Автоматизированная система очистки сточных вод в канализациях нефтяной промышленности

УДК 65.011.56:628.3

Р. Ф. Кулахметов, С. В. Головко, Г. Р. Санжапова

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД В КАНАЛИЗАЦИЯХ НЕФТЯНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Цель исследования - поиск способа улучшения очистки сточных вод предприятий нефтяной промышленности. Предложен усовершенствованный автоматизированный комплекс очистки сточных вод в канализационной насосной станции, в которой отстаивается вода с нефтешламом. Для качественной очистки сточной воды после отстаивания предлагается использовать два насоса. Сначала насосом для забора нефти с поверхности воды убирается слой нефти, затем, с помощью погружного насоса, удаляется вода. Разделение фаз в ходе отстаивания - легкой фазы (нефти) и тяжелой фазы (воды) - происходит благодаря разной плотности сред. С магнитострикционного уровнемера-плотномера постоянно поступают сигналы на контроллер со значениями температуры, уровня жидкости в резервуаре, осуществляется расчет плотности и времени отстаивания. Данные поступают также в диспетчерский пункт, что повышает надежность и управление с диспетчерского пункта. Комплекс может быть включен в один из этапов технологического цикла очистки сточных вод на предприятиях нефтяной промышленности. Использование комплекса будет способствовать минимизации экологического ущерба, наносимого окружающей среде, и экономических потерь.

Ключевые слова: канализационная насосная станция, очистка сточных вод, нефтепродукты, контроллер, автоматизация, магнитострикционный уровнемер-плотномер.

Введение

В современном мире, характеризующемся быстрым развитием нефтяной промышленности, к числу актуальных проблем относятся защита водной сферы от загрязнения вредными веществами и рациональное использование ресурсов.

Проблема взаимодействия человека и окружающей среды постоянно обостряется. Прогресс в промышленности, в некоторых случаях, нанес природе огромный ущерб. Значительное негативное влияние оказывает сброс промышленных сточных вод, приводящий к загрязнению окружающей среды.

Вышеуказанная проблема является многоаспектной.

Экологический аспект проблемы заключается в том, что загрязнение верхнего слоя земли водой с нефтешламом приводит к изменению микрохимического состава почв, нарушению круговорота веществ в природе, разрушению естественных природных систем, ухудшению генетических характеристик животного и растительного мира.

Социальный аспект состоит в том, что загрязнение водной экосистемы влечет за собой ухудшение качества воды.

Затраты на ликвидацию загрязнений, плата за сброс промышленных вод являются экономическим аспектом проблемы.

Политический аспект подразумевает реализацию различных программ по охране водных ресурсов, принятие и определение условий сброса промышленных вод [1].

Источниками негативного воздействия на окружающую среду являются сточные воды промышленных предприятий, нефтепроводы, нефтебазы, перекачивающие станции, наливные пункты и пр.

Большое количество российских предприятий в разных сферах промышленности до сих пор работает по технологиям середины XX в. На заводах и предприятиях в большинстве случаев используется старое оборудование и применяются давно устаревшие технологии очистки сточных вод от нефтепродуктов, которые не позволяют сделать производство более экологичным, как того требуют нормы и законы.

Состав сточных вод заметно ухудшается, т. к. очистные сооружения не справляются с их объемом. И на это есть ряд причин:

- за последние годы значительно расширился перечень нефтепродуктов, попадающих в сточные воды на производстве;

- очистные сооружения морально устарели, т. к. они рассчитывались для очистки менее загрязненных сточных вод;

- за годы эксплуатации системы очистки промышленных стоков не совершенствовались и выработали свой ресурс.

В связи с вышеперечисленным для большинства промышленных предприятий актуальна проблема внедрения инновационных технических способов и методов очистки сточных вод, обеспечивающих очищение поверхностных стоков, охрану окружающей среды, а также снижение финансовых расходов предприятия.

