輸出模塊輸出開關量以控制閥門和泵，或者通過模擬量輸出模塊輸出模擬量信號，比如輸出4～20 mA 電流信號給變頻器調節增壓泵進而控制調節系統進水壓力[6]，最終完成各生產工序，并將信息通過以太網傳送至上位機。

PLC是整個水處理自動控制系統的大腦，負責數據采集與現場設備控制;人機交互界面用 WINCC組態，操作人員通過計算機實現對整個系統的狀態監視、遠程操作、參數設置以及報警查看等功能，共同實現工藝指標和消耗指標的控制和調整。系統主監控畫面如圖3所示。

整個生產過程設備眾多且需按嚴格的時間順序頻繁啟停，故整套系統采用 PLC和監控軟件實現生產過程的自動化控制，滿足系統回收率、產水 pH值等設計要求。就地控制系統應能對整個工藝系統進行 PLC集中監視、管理和自動控制，并可實現遠程操作[7]。

（1） 就地控制。手動部分采用的是繼電器/接觸器控制，此時不能進行自動控制，只要現場操作箱轉換開關處于“手動”位置，就可以在現場對設備進行控制。對于風機、泵等轉動機械，操作員能在就地控制柜上操控按鈕進行設備直接操作，當切換開關處于就地模式時， PLC退出控制，繼續設備運行狀態監測、數據采集和故障報警工作。

（2） 自動控制。計算機啟動后監控系統自動啟動，在主流程圖3中可以看到各臺電機和閥門的運行狀態、水池液位、流量等信息，通過畫面下方的按鈕，可以進入各個分系統、報警報表查看以及參數設置等畫面，在每個分系統中可以對每個控制對象進行遠程操作。

4 水處理自控系統整體框架

根據現場設備狀態和技術要求，本系統自動控制部分采用 Simens S7-300 PLC為主站，研華工控機為上位監控計算機，監控軟件采用 Simens WinCC V6.0組態，PLC 通過 Profibus-DP 總線與各個子站進行數據交換。整個控制系統包括主控室、遠程站、現場部分。現場部分包括企現場儀表及設備和就地控制機柜組成。通過計算機，操作員可對整個系統進行狀態監視、遠程操作、參數設置及報警查看等。

（1） 上位監控站

上位操作站的任務是人機交互，不僅可設置、監視、保存系統中各類參數，還可顯示工藝流程、查看設備生產運行情況以及打印報表等。圖 4所示為 PLC 控制系統的拓撲圖，圖5所示為甲醇項目脫鹽水站電氣拓撲圖。

（2） PLC柜

PLC 柜安裝有 Simens S7-300控制器，? DI、 DO、 AI、AO 等模塊，完成全部現場工藝參數的數據采集與控制。如表4所示。

（3） 現場配電柜

通過現場配電柜不僅可以手動控制脫鹽水站現場泵與閥門，還可以與遠程 IO 站連接，將現場各設備狀態信號傳送給 PLC 。現場手動控制的優先級高于監控室自動控制，只有將狀態開關打到遠程控制，才能啟動自動控制程序。

生產現場安裝的壓力傳感器、液位計、流量計等儀表數據，閥門的開關狀態，電動機的運行狀態以及頻率值等都需要輸入系統進行分析處理，按照預定程序自動操作設備。

圖6所示為加藥系統中的 pH調節系統，pH調節加藥泵與原水泵連鎖使用，一用一備，自動狀態下原水泵啟動后 pH加藥泵會自動啟動，系統會根據啟動原水泵運行的數量自動增減頻率，調節加藥量。

5 水處理自控系統軟件設計

如圖7所示，系統設計根據脫鹽水站的實際水質，在調試過程中確定投加藥劑的量，編寫控制程序，再通過監控畫面進行控制。利用先進的傳感技術，對污水水量、水質等參數和加藥系統運行數據等進行數據分析，建立算法模型，實現加藥系統精細化控制，降低藥品消耗和設備運行能耗。

在監控界面上設定 pH值上下限，現場 pH儀將檢測到的液體酸堿度模擬信號反饋給 PLC ，PLC將其與設定值比較后的得出誤差值進行 PID 優化，控制變頻器的工作頻率，調整計量泵電機轉速，自動控制水池酸堿量，保證系統 pH值的精準控制。

曝氣系統在保證出水達標的前提下，按需提供溶解氧，使供需平衡，避免曝氣能耗的浪費。精選設備和品牌，調整流量計、液位計等安裝位置，精準控制鼓風機的運行過程，實現鼓風機節能降耗，如圖8所示。

采用變頻技術對排水泵升級改造，利用物聯網技術，打造智能管理平臺，實現脫鹽水、中水回用、蒸發結晶等遠程控制、集中管理和數字化運營，達到節能降耗目的。本系統中部分參數的計算如下。

