基于單片機(jī)的油田污水處理加藥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊青勝，詹習(xí)生，王智超

(1.湖北師范大學(xué) 機(jī)電與控制工程學(xué)院，湖北 黃石　435002；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司北京分公司，北京　100272)

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基于單片機(jī)的油田污水處理加藥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊青勝1，詹習(xí)生1，王智超2

(1.湖北師范大學(xué) 機(jī)電與控制工程學(xué)院，湖北 黃石435002；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司北京分公司，北京100272)

介紹了基于物理化學(xué)法的油田污水處理工藝流程；論述了工業(yè)控制中的基于三段式遲滯回線的流體均流控制方法；提出了基于PPM 比值控制的污水加藥控制方法；設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的油田污水處理加藥控制系統(tǒng)。

物理化學(xué)法；遲滯回線；PPM 比值控制

0　引言

隨著依靠天然能量大規(guī)模開采原油的逐步減少，目前我國(guó)許多油田處于二次采油期, 即注水開采期, 所采的油中含有大量的污水。因此，油田污水處理的問(wèn)題也變得更加突出與重要，其目的是將污水經(jīng)過(guò)處理后再回注地層以補(bǔ)充和平衡地層壓力,防止注入水和返回水腐蝕注水管和油管, 避免地層結(jié)垢，影響土質(zhì)結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境。

目前主要的污水處理技術(shù)方法有：物理處理法、化學(xué)處理法、物理化學(xué)處理法以及生物處理法。其中，物理化學(xué)處理法是結(jié)合了物理處理和化學(xué)處理兩種方法各自優(yōu)勢(shì)，在油田污水處理領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，其方法的核心是藥劑添加量的控制。

AT89C52單片機(jī)是一類具有較高的可靠性和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中。因此,使用AT89C52單片機(jī)構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)控制部分，結(jié)合VB軟件構(gòu)成上位機(jī)監(jiān)控界面部分, 采用物理化學(xué)處理技術(shù)方案，形成一套較為完善的油田污水處理加藥控制系統(tǒng)，取得了較好的控制效果。

1　加藥控制系統(tǒng)原理

1.1基本原理

本設(shè)計(jì)所采用的物理化學(xué)處理油田污水的方法中，通過(guò)向污水中加入A、B、C 三種化學(xué)藥劑,其中A 劑為pH 值調(diào)整劑, B劑為沉降劑, C 劑為阻垢劑。根據(jù)工藝要求,關(guān)鍵是在預(yù)反應(yīng)器中對(duì)污水添加A 劑提高污水的pH 值以減少腐蝕。添加 B 劑可加速污水中絮狀物的沉淀。添加C 劑可減緩污水在管路中的結(jié)垢。由于油田污水的成份比較特別，加入的藥品的量必須根據(jù)當(dāng)前來(lái)水量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，所以就必須設(shè)計(jì)自動(dòng)加藥控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)加藥量的準(zhǔn)確性。

油田污水首先通過(guò)管道進(jìn)入調(diào)儲(chǔ)罐進(jìn)行一次沉降，在提升泵的工作下將調(diào)儲(chǔ)罐中的污水送到預(yù)反應(yīng)器中，同時(shí)加藥泵將污水處理藥劑加入預(yù)反應(yīng)器中，在預(yù)反應(yīng)器中短暫的停留后直接進(jìn)入旋流分離器中進(jìn)行充分反應(yīng)，在離心力的作用下，污水與藥劑充分接觸，形成充分化學(xué)反應(yīng)之后的水以旋流形式通過(guò)分離器上部管道口輸送到清水儲(chǔ)罐做進(jìn)一步處理，產(chǎn)生的絮狀物因相互吸附而沉淀，形成污泥，通過(guò)分離器下部排污閥定時(shí)開關(guān)將污泥排到污泥池中。其加藥系統(tǒng)工藝流程框圖如圖1所示。

圖1　加藥系統(tǒng)工藝流程框圖

1.2提升泵出水流量的控制

調(diào)儲(chǔ)罐除了油田污水一次沉降的作用外，還承擔(dān)著污水量的存儲(chǔ)與調(diào)節(jié)，因油田污水量不斷變化，實(shí)際使用中可以多個(gè)調(diào)儲(chǔ)罐同時(shí)使用，以增強(qiáng)調(diào)儲(chǔ)效果。在調(diào)儲(chǔ)罐的調(diào)節(jié)作用下，通過(guò)檢測(cè)調(diào)儲(chǔ)罐的液位來(lái)對(duì)提升泵出水流量進(jìn)行控制以保證預(yù)反應(yīng)器的水量的穩(wěn)定，進(jìn)而加強(qiáng)加藥系統(tǒng)的穩(wěn)定性和處理效果。

