煤制甲醇水處理系統(tǒng)自動控制的研究與應(yīng)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(zhì)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(shè)計了一套高效穩(wěn)定的深度水處理自動控制系統(tǒng)。根據(jù)煤化工污水處理工藝流程和出水水質(zhì)要求，搭建了系統(tǒng)電氣和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，設(shè)計了由工控機、PLC、現(xiàn)場智能儀表、HMI 等組成的硬件系統(tǒng)，通過 PLC實現(xiàn)水處理自動控制，并利用 WINCC開發(fā)了上位機監(jiān)控系統(tǒng)，最終實現(xiàn)了對水處理系統(tǒng)全過程的遠程監(jiān)視、參數(shù)設(shè)置、實時控制、報警、生成報表等功能。運行結(jié)果表明，設(shè)計的水處理控制系統(tǒng)長期穩(wěn)定高效可靠運行，廢水回用率高達97%，節(jié)約排污費超100萬元/年，實現(xiàn)了節(jié)能減排和降本增效。

關(guān)鍵詞：水處理;反滲透;PLC;監(jiān)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(guān)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(yè)廢水重在減排和資源化，需要企業(yè)踐行低碳控制的水循環(huán)理念。近年來，煤化工行業(yè)快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的反滲透濃水、工業(yè)污水、循環(huán)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?，F(xiàn)有水處理系統(tǒng)可采用人工控制現(xiàn)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(xiàn)精準實時控制和能耗節(jié)約，且存在安全隱患。在行業(yè)監(jiān)管加強、人工成本大幅上升等因素影響下，本文旨在設(shè)計一套高效穩(wěn)定的深度水處理自動控制系統(tǒng)，利用 PLC模塊達到智能化控制和節(jié)約能耗目標，通過水處理遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)污水處理的智能監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲、預判預報警等功能。通過智能化水處理監(jiān)控系統(tǒng)，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(chǎn)過程智能制造新模式應(yīng)用。

1 煤制甲醇水處理工藝流程

本甲醇生產(chǎn)項目位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市烏審旗無定河鎮(zhèn)毛烏素沙漠腹地，當?shù)厮Y源匱乏，整個產(chǎn)品周期耗水巨大，易產(chǎn)生大量的廢水，水泵消耗的能源消耗占水處理設(shè)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(shè)計，設(shè)計時充分利用上游生產(chǎn)裝置，綜合分析污染物來源特性及產(chǎn)生過程，治理污水同時同步優(yōu)化資源配置，降低污水處理成本，降低廢水排放量，提升企業(yè)競爭力。

通過優(yōu)化原料投入環(huán)節(jié)、改造升級曝氣系統(tǒng)、優(yōu)化污水處理工藝，建立一套水處理監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)由 PLC 根據(jù)現(xiàn)場設(shè)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(huán)水補水和其他生產(chǎn)工序用水，其中脫鹽水站和循環(huán)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(chǎn)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(shè)施設(shè)備（如反滲透裝置）和工藝技術(shù)，將水中所含的鹽分即雜質(zhì)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(zhì)），使水資源得到充分利用。脫鹽水站擁有3套水處理系統(tǒng)，分別為生產(chǎn)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(tǒng)采用多介質(zhì)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(jīng)脫鹽水泵送至全廠各用戶[2]。

冷凝液制備脫鹽水系統(tǒng)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(fā)結(jié)晶技術(shù)，直接轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)用水和工業(yè)用鹽。

2 系統(tǒng)工藝指標

甲醇項目水處理的目的是實現(xiàn)水資源回收利用，主要通過回收工藝廢水進行循環(huán)利用，同步建設(shè)兩個廢水裝置，生產(chǎn)廢水及生活污水通過氣化廢水處理系統(tǒng)和循環(huán)排污水處理及蒸發(fā)系統(tǒng)處理后提高利用率?；赜盟窘邮盏膹U水包括循環(huán)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(shù)據(jù)如下：循環(huán)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(zhì)如表1所示。

