АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД В НЕФТЕГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

AUTOMATION OF WASTEWATER TREATMENT TECHNOLOGY IN THE OIL AND GAS INDUSTRY

Artur Grebe

Student, Department of Automation and Computer Engineering, Tyumen Industrial University,

Russia, Tyumen

Olga Bayuk

Scientific supervisor, candidate of Sciences in Technical, associate professor, Tyumen Industrial University,

Russia, Tyumen

АННОТАЦИЯ

В статье представлен обзор и технические решения в области технологии очистки сточных вод

ABSTRACT

The article presents an overview and technical solutions in the field of wastewater treatment technology.

Ключевые слова: нефтегазовая промышленность, автоматизация, очистка сточных вод, система автоматического регулирования.

Keywords: oil and gas industry, automation, wastewater treatment, automatic control system.

Нефтегазовая промышленность постоянно развивается, поскольку она имеет большое значение для поддержания промышленной цивилизации в ее нынешней конфигурации и играет жизненно важную роль во многих других отраслях. Некоторые предприятия нефтегазовой промышленности несут ответственность за загрязнение воды в результате побочных продуктов переработки и нефтяных пятен. Одним из крупнейших побочных продуктов, вызывающих серьезную озабоченность в отношении окружающей среды, являются нефтепромысловые пластовые воды. Нефтепромысловая пластовая вода (НППВ) - это совместно производимая водная жидкая фаза, которая образуется из скважины вместе с нефтяными фазами в обычном процессе добычи. Содержимое ППВ состоит из различных типов органических и неорганических веществ. Сброс таких сточных вод может привести к загрязнению поверхности, особенно водных источников, а также почвы. Поэтому для соблюдения экологических норм, а также для повторного использования и переработки пластовых вод многие исследователи сосредоточились на очистке нефтесодержащих соленых пластовых вод. Традиционные технологии, используемые для очистки пластовых вод, включают осветлители, флотацию растворенного воздуха, гидроциклоны и одноразовые фильтры/абсорберы. Как правило, для коагуляции или отстаивания требуются дополнительные химикаты, которые стоят дорого и не способны обеспечить требуемые в последнее время стандарты чистоты. Поэтому исследователи переключились на мембранную фильтрацию из-за ее способности минимизировать дополнительные расходы и превзойти проблемы, связанные с современными достижениями. Таким образом, целью данного обзора является освещение текущих и разработанных вопросов автоматизации систем, используемых для очистки сточных вод нефтяных месторождений, и их текущего прогресса.

Станции очистки сточных вод исторически были одними из последних участков промышленного предприятия, которые рассматриваются для автоматизации. Эта ситуация сложилась потому, что процессы на очистных сооружениях были технически несложными, и ручное управление было адекватным и не было стимула автоматизировать очистные сооружения, поскольку это не оказывало существенного влияния на эксплуатационные расходы.

Однако, исходя из требований нормативных документов и законодательства в области охраны окружающей среды, действующих в настоящее время, сточные воды, поступающие в природную среду не должны превышать предельно допустимую величину антропогенной нагрузки, длительное воздействие которой, не приведет к изменению экосистемы водных объектов [1].

Основной задачей при определении уровня автоматизации было обеспечение системы управления, способной надежно эксплуатации установки с минимальными трудозатратами. Персонал нефтеперерабатывающего завода и инженерной фирмы, обеспечивающей проектирование системы управления персонал нефтеперерабатывающего завода и инженерной фирмы, обеспечивающей проектирование системы управления, работали вместе, чтобы определить наилучший способ достижения этой цели. Выбранная система управления включает в себя распределенную компьютерную систему управления, центральный диспетчерский пункт для мониторинга и дистанционного управления, и локальные панели управления для запуска процесса и технического обслуживания.