Основной задачей в настоящее время остается создание систем оборотного водоснабжения и малоотходных технологических процессов.

На каждом промышленном предприятии функционирует система канализационных сетей, с помощью которых осуществляются сбор и очистка сточных вод. Очистка сточных вод представляет собой комплекс мероприятий по удалению загрязнений, содержащихся в бытовых и промышленных сточных водах. При выборе технологии очистки конкретного стока определяющими факторами являются исходная концентрация нефтепродуктов и требования к качеству очищенной воды по всем нормируемым загрязнениям. В промышленных условиях сточные воды проходят несколько этапов очистки.

Основные методы очистки сточных вод на предприятиях нефтяной промышленности

Чаще всего на предприятиях нефтяной промышленности используются следующие способы очистки сточных вод, :

- механические;

- физико-химические.

При механической очистке сточных вод наиболее широкое применение получили песколовки, нефтеловушки, отстойники, а также решетки, сетки и фильтры.

С помощью песколовок удаляются механические грубодисперсные примеси, а также часть нефтепродуктов. В технологических схемах очистки стоков песколовки располагаются между решетками и первичными отстойниками.

Нефтеловушки служат для удаления основной массы нефтепродуктов. По конструктивному исполнению нефтеловушки могут быть горизонтальными, вертикальными, радиальными с дополнительными устройствами, позволяющими эффективно удалять как плавающие нефтепродукты с поверхности воды, так и осадок. Наиболее широкое распространение на нефтебазах получили горизонтальные ловушки. Степень очистки данным методом составляет 60-70 %. Для повышения эффективности применяют тонкослойное отстаивание.

Фильтры эффективны для очистки сточных вод от мелких частиц. Сточные воды пропускаются через фильтр с фильтрующей массой из различных тканей, зернистых и химических материалов. Фильтрующий материал собирает на своей активной поверхности всю взвесь.

Самый доступный способ очистки сточных вод от нефтепродуктов - применение отстойников. На нефтепродукты в отстойниках начинает воздействовать сила гравитации планеты. Частицы всплывают вверх или оседают на дно. На нефтяных предприятиях используют резервуары для отстаивания, в которых нефтепродукты поднимаются на поверхность. Таким способом удаляется до 95 % нефтепродуктов. Время отстаивания составляет от 6 до 24 часов.

Механические способы являются одной из ступеней очистки воды во всей очистительной системе.

Физико-химические способы включают в себя сорбцию, коагуляцию и флотацию.

Сорбция может протекать на поверхности (адсорбция - процесс избирательного поглощения примесей из жидкости поверхностями твердых материалов) и в объеме (абсорция - процесс извлечения компонента из одной фазы и растворение в другой - в поглотителе).

Коагуляция - процесс укрупнения дисперсных частиц в результате взаимодействия с коагулянтами. В качестве коагулянтов обычно используют соли алюминия, железа и их смеси.

Флотация - процесс всплывания примесей при обволакивании их пузырьками воздуха [2].

Химическая очистка сточных вод активно используется на промышленных предприятиях. Однако применение данного способа наносит значительный ущерб окружающей среде из-за возникновения на поверхности воды пленки, которая приобретает токсические свойства многолетнего действия. Химическая очистка сточных вод может довести содержание нерастворимых опасных примесей до 95 %, растворимых - до 25 %. Кроме того, в ходе химической очистки необходимо соблюдение строгой дозировки дорогостоящих реагентов, что делает этот процесс трудоемким и финансово затратным [3].

В связи с этим для промышленных предприятий актуально внедрение инновационных технических средств и новых методов очистки, способствующих решению задач по очистке поверхностных стоков и охране окружающей среды, а также снижению финансовых расходов предприятия.

Целью нашего исследования являлось усовершенствование комплекса канализационной насосной станции (КНС), включая его автоматизацию, для улучшения очистки сточных вод предприятий нефтяной промышленности.