系統(tǒng)工藝指標具體如下。

（1） 系統(tǒng)產(chǎn)水量

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

（2） 出水水質(zhì)指標

原水制備和冷凝液制備脫鹽水系統(tǒng)脫鹽水水質(zhì)達到二級水質(zhì)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(zhì)過濾器出水 SDI≤5～6;超濾裝置出水污染指數(shù)小于或等于0.3; RO 裝置進水污染指數(shù)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(tǒng)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(shù)和位置如表3所示。

現(xiàn)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?，F(xiàn)場僅脫鹽水站有成套電控柜2套，現(xiàn)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(fā)一套水處理自動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)主要控制對象：超濾裝置、多介質(zhì)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?，F(xiàn)場電氣設(shè)備執(zhí)行層包含50多個泵、百余個閥門、開關(guān)、變頻器、傳感器、智能儀表等。

輸入模塊負責采集數(shù)字量（開關(guān)、按鈕等）和模擬量（流量、電導率、壓力等）數(shù)據(jù)，PLC根據(jù)控制要求按照預先編好的程序，通過數(shù)字量輸出模塊輸出開關(guān)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(diào)節(jié)增壓泵進而控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)進水壓力[6]，最終完成各生產(chǎn)工序，并將信息通過以太網(wǎng)傳送至上位機。

PLC是整個水處理自動控制系統(tǒng)的大腦，負責數(shù)據(jù)采集與現(xiàn)場設(shè)備控制;人機交互界面用 WINCC組態(tài)，操作人員通過計算機實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視、遠程操作、參數(shù)設(shè)置以及報警查看等功能，共同實現(xiàn)工藝指標和消耗指標的控制和調(diào)整。系統(tǒng)主監(jiān)控畫面如圖3所示。

整個生產(chǎn)過程設(shè)備眾多且需按嚴格的時間順序頻繁啟停，故整套系統(tǒng)采用 PLC和監(jiān)控軟件實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化控制，滿足系統(tǒng)回收率、產(chǎn)水 pH值等設(shè)計要求。就地控制系統(tǒng)應(yīng)能對整個工藝系統(tǒng)進行 PLC集中監(jiān)視、管理和自動控制，并可實現(xiàn)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(xiàn)場操作箱轉(zhuǎn)換開關(guān)處于“手動”位置，就可以在現(xiàn)場對設(shè)備進行控制。對于風機、泵等轉(zhuǎn)動機械，操作員能在就地控制柜上操控按鈕進行設(shè)備直接操作，當切換開關(guān)處于就地模式時， PLC退出控制，繼續(xù)設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集和故障報警工作。

（2） 自動控制。計算機啟動后監(jiān)控系統(tǒng)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(tài)、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(tǒng)、報警報表查看以及參數(shù)設(shè)置等畫面，在每個分系統(tǒng)中可以對每個控制對象進行遠程操作。

4 水處理自控系統(tǒng)整體框架

根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)和技術(shù)要求，本系統(tǒng)自動控制部分采用 Simens S7-300 PLC為主站，研華工控機為上位監(jiān)控計算機，監(jiān)控軟件采用 Simens WinCC V6.0組態(tài)，PLC 通過 Profibus-DP 總線與各個子站進行數(shù)據(jù)交換。整個控制系統(tǒng)包括主控室、遠程站、現(xiàn)場部分?，F(xiàn)場部分包括企現(xiàn)場儀表及設(shè)備和就地控制機柜組成。通過計算機，操作員可對整個系統(tǒng)進行狀態(tài)監(jiān)視、遠程操作、參數(shù)設(shè)置及報警查看等。

（1） 上位監(jiān)控站

上位操作站的任務(wù)是人機交互，不僅可設(shè)置、監(jiān)視、保存系統(tǒng)中各類參數(shù)，還可顯示工藝流程、查看設(shè)備生產(chǎn)運行情況以及打印報表等。圖 4所示為 PLC 控制系統(tǒng)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(xiàn)場工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)采集與控制。如表4所示。

（3） 現(xiàn)場配電柜

通過現(xiàn)場配電柜不僅可以手動控制脫鹽水站現(xiàn)場泵與閥門，還可以與遠程 IO 站連接，將現(xiàn)場各設(shè)備狀態(tài)信號傳送給 PLC ?，F(xiàn)場手動控制的優(yōu)先級高于監(jiān)控室自動控制，只有將狀態(tài)開關(guān)打到遠程控制，才能啟動自動控制程序。