Цель проектирования автоматизированных систем заключается в том, чтобы обеспечить систему управления, которая бы обеспечивала максимальную автоматическую работу станции. Трудоемкие процессы автоматизируются с помощью компьютерной системы управления. Эти процессы состоят включают в себя системы первичной фильтрации и связанные с ней последовательности обратной промывки, система активного ила (илоудаления), флотационные установки для сгущения растворенного воздуха, третичные системы фильтрации, а также пластинчатый и рамный фильтр-пресс, химические и последовательности подачи. Успешное внедрение автоматизированного управления в этих областях значительно сокращает количество операторов, необходимых для контроля и надзора за процессами. Кроме того, система управления должна соответствовать нормативным требованиям при любых условиях эксплуатации.

Последовательности разработаны таким образом, чтобы они инициировались оператором или автоматически в зависимости от условий эксплуатации. После запуска они работают без присмотра, пока не возникнут ненормальные условия эксплуатации. Когда это происходит, сигнал тревоги, генерируемый компьютерной системой управления, не оповещает операторов.

Для определения стандартов сигнализации при проектировании систем автоматизации сточных вод нефтехимических предприятий можно рекомендовать к использованию следующие тезисы [3, 4, 7]:

- каждый аналоговый сигнал контролируется и подается сигнал тревоги при потере сигнала или выхода сигнала за пределы диапазона;

- каждый насос, клапан или другое оборудование, управляемое через компьютерную систему управления, контролируется на предмет отказа;

- каждый компонент системы управления контролируется на предмет отказа.

Такой подход к формированию сигналов тревоги приводит к увеличению числа количество аварийных сигналов по сравнению с процессом, управляемым вручную. Эти сигналы тревоги необходимы для обеспечения безопасной и надежной работы установки. Во многих ситуациях контроль и мониторинг со стороны системы управления гарантируют, что ненормальные условия доводятся до сведения обслуживающего персонала.

При внедрении систем с компьютерным управлением часто возникают проблемы, когда философия проектирования пересматривается по ходу проекта. Это справедливо для компьютерных систем управления, поскольку компьютер обеспечивает гибкость.

Как правило в архитектуре системы управления используются программируемые логические контроллеры (ПЛК) в качестве локальных блоков управления и микрокомпьютер в качестве контролирующего устройства. ПЛК выполняют непрерывное и последовательное управление процессами. Контролирующий компьютер обеспечивает следующие функции:

- диспетчерский контроль над ПЛК;

- интерактивные цветные графические дисплеи процессов;

- процедуры обработки аварийных сигналов;

- отслеживание тенденций данных в реальном времени;

- сменные, ежедневные и лабораторные отчеты;

- сбор и извлечение исторических данных.

Рассмотрим более подробно основные технологические процессы, протекающие в современных системах очистки сточных вод и подлежащих автоматизации.

Флотация - это процесс отделения мелких частиц различных материалов путем обработки химическими веществами в воде, в результате чего одни частицы прилипают к пузырькам воздуха и поднимаются на поверхность для удаления, а другие остаются в воде.  Традиционная система флотации растворенным газом показана на рисунке 2. Флотация имеет более короткое время удержания и более высокую скорость загрузки. Этот метод имеет лучшую эффективность разделения при удалении более мелких и легких частиц [1].

Однако для сточных вод, содержащих эмульгированное масло, трудно отделить мелкие пузырьки. Существует несколько факторов, которые чувствительны к процессу и могут повлиять на эффективность процесса, к которым относятся pH, давление и скорость подачи. Чтобы улучшить эффективность процесса флотации, необходимо правильно определить параметры процесса и условия или характеристики флотируемых частиц [3].  Это делает метод более утомительным, трудоемким, а многократное использование приборов и механизмов значительно увеличивает стоимость.