Описание разработанной системы

Метод отстаивания и механический способ забора воды и нефти, используемые раздельно, имеют существенный недостаток - они не обеспечивают высокой степени разделения жидких сред - воды и нефти. Для улучшения качества очистки предлагается эти методы совместить. Кроме того, система должна измерять уровень воды и нефти, температуру, плотность, обладать «гибкой» внешней связью и, как вариант, - работать автономно.

Эта идея была реализована нами при разработке нового комплекса КНС.

Объединение двух простых методов очистки сточных вод и применение автоматизированных технологий обусловили преимущества данного комплекса. Для повышения эффективности разделения сред (воды и нефти) предлагается использовать магнитострикционный уровнемер-плотномер, автоматизация системы осуществляется с помощью контроллера [3].

Рис. 1. Технологическая схема канализационной насосной станции: 1 - щит управления; 2 - насос для забора нефти (Н1); 3 - нефтепродукт;

4 - уровнемер-плотномер; 5 - греющийся кабель; 6 - погружной насос для забора воды

На многих предприятиях для хранения нефтепродуктов используются резервуары с плавающей понтонной крышей с целью снижения потерь нефтепродуктов от испарения. Плавающая крыша при увеличении объема жидкости в резервуаре поднимается, а при уменьшении опускается. Для создания стока дождевой воды верхней поверхности плавающей крыши придается уклон по направлению к центру резервуара. При уменьшении количества нефтепродукта на стенках резервуара остается нефтешлам, который удаляется вместе с дождевой водой. Удаление дождевой воды с нефтешламом производится через дренажную систему, представляющую собой гибкий шланг, прикрепленный к крыше. По дренажной системе ливневые стоки с нефте-шламом поступают в КНС [4].

Вода с нефтешламом, попав в КНС, отстаивается. Система предусматривает расчет времени отстаивания. С магнитострикционного уровнемера-плотномера постоянно поступают сигналы на контроллер со значениями температуры и уровня жидкости в резервуаре, осуществляется расчет плотности. По данным, полученным с магнитострикционного уровнемера-плотномера, рассчитывается время отстаивания.

Для осуществления очистки сточных вод предлагается использовать два насоса. Разделение воды и нефти происходит благодаря разной плотности легкой фазы (нефть) и тяжелой фазы (вода), т. е. нефть будет на поверхности воды. Насос для забора нефти оснащен поплавком для удаления нефти с поверхности воды. С целью осуществления качественного очищения после отстаивания сначала убирается слой нефти, затем, с помощью погружного насоса, удаляется вода. С уровнемера-плотномера сигналы о плотности и уровне жидкости постоянно поступают на контроллер, который определяет время работы насосов исходя из полученных данных. Маг-нитострикционный уровнемер-плотномер может применяться на объектах в зонах класса 1 и класса 2 (ГОСТ Р 51330.9), а также во взрывоопасных зонах (7.3 ПУЭ), где возможно образование смесей горючих газов и паров с воздухом категории IIB (ГОСТ Р 51330.11) температурной группы T3 включительно (ГОСТ Р 51330.0).

В целях повышения надежности как мониторинга информации, так и работы системы данные поступают также в диспетчерский пункт.

Магнитострикционные датчики очень точны, выдают непрерывный сигнал, а также могут использоваться с гибким волноводом, что расширяет сферу их применения. Волновод находится непосредственно в жидкой среде.

Измерение температуры - многоточечное, с применением интегральных датчиков температуры, равномерно распределенных по длине волновода.

Измерение плотности основано на измерении расстояния между поплавком уровня жидкости и поплавком плотности. Измерение плотности осуществляется с помощью поплавка плотности, уровень погружения которого зависит от плотности жидкости. По расположению поплавков уровня и плотности (расстояния между ними) определяется глубина погружения. Расчет плотности производит контроллер.