生產(chǎn)現(xiàn)場安裝的壓力傳感器、液位計、流量計等儀表數(shù)據(jù)，閥門的開關(guān)狀態(tài)，電動機的運行狀態(tài)以及頻率值等都需要輸入系統(tǒng)進行分析處理，按照預定程序自動操作設(shè)備。

圖6所示為加藥系統(tǒng)中的 pH調(diào)節(jié)系統(tǒng)，pH調(diào)節(jié)加藥泵與原水泵連鎖使用，一用一備，自動狀態(tài)下原水泵啟動后 pH加藥泵會自動啟動，系統(tǒng)會根據(jù)啟動原水泵運行的數(shù)量自動增減頻率，調(diào)節(jié)加藥量。

5 水處理自控系統(tǒng)軟件設(shè)計

如圖7所示，系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)脫鹽水站的實際水質(zhì)，在調(diào)試過程中確定投加藥劑的量，編寫控制程序，再通過監(jiān)控畫面進行控制。利用先進的傳感技術(shù)，對污水水量、水質(zhì)等參數(shù)和加藥系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)等進行數(shù)據(jù)分析，建立算法模型，實現(xiàn)加藥系統(tǒng)精細化控制，降低藥品消耗和設(shè)備運行能耗。

在監(jiān)控界面上設(shè)定 pH值上下限，現(xiàn)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(shè)定值比較后的得出誤差值進行 PID 優(yōu)化，控制變頻器的工作頻率，調(diào)整計量泵電機轉(zhuǎn)速，自動控制水池酸堿量，保證系統(tǒng) pH值的精準控制。

曝氣系統(tǒng)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(shè)備和品牌，調(diào)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(xiàn)鼓風機節(jié)能降耗，如圖8所示。

采用變頻技術(shù)對排水泵升級改造，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，打造智能管理平臺，實現(xiàn)脫鹽水、中水回用、蒸發(fā)結(jié)晶等遠程控制、集中管理和數(shù)字化運營，達到節(jié)能降耗目的。本系統(tǒng)中部分參數(shù)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(cè)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(chǎn)水壓力;Pn 為濃水壓力。

（3） RO 裝置的回收率

回收率 Y表示產(chǎn)水流量與進水流量的比率，通常以百分率表示。

式中： Vp 為產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)水電導率值，μs /cm; Cf 為進水電導率值，μs /cm。

6 系統(tǒng)調(diào)試與運行

反滲透裝置作為系統(tǒng)中重要的脫鹽裝置，現(xiàn)以它為例講解水處理系統(tǒng)的現(xiàn)場調(diào)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(zhí)行，只需要借助中間量，完成常開、常閉的程序編寫即可實現(xiàn)預期控制要求。

（1） 預處理的自動啟動。當反滲透系統(tǒng)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(zhì)過濾器、超濾以及對應(yīng)的機泵等）1個啟動信號，把超濾產(chǎn)水送入 RO 系統(tǒng)。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(tǒng)后，首先打開濃水排閥和產(chǎn)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(chǎn)運行。1#保安過濾器出口的低壓開關(guān)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(guān)閉，進入自動運行狀態(tài)。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(guān)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(guān)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(xiàn)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(shè)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(xiàn)水錘現(xiàn)象，高壓泵由變頻控制，高壓泵的控制需要修改變頻器相應(yīng)參數(shù)。如圖 11 所示。

根據(jù)甲醇水處理的工藝過程，進行現(xiàn)場自動和手動調(diào)試，自調(diào)試后即可產(chǎn)出合格脫鹽水，實際投入運行后，設(shè)備產(chǎn)水量、產(chǎn)水水質(zhì)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(chǎn)水量384萬t，節(jié)能及降耗效果顯著[10]。

7 結(jié)束語

本文設(shè)計開發(fā)的脫鹽水控制系統(tǒng)不僅保證了生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量，還提高了設(shè)備利用率和企業(yè)自動化生產(chǎn)管理水平，可使廢水回用率高達97%，產(chǎn)出的氯化鈉滿足精制工業(yè)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(shù)，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(xiàn)了煤炭的高效和清潔轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)了經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)保效益的有機結(jié)合。

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

（編輯：刁少華）