Коагуляция - это метод, в котором используются коагулянты, дестабилизирующие коллоиды путем нейтрализации сил, удерживающих их друг от друга, как показано на рисунке 3.  Этот метод обычно сочетается с флокуляцией, которая направлена на агломерацию мелких частиц и коллоидов в более крупные частицы для снижения мутности. Процесс состоит из двух этапов, которые включают быстрое перемешивание дисперсного коагулянта в воде и последующую флокуляцию для агломерации мелких частиц в хорошо очерченные флокулы с помощью мягкого перемешивания.  Этот метод имеет простую конструкцию, низкое энергопотребление, простоту эксплуатации и достаточно универсален, поскольку может использоваться на различных стадиях очистки сточных вод [4]. Этот метод предполагает использование коагулянтов, и наиболее широко используемые коагулянты в очистке сточных вод включают сульфат алюминия и хлорид полиалюминия.  В таблице 2 приведены наиболее широко используемые коагулянты для очистки нефтесодержащих сточных вод.  Механизм коагуляции во многом определяется выбором коагулянта, его дозировкой, характеристиками сточных вод и технологией очистки.

Дозировка играет большую роль в эффективности этого метода, так как передозировка коагулянта может привести к рестабилизации частиц. Использование химических коагулянтов может вызвать еще одну проблему - токсичность квасцов и коагулянтов на полимерной основе, которые представляют опасность для здоровья. Передозировка квасцов при очистке сточных вод может привести к высокой остаточной концентрации алюминия [6]. Чжан Цзинь и др. [7] использовали коагулянт для очистки нефтесодержащих сточных вод и обнаружили, что коагулянт влияет на фильтрационный поток в их комбинированных экспериментальных методах.  Они обнаружили, что при использовании коагулянта фильтрационный поток улучшился, что в основном связано с коалесценцией между каплями, взятыми вместе, и последующим увеличением размера эмульсии.  Однако избыточная дозировка коагулянта также является причиной снижения потока.  Биологическая очистка Биологическая очистка использует микробный метаболизм для того, чтобы в воде растворялись коллоидные органические загрязнители в безвредные вещества. Для преодоления загрязнения нефтесодержащих стоков используется анаэробное и факультативное сбраживание.  Процесс активного ила был основой очистки сточных вод, однако это очень энергозатратный процесс. Биологическое преобразование органических отходов, к которым относятся нефтесодержащие сточные воды, включает четыре фундаментальных явления: гидролиз, ферментацию, ацефогенез и метаногенез [8].

В целях обеспечения круглосуточного контроля за концентрацией загрязняющих веществ в стоках, предлагается установить систему автоматического регулирования всей системы [2].

Структура управления - это совокупность частей автоматической системы, на которые она может быть разделена по определенному признаку, а также пути передачи воздействий между ними.

Структурная схема данного объекта состоит из 3 уровней: нижний, средний, верхний.

Таким образом, некоторые передовые технологии рекультивации воды, обычно применяемые нефтегазовыми компаниями, способны работать с концентрацией вредных веществ, приближающейся к уровню насыщения до 250 000 частей на миллион (ppm). Добываемая вода в конечном итоге имеет концентрацию ВВ, сравнимую с пресной водой, а в некоторых случаях даже лучшего качества.

В зависимости от потребностей и выходных требований, в цепочку очистки могут быть добавлены модули с усовершенствованными процессами для достижения таких целей, как решения с нулевым сбросом жидкости, которые не имеют никакого сброса жидкости. Выходной поток может представлять собой только сухие кристаллы соли или соляную суспензию, в зависимости от составляющих исходной воды. Дополнительные побочные продукты могут быть получены с помощью дополнительных процессов регенерации нефти, углеводородов, соли и других веществ. Очищенная продуктовая вода может быть выпущена в виде чистого пара; извлеченные углеводороды могут быть проданы на вторичных рынках; а извлеченные материалы и соль высушены и могут быть проданы как товар. Все это создает ранее нереализованный доход и возможность достаточно быстро окупить затраты на внедрение систем автоматизации.