（1） 投藥量

式中：q 為投藥量，L/h; Q 為處理水量，m3/h; V 為投藥濃度，mg/L;S 為配藥百分濃度。

（2） 超濾裝置

跨膜壓差（ TMP ）即作用于膜兩側的壓力差，它是完成膜過濾的推動力。

全流過濾： TMP = Pj - Pc

錯流過濾： TMP =（Pj + Pn ）2- Pc

式中： TMP 為跨膜壓差;Pj 為進水壓力;Pc 為產水壓力;Pn 為濃水壓力。

（3） RO 裝置的回收率

回收率 Y表示產水流量與進水流量的比率，通常以百分率表示。

式中： Vp 為產水流量，m3/h; Vf 為進水流量，m3/h; Vc 為濃水流量，m3/h。

（4） RO 裝置的脫鹽率

脫鹽率=（總的給水含鹽量-總的產水含鹽量）/總的給水含鹽量×100%。為了方便，常用公式近似估算脫鹽率：脫鹽率=（進水電導率-產水電導率）/進水電導率×100%，即：

式中：Ry 為回收率為 Y 條件下的脫鹽率，%; Cp 為產水電導率值，μs /cm; Cf 為進水電導率值，μs /cm。

6 系統調試與運行

反滲透裝置作為系統中重要的脫鹽裝置，現以它為例講解水處理系統的現場調試。本裝置需要跟蹤水壓、體積、鹽度、回收率、時間和能量等變量，需要確定隨著時間推移的正確壓力，以使用最少的能量達到最佳效果。反滲透裝置的啟停與運行控制包含13段程序，步驟雖繁瑣，但是簡單，每一道工藝都是按廠家要求執行，只需要借助中間量，完成常開、常閉的程序編寫即可實現預期控制要求。

（1） 預處理的自動啟動。當反滲透系統接收到一個遠程啟動信號后（半自動為按鈕輸入信號，全自動為為回用水箱液位儀表信號），首先由 PLC給預處理（多介質過濾器、超濾以及對應的機泵等）1個啟動信號，把超濾產水送入 RO 系統。反滲透自動條件如圖9所示。

（2） 低壓沖洗排氣。檢測到的原水（壓力）送 RO 系統后，首先打開濃水排閥和產水排放閥，然后開啟 RO 進水口閥門，進行低壓沖洗排氣。

（3） 生產運行。1#保安過濾器出口的低壓開關檢測到壓力后，反滲透 A 進水閥自動打開，10s后高壓泵A 自動啟動，高壓泵 A 運行1min后濃水閥和不合格閥會自動關閉，進入自動運行狀態。如圖10所示。

（4） 停機。當液位條件不滿足時，自動停止反滲透裝置。停止時高壓泵先停，濃水排放閥打開，超濾水泵停止，進水閥關閉[8]。

（5）低壓沖洗。沖洗閥打開，RO 沖洗水泵啟動對反滲透進行低壓沖洗，沖洗時間到后沖洗水泵停止，所有閥門關閉[9]。

高壓泵啟動后，阻垢劑加藥泵會自動開始加藥，除二氧化碳風機也會自動啟動。超濾水泵 D 為備用水泵，當超濾水泵 A、B、C、D 處在“手動”位置或是出現故障時，超濾水泵 D 將啟動。

反滲透裝置工作受中間水池與超濾水池的水位影響，設計時需編制反滲透自動條件。滲透裝置運行順序必須先啟動超濾水泵再啟動高壓泵，因為高壓泵不能空載，為了保證反滲透膜不出現水錘現象，高壓泵由變頻控制，高壓泵的控制需要修改變頻器相應參數。如圖 11 所示。

根據甲醇水處理的工藝過程，進行現場自動和手動調試，自調試后即可產出合格脫鹽水，實際投入運行后，設備產水量、產水水質均符合性能指標要求，該脫鹽水站的原水處理能力為4×120 t/h ，年產水量384萬t，節能及降耗效果顯著[10]。

7 結束語

本文設計開發的脫鹽水控制系統不僅保證了生產工藝和產品質量，還提高了設備利用率和企業自動化生產管理水平，可使廢水回用率高達97%，產出的氯化鈉滿足精制工業鹽Ⅰ類一等品標準，硫酸鈉也滿足了一級標準。在能耗雙控、碳達峰、碳中和的新要求下，實踐證明，本項目采用廢水零排放和資源化利用技術，年回收礦井水和凈水超千萬噸，減免排污費超百萬元，在滿足焦爐煤氣綜合利用的同時，實現了煤炭的高效和清潔轉化，實現了經濟效益、社會效益和環保效益的有機結合。

參考文獻：

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[10]武志偉，趙振忠，韓文杰，等.物聯網通訊技術在污水處理自動化系統中的應用[J].工業水處理，2019，39（1）：108-109.

第一作者簡介：劉艷紅（1980-），女，湖南邵東人，碩士，講師，研究領域為工業自動化控制。

（編輯：刁少華）