圖2　提升泵出水控制原理框圖

通過(guò)檢測(cè)調(diào)儲(chǔ)罐液位值，采取不同的控制策略使得系統(tǒng)輸出4～20mA之間變化的電流信號(hào)，此信號(hào)作為變頻器的控制輸入，由變頻器對(duì)應(yīng)輸出的0～50Hz的變化頻率對(duì)提升泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，進(jìn)而改變出水流量。

為了保持出水流量的基本穩(wěn)定，滿足均流控制條件，不能根據(jù)調(diào)儲(chǔ)罐液位直接采用線性控制的方法，本設(shè)計(jì)采用的是根據(jù)液位對(duì)應(yīng)劃分變頻器輸出高頻段、中頻段以及低頻段進(jìn)行分段處理的方法。但是如果把液位-頻率簡(jiǎn)單分為三段的話易出現(xiàn)問(wèn)題，比如當(dāng)液位處于兩段的臨界點(diǎn)時(shí)，會(huì)造成控制系統(tǒng)的上下來(lái)回跳動(dòng)，不停的進(jìn)行兩段之間的擺動(dòng)，為了解決這個(gè)問(wèn)題，本設(shè)計(jì)中采用了遲滯回線的控制方法，如圖3所示。

圖3　變頻器工作的遲滯回線

在上述圖3中，箭頭向上的線為液位上升時(shí)的情況，箭頭向下的線為液位下降時(shí)的線。例如當(dāng)前液位下變頻器工作于中頻段，如果調(diào)儲(chǔ)罐液位上升高于液位3的值，那么變頻器就從中頻轉(zhuǎn)到高頻工作狀態(tài)。采用這樣的方法，既解決了臨界點(diǎn)的來(lái)回波動(dòng)問(wèn)題，又使得提升泵的出水在一定時(shí)間內(nèi)基本保持穩(wěn)定。

1.3污水加藥量的控制

在提升泵出水流量的基本穩(wěn)定下，加藥量的控制則是整個(gè)工藝流程中最為重要的部分。污水處理中加藥量主要根據(jù)提升泵出水流量來(lái)確定，而加藥泵的控制由變頻器輸出的0～50Hz的變化頻率進(jìn)行控制，改變加藥泵的轉(zhuǎn)速以改變加藥量，而變頻器通過(guò)系統(tǒng)輸出4～20mA之間變化的電流來(lái)改變其工作頻率。

圖4　污水加藥量控制原理框圖

本設(shè)計(jì)中采用的流量控制算法是PPM控制法，由此的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)加藥量的準(zhǔn)確投放。

公式中的兩個(gè)流量同為瞬時(shí)流量，上下兩個(gè)流量的單位相同。通過(guò)設(shè)定PPM值和濃度值，就能根據(jù)提升泵出水流量計(jì)算出所需的加藥泵藥劑流量。在計(jì)算出當(dāng)前所需的加藥量后，同當(dāng)前實(shí)際流量值進(jìn)行比較，采取比例調(diào)節(jié)的計(jì)算方法，把設(shè)定值與當(dāng)前值的差作為反饋量，加入比例調(diào)節(jié)，逐步控制當(dāng)前值與設(shè)定值的逐步逼近。

反應(yīng)到系統(tǒng)的最終變化是輸出到變頻器的頻率隨著各流量計(jì)的流量變化而變化，最后系統(tǒng)穩(wěn)定在這樣一個(gè)狀態(tài)：各藥劑的實(shí)際PPM值與面板設(shè)置的PPM基本一致，這樣就達(dá)到了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加藥的設(shè)計(jì)目的。

1.4分離器排污閥的控制

整個(gè)環(huán)節(jié)的最后一步是反應(yīng)產(chǎn)生的污泥的排放。對(duì)于本套系統(tǒng)，產(chǎn)生的污泥是一種絮狀物的形態(tài)，而且這個(gè)絮狀物互相之間有吸附性，在旋流分離器的作用下，產(chǎn)生的絮狀物最后能吸附在一起沉淀到分離器的罐底。對(duì)于產(chǎn)生的這種沉淀物，我們不能一次性將它全部排空，因?yàn)榱粼诠薜椎纳倭课勰嗄芨玫钠鸬轿缴厦娣磻?yīng)產(chǎn)生的新的絮狀物；同時(shí)它也不能長(zhǎng)時(shí)間停留在罐底，否則在旋流作用下太多的絮狀物容易影響上面處理水的水質(zhì)。因此，通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)測(cè)算出合理的排污時(shí)間間隔和一次排污的開閥持續(xù)時(shí)間非常重要。