Некоторые из известных традиционных процессов - термическое, механическое, дистилляционное, физическое и химическое разделение - могут быть объединены и применены в общей конструкции единой системы переработки. Эти методы применяются для целевых стоков, создавая серию продуктов из самих стоков и остаточных отходов. Для получения жизнеспособных побочных продуктов добавляются процессы регенерации ресурсов, некоторые из которых могут даже перерабатывать последние 20 процентов углеводородов, соли и масла.

Список литературы:

1. Мамлеева А.Р. АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД В НЕФТЕГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ // Вестник магистратуры. 2019. №6-2 (93). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/avtomatizatsiya-tehnologii-ochistki-stochnyh-vod-v-neftegazovoy-promyshlennosti (дата обращения: 28.12.2022).
2. Бебихов Ю.В., Семёнова М.Н., Голиков В.В., Павлова С.Н. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ИННОВАЦИОННОЙ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД // Инновации и инвестиции. 2021. №7. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/proektirovanie-i-razrabotka-innovatsionnoy-avtomaticheskoy-sistemy-biologicheskoy-ochistki-stochnyh-vod (дата обращения: 28.12.2022).
3. Байнова Ю.В., Чеботаева Е.М. ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТНЫХ СТОЧНЫХ ВОД, ПРИ МОДЕРНИЗАЦИИ ИНЖЕНЕРНЫХ СЕТЕЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ОБЪЕКТА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ // Инновации и инвестиции. 2021. №4. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/tehnicheskie-resheniya-i-avtomatizatsiya-ochistki-poverhnostnyh-stochnyh-vod-pri-modernizatsii-inzhenernyh-setey-proizvodstvennogo (дата обращения: 28.12.2022).
4. Ahmadun, F., Alireza P., Luqman C. A., Awang Biak, D. R., Madaenic S. S. and Zainal Abidin, Z. (2009). Review of technologies for oil and gas produced water treatment. Journal of Hazardous Materials, 170 (1-2): 530 – 551.
5. Ferro, B. D. and Smith, M. (2016). Global onshore and offshore water production. http://www.touchoilandgas.com/global-onshore-offshore-water-a7137-. Accessed online 20 May 2016.
6. Hayat, S., Iqbal A., Azam, Z. M., Ahmad, A., Inam, A. and Samiullah. (2002). Effect of long -term application of oil refinery wastewater on soil health with special reference to microbiological characteristics.  Bioresource Technology, 84(2): 159 – 163.
7. Jaramillo-Gutiérrez, M. I., Rivero, E. P., Cruz-Díaz, M. R., Nino-Gómez, M.  E. and Pedraza-Avellaa, J. A. (2016). Photoelectrocatalytic hydrogen production from oilfield-produced wastewater in a filter-press reactor using TiO2-based photoanodes. Catalysis Today, 266: 17 – 26
8. Ebrahimi, M., Ashaghi, S., Engel, L., Willershausen, D., Mund, P., Bolduan, P. and Czermak, P. (2009). Characterization and application of different ceramic membranes for the oil-field produced water treatment. Desalination, 245(1-3): 533 – 540.
9. Witze, A. (2015)., Race to unravel Oklahoma’s artificial quakes. Nature, 520(7548): 418 – 419.
10. Arnold, K. E. and Stewart, M. (2008). Surface production operations-design of oil handling systems and facilities. Gulf Publishing Co, Houston, Texas.
11. Ran, J., Liu, J., Zhang, C., Wang, D. and Li, X. (2013). Experimental investigation and modeling of flotation column for treatment of oily wastewater. International Journal of Mining Science and Technology, 23(5): 665 – 668.
12. Sadhukhan, J., Lloyd, J. R., Scott, K., Premier, G. C., Yu, E. H., Curtis, T. and Head, I. M. (2016). A critical review of integration analysis of microbial electrosynthesis (Mes) systems with waste biorefineries for the production of biofuel and chemical from reuse of CO₂. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 56: 116 – 132.