Греющийся кабель, саморегулирующийся по всей высоте корпуса, предназначен для поддерживания нормального технологического режима работы. Температура нефтяной эмульсии должна быть в диапазоне +12...+23 °С. При пониженных значениях температуры нефтешлам остается на стенках резервуара, вследствие чего ухудшается процесс очистки сточных вод.

На рис. 2 представлена принципиальная электрическая схема разработанного комплекса.

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема комплекса очистки сточных вод

В состав схемы входят автоматические выключатели QF2, QF3, QF4, которые предназначены для оперативных отключений-включений и для защиты от перегрузок и токов короткого замыкания. В схеме присутствуют также контакторы КМ1 и КМ2, с помощью которых можно управлять работой приводов насосов (М1 - привод насоса для забора нефти, М2 - привод насоса

для забора воды). Для автоматизации КНС был выбран контроллер Zelio Logic с модулем расширения для осуществления мониторинга работы. Критериями выбора стали возможность использования контроллера в промышленности и возможность его расширения с помощью дополнительных модулей. Управление контакторами КМ1 и КМ2 осуществляется контроллером Zelio Logic. При подаче сигнала от контроллера контакторы КМ1 и КМ2 замыкают или размыкают контакты в цепи управления приводов насосов М1 и М2. Контроллер Zelio Logic постоянно опрашивает датчик уровнемер-плотномер, т. к. от полученных данных зависит дальнейшая работа системы. Все полученные данные поступают в диспетчерский пункт. Для осуществления мониторинга информации предлагается использовать модуль расширения Zelio Logic SR2COM01 [5].

В целях обеспечения безопасности на объектах нефтяной промышленности используется низковольтное оборудование. Для преобразования электрической энергии, поступающей из сети, используются блоки питания БП1 и БП2. Блок питания БП1 запитывает уровнемер-плотномер, БП2-контроллер и блок его расширения [6].

Блок-схема системы представлена на рис. 3.

Рис. 3. Блок-схема системы

Блок-схема системы позволяет увидеть связь всех технических блоков. Управление осуществляется с помощью программируемого контроллера. Уровнемер-плотномер объединяет в себе 3 датчика. Обработав полученные данные, контроллер направляет их в диспетчерский пункт управления и мониторинга и подает сигнал для работы насосов. При сбое программного обеспечения контроллера управление системы можно осуществить с диспетчерского пункта.

Заключение

Разработанный комплекс является автоматизированной системой, работающей автономно. Комплекс позволяет повысить степень очистки сточных вод, а также обеспечивает мониторинг информации и работы системы. Комплекс может быть рекомендован для применения и может использоваться на одном из этапов технологического цикла очистки сточных вод на предприятиях нефтяной промышленности. Использование комплекса будет способствовать минимизации экологического ущерба, наносимого окружающей среде, и сокращению экономических потерь.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Очистка сточных вод от взвешенных веществ и органических примесей. М.: НИЦ «Глобус», 2010. Т. 1. 81 с.

2. Шайхулисламова Г. Г. Реконструкция существующей системы очистки сточных вод предприятия теплоэнергетики / Г. Г. Шайхулисламова, Г. Ю. Федоров // Science Time. 2014. Вып. № 4 (4). C. 297-301.

3. Ильясова К. У. Очистка сточных вод от нефтепродуктов / К. У. Ильясова, А. Б. Алпысбаева // Вестн. науки и образования. 2015. № 1 (3). С. 5-6.

4. Надеев А. И. Интеллектуальные уровнемеры: Справочное пособие / А. И. Надеев. Астрахань: Изд-во АГТУ, 1997. 64 с.

5. Бородин И. Ф. Автоматизация технологических процессов и системы автоматического управления / И. Ф. Бородин, С. А. Андреев. М.: КолосС, 2006. 352 с.

6. Воробьев В. А. Эксплуатация и ремонт электрооборудования и средств автоматизации / В. А. Воробьев. М.: КолосС, 2004. 336 с.