本套系統(tǒng)排污閥選用的是電動(dòng)閥，可以通過(guò)開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行開閥和關(guān)閥的控制。所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)定時(shí)排污功能，在上位機(jī)面板上輸入?yún)?shù)排污間隔時(shí)間和開閥持續(xù)時(shí)間，通過(guò)定時(shí)器能就夠準(zhǔn)確的控制好排污時(shí)間間隔和單次排污的開閥持續(xù)時(shí)間；同時(shí)還增加了手動(dòng)開關(guān)閥功能，這是因?yàn)橛吞镂鬯奶厥庑?，不能保證污水的水成份保持長(zhǎng)時(shí)間不變，所以需要通過(guò)手動(dòng)方式根據(jù)實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行排污閥的開關(guān)控制。

2　加藥控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本套控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)主要包括上位機(jī)(計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng))和下位機(jī)(單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng))兩個(gè)部分，即基于VB程序設(shè)計(jì)的系統(tǒng)界面監(jiān)控和基于AT89C52單片機(jī)的集成電路板。

上位機(jī)由VB來(lái)實(shí)現(xiàn)，完成人機(jī)交互的功能。完成控制系統(tǒng)必須設(shè)置的各種參數(shù)，包括PPM的設(shè)定值，藥劑濃度，排污閥排污間隔以及排污閥一次排污開閥時(shí)間；同時(shí)各個(gè)一次儀表的檢測(cè)數(shù)據(jù)也需要通過(guò)顯示的方式讓用戶可以實(shí)時(shí)觀察，這個(gè)工作也是由上位機(jī)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。PPM控制中的PPM值設(shè)定和藥劑濃度設(shè)定如圖5所示。

圖5　PPM控制中的參數(shù)設(shè)定

下位機(jī)集成電路板的主控芯片是AT89C52單片機(jī)，外圍電路包括了模擬量輸入輸出電路，開關(guān)量輸入輸出電路和串口通信電路三部分。串口通信的格式為RS232格式，其功能是和PC機(jī)的VB程序進(jìn)行通信功能。模擬量輸入電路的功能是一次儀表的數(shù)據(jù)采集功能，整套系統(tǒng)中涉及到多個(gè)一次儀表，并且需要及時(shí)根據(jù)對(duì)一次的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)控制，因此數(shù)據(jù)采集功能的準(zhǔn)確與否直接影響到控制效果的好壞。

3　結(jié)語(yǔ)

本文介紹了工業(yè)控制中的基于三段式遲滯回線的流體均流控制方法在油田污水處理的應(yīng)用；提出了基于PPM 比值控制的污水加藥控制方法；設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的油田污水處理加藥控制系統(tǒng)。本套系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于青海油田采油一廠聯(lián)合站和采油三廠聯(lián)合站，并取得了不錯(cuò)的控制效果。當(dāng)然，系統(tǒng)也存在著一些不足，比如采樣精度不夠高。因?yàn)椴捎玫氖?9C52單片機(jī)作為主控芯片，ADC0809作為A/D轉(zhuǎn)換芯片，數(shù)據(jù)格式限制為8位，達(dá)到的精度為1/256，當(dāng)需要精密控制時(shí)可能無(wú)法滿足控制要求，需要在以后的設(shè)計(jì)中不斷改進(jìn)。

[1] 劉德新. 油田污水處理 [M].北京: 中國(guó)石油大學(xué)出版社, 2015.

[2]張文藝,馮俊生,方華,等. 石油石化工業(yè)廢水處理與回用技術(shù)[M].北京:石油工業(yè)出版社, 2013.

[3]解懷仁,王成林,中國(guó)石油和石化工程研究會(huì)，等. 石油化工儀表自控系統(tǒng)應(yīng)用手冊(cè)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2014.

[4]王智超,王全治.油田污水處理加藥測(cè)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)[J].石油儀器, 2010, 24( 3) : 49～ 50.

The design of oilfield sewage treatment dosing control system based on MCU

YANG Qing-sheng1,ZHAN Xi-sheng1，WANG Zhi-chao2

(1.College of Mechanical and Control Engineering,Hubei Normal University,Huangshi435002,China;2. CNOOC Energy Technology & Services Limited Beijing Branch, Beijing1000272,China)

In this paper, the process flow of oil field wastewater treatment is introduced; the fluid flow control method based on the three stage hysteresis loop in the industrial control is described;it propose the sewage dosing control system based on PPM ratio control method; and design oilfield sewage treatment dosing control system based on MCU.

physical-chemical method; hysteresis loop; PPM ratio control

2016—03—14

G431

A

1009-2714(2016)02- 0104- 04

10.3969/j.issn.1009-2714.2016.02.023

作者介紹：楊青勝(1984-)，男，蘄春人，碩士，講師，主要研究方向：自動(dòng)檢測(cè)與控制、單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)等。