Статья поступила в редакцию 30.03.2016, в окончательном варианте - 5.04.2016

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Кулахметов Рустам Фаридович — 414056, Россия, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; ассистент кафедры «Электрооборудование и автоматика судов»; faridovich@inbox.ru.

Головко Сергей Владимирович — 414056, Россия, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук; доцент кафедры «Электрооборудование и автоматика судов»; g_s_v_2007@mail.ru.

Санжапова Гузель Раисовна — 414056, Россия, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; магистрант кафедры «Электрооборудование и автоматика судов»; 234569393@mail.ru.

R. F. Kulakhmetov, S. V. Golovko, G. R. Sanzhapova

AUTOMATED SYSTEM OF WASTEWATER TREATMENT IN THE SEWER OIL INDUSTRY

Abstract. The aim of the study is to search the way to improve the wastewater treatment at the enterprises of oil industry. The paper presents the improved automated complex of wastewater treatment in the sewage pumping station, where water with oil sludge is defecated. It is proposed to use two pumps for qualitative clarification of wastewater after defecation. First, the intake pump takes off oil layer from the water surface, then the submersible pump removes water. The division of the phases during defecation into light phase (oil) and heavy phase (water) takes place due to various density of the medium. The magnetostrictive level gauge densitometer gradually fixes signals to the controller with the values of temperature, liquid level in the reservoir, the calculation of density and defecation time is made. The data get to the controller unit that increases the reliability control. The complex can be included into one of the stages of the technological cycle of wastewater treatment at the enterprises of oil industry. The use of the complex will provide for minimization of ecological damage, caused to the environment, and economic losses.

Key words: sewage pumping station, wastewater treatment, oil products, controller, automation, magnetostrictive level gauge densitometer.

REFERENCES

1. Ochistka stochnykh vod ot vzveshennykh veshchestv i organicheskikh primesei [Wastewater clarification from the saturation substances and organic impurities]. Moscow, NITs «Globus», 2010. Vol. 1. 81 p.

2. Shaikhulislamova G. G., Fedorov G. Iu. Rekonstruktsiia sushchestvuiushchei sistemy ochistki stochnykh vod predpriiatiia teploenergetiki [Reconstruction of the existing system of sewage waters of thermal power enterprises]. Science Time, 2014, iss. 4 (4), pp. 297-301.

3. Il'iasova K. U., Alpysbaeva A. B. Ochistka stochnykh vod ot nefteproduktov [Wastewater clarification from oil products]. Vestnik nauki i obrazovaniia, 2015, no. 1, pp. 5-6.

4. Nadeev A. I. Intellektual'nye urovnemery: Spravochnoe posobie [Smart level gauges: Handbook]. Astrakhan, Izd-vo AGTU, 1997. 64 p.

5. Borodin I. F., Andreev S. A. Avtomatizatsiia tekhnologicheskikh protsessov i sistemy avtomaticheskogo upravleniia [Automation of technological processes and automatic control systems]. Moscow, KolosS Publ., 2006. 352 p.

6. Vorob'ev V. A. Ekspluatatsiia i remont elektrooborudovaniia i sredstv avtomatizatsii [Maintenance and repair of electrical equipment and automation]. Moscow, KolosS Publ., 2004. 336 p.

Kulakhmetov Rustam Faridovich - 414056, Russia, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Assistant of the Department "Electrical Equipment and Automation of Vessels"; faridovich@inbox.ru.

Golovko Sergey Vladimirovich - 414056, Russia, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Assistant Professor of the Department "Electrical Equipment and Automation of Vessels"; g_s_v_2007@mail.ru.

Sanzhapova Guzel Raisovna - 414056, Russia, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Master's Course Student of the Department "Electrical Equipment and Automation of Vessels"; 234569393@mail.ru.

The article submitted to the editors 30.03.2016, in the final version - 5.04.2016

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS