船用油污水分離裝置的設計
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船用油污水分離裝置的設計
目 錄
第一章 緒論 II
1.1 船舶含油廢水的來源及水質特征 II
1.2 船舶含油廢水的處理技術介紹 III
第2章 總體方案設計 V
2.1 基本結構 V
2.2 工作原理 VI
2.3 主要參數校核 VIII
2.4 反向沖洗裝置 IX
3.1簡介 XI
3.2 對象的組成及特性 XIII
3.3 附設除水器的控制方案 XV
3.4 直接控制分界面的控制方案 XVIII
3.5液位界面變送器的零點遷移 XIX
3.6 減少變送器的量程 XX
3.7 油水分離界面控制系統 XX
3.8 被控參數的選擇 XXII
3.9 控制參數的選擇 XXII
3.10 過程動態(tài)特性 XXIII
3.11 最佳控制方案的確定 XXIV
3.12 誤差分析 XXV
第四章 節(jié)閥的選擇 XXVII
4.1 調節(jié)閥的流量特性 XXVII
4.2 調節(jié)閥流量特性的選擇 XXIX
4.3 調節(jié)閥的結構選擇 XXIX
4.4 調節(jié)閥氣開氣關形式的選擇 XXX
4.5 儀器、儀表的接地 XXX
4.6接地的作用 XXXI
4.7油水分離界面控制系統部分儀器的接地方法 XXXI
4.8 油水分離技術主要應用領域 XXXII
5 結束語 XXXIII
致謝 XXXIV
參考文獻 XXXV
摘要：本文針對含油廢水中浮油，分散油和乳化油的處理，將重力法與聚結技術相結合，設計制作了波紋板聚結油水分離器，并對其內部構件比如入口構件、聚結構件、集油構件及出口構件進行了創(chuàng)造性的優(yōu)化設計，改善了水力條件，強化了重力油水分離過程。其中聚結構件的優(yōu)化設計和聚結材料的表面特性是提高油水分離效果的關鍵，直接影響到設備的除油效率。
在聚結構件結構的設計上采用橫向流進水，利用波紋板提供的曲折通道和非常大的聚結表面產生近似于正弦波的水流，使分散油珠產生最大程度的聚結。以斯托克斯公式和淺層沉淀理論為依據，進行板長板寬及板間距的選擇，并以雷諾數驗證水流的層流狀態(tài)；在聚結材料的選擇上，通過測量油在備選材料上的接觸角，并考察其有效、經濟、耐久性，最終確定經改性劑A進行表面改性后的鍍鋅板作為該油水分離器的聚結板材。所設計的裝置可去除20um以上的油珠，出水含油量小于10mg/L，基本達到設計要求。
關鍵詞：油水分離，重力，聚結，粗?；y板
第一章 緒論
船舶行駛時會排放大量的油而污染水域，含油污水對環(huán)境的污染主要表現在對生態(tài)系統和自然環(huán)境的嚴重影響。流到自然水體中的可浮油，形成油膜后會阻礙大氣復氧，斷絕水體氧的來源；而水中的如花油和溶解油，由于需氧微生物的作用，在分解過程中消耗水中溶解氧，是水體形成缺氧狀態(tài)，以致魚類和水生物難以生存。所以必須對船舶含油廢水加以處理，達到標準后才能排放。
1.1 船舶含油廢水的來源及水質特征
船舶含油廢水包括油船的壓載水、洗艙水和艙底水。
廢水中不同形態(tài)的油有著不同的理化性質，在很大程度上決定了相應處理的選擇。通常油類在水中主要以五種狀態(tài)分布[1]。
（1）浮油: 這種油在水中分散顆粒較大，油粒徑一般大于100 um，靜置后能較快上浮，以連續(xù)相的油膜漂浮在水面。
（2）分散油: 油在水中的分散粒徑為10～100 um，以微小油珠懸浮于水中，不穩(wěn)定，靜止一定時間后往往形成浮油。
（3）乳化油: 油珠粒徑小于10 um，一般為0.1～2 um。往往因水中含有表面活性劑使油珠形成穩(wěn)定的乳化液。乳化油的穩(wěn)定性取決于廢水的性質及油滴在水中分散度，分散度愈大愈穩(wěn)定。
（4）溶解油: 油以分子狀態(tài)或化學方式分散于水體中，形成穩(wěn)定的均相體系，粒徑一般小于幾微米。
（5）固體附著油: 吸附于廢水中固體顆粒表面的油。
混入廢水中的油類多數以幾種狀態(tài)并存，極少以單一的狀態(tài)存在。一般需采用多級處理方法，經分別處理后才能達到排放標準。
1.2 船舶含油廢水的處理技術介紹
含油廢水處理的難易程度隨其來源及油污的狀態(tài)和組成方法按原理可分為物理法(沉降、機械、離心、粗?；?、過濾、膜分離等); 物理化學法(浮選、吸附、離子交換、電解等); 化學法(凝聚、酸化、鹽析等); 生物化學法(活性污泥、生 物濾池、氧化塘等)[2]。下面介紹幾種國內外常見的處理方法[3-6]。
（1）重力分離法: 利用油水兩相的密度差及油和水的不互溶性進行分離。沉降分離在隔油池中進行，常見的有平流式(API)、平行板式(PPI)、波紋板式(CPI)等型式。平流式隔油池的設計主要基于斯托克斯公式，由公式可求得一定表面積的隔油池所能除去的最小油珠粒徑。隔油池水流狀態(tài)對除油能力和效果也有很大影響，最好的水流狀態(tài)是層流狀態(tài)，它有利于油珠的上升和固相的沉降。根據以上理論，進而設計出了PPI式、CPI式、IPI式(斜板式)等更為高效隔油池。這幾種型式的隔油池與API式相比較，占地面積省，去油能力、排油能力及安全程度等方面明顯提高，因此已被廣泛應用。該類方法設備結構簡單，易操作，除油效果穩(wěn)定，但對溶解性油類或乳化油是不適用的。
（2）聚結法(粗粒化法): 利用油水兩相對聚結材料親和力的不同來進行分離，主要用于分散油的處理。此法的技術關鍵是粗?；牧系倪x擇，許多研究者認為材質表面的親油疏水性是主要的，而且親油性材料與油的接觸角小于70°為好。常用的親油性材料有蠟狀球、聚烯系或聚苯乙烯系球體或發(fā)泡體、聚氨酷發(fā)泡體等。粗粒化法可以把5 ~10 um粒徑以上的油珠完全分離，無需4.8 油水分離技術主要應用領域
（1） 船廠廢柴油過濾、破乳、油水分離，含水量5～8 ppm/kg；
（2） 變壓器油過濾、破乳、油水分離，含水量2～5 ppm/kg；
（3） 發(fā)電廠透平油過濾、油水分離、脫色、破乳、精濾，含水量2～5 ppm/kg；
（4） 海上原油泄漏事故處理，收集、過濾、油水分離；
（5） 油田落地油過濾、清洗、油水分離；
（6） 海上鉆井平臺浮油收集、油水分離、加溫分離，含水量＜100ppm/kg；
（7） 鋼鐵廠平流油沉淀池浮油收集、過濾、油水分離；
（8） 煉油廠大量含油廢水收集、過濾、油水分離。
5 結束語
本文是以重力法直接控制分界面控制方案的論證、檢驗、改進為目的而展開的研究。概括而言，具有以下的特點：
正確性
本文采用重力法對油水分離界面控制系統作了細致的分析，并有附設除水器的控制方案、直接控制分界面的控制方案。經過分析證明直接控制分界面的控制方案效果更好。
優(yōu)越性
直接控制分界面的控制方案操作簡單、成本低、防爆性能好。
通用性
本位所實用的不僅僅是油水分離界面控制，只要是兩種密度不同的液體都可用。
致謝
本文主要闡述了油水分離裝置設計。通過這次設計使我對齒輪加工過程產生了濃厚的興趣，同時，受我主修專業(yè)的影響，我已經習慣于設計帶來的一系列機遇與挑戰(zhàn)。
本篇論文雖然凝聚著自己的汗水，但卻不是個人智慧的產品，沒有導師的指引和贈予，沒有父母和朋友的幫助和支持，我在大學的學術成長肯定會大打折扣。當我打完畢業(yè)論文的最后一個字符，涌上心頭的不是長途跋涉后抵達終點的欣喜，而是源自心底的誠摯謝意。我首先要感謝我的指導老師張文生老師，對我的構思以及論文的內容不厭其煩的進行多次指導和悉心指點，使我在完成論文的同時也深受啟發(fā)和教育。
再次由衷感謝答辯組的各位老師對學生的指導和教誨，我也在努力的積蓄著力量，盡自己的微薄之力回報母校的培育之情，爭取使自己的人生對社會產生些許積極的價值！
參考文獻
1 孫洪程，翁唯勤?過程控制工程設計?北京：化學工業(yè)出版社,2001
2 蕭德云,呂伯明?過程控制系統?北京：清華大學出版社,2004
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7 南國英,張志剛?給水排水工程專業(yè)工藝設計?北京：化學工業(yè)出版社,2004
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船用油污水分離裝置的設計 目 錄 第一章 緒論 ...................................................... 舶含油廢水的來源及水質特征 ................................. 舶含油廢水的處理技術介紹 .................................. 2 章 總體方案設計 ............................................... V 本結構 ...................................................... V 工作原理 .................................................... 要參 數校核 ............................................... 反向沖洗裝置 ................................................ 介 .......................................................... 象的組成及特性 ........................................... 設除水器的控制方 案 ......................................... 接控制分界面的控制方案 .................................. 位界面變送器的零點遷移 ..................................... 少變送器的量程 ............................................. 水分離界面控制系統 ......................................... 控參數的選擇 ............................................. 制參數的選擇 ............................................. 程動態(tài)特性 ............................................. 佳控制方案的確定 ........................................ 差分析 ................................................... 四章 節(jié)閥的選擇 ............................................. 調節(jié)閥的流量特性 .......................................... 調節(jié)閥流量特性的選擇 ...................................... 調節(jié)閥的結構選擇 ........................................... 調節(jié)閥氣開氣關形式的選擇 ................................... 器、儀表的接地 ............................................ 地的作用 .................................................. 水分離界面控制系統部分儀器的接地方法 ..................... 水分離技術主要應用領域 .................................. 結束語 ..................................................... 謝 .......................................................... 考文獻 ....................................................... 摘要 ： 本文針對含油廢水中浮油，分散油和乳化油的處理，將重力法與聚結技術相結合，設計制作了波紋板聚結油水分離器，并對其內部構件比如入口構件、聚結構件、集油構件及出口構件進行了創(chuàng)造性的優(yōu)化設計，改善了水力條件，強化了重 力油水分離過程。其中聚結構件的優(yōu)化設計和聚結材料的表面特性是提高油水分離效果的關鍵，直接影響到設備的除油效率。 在聚結構件結構的設計上采用橫向流進水，利用波紋板提供的曲折通道和非常大的聚結表面產生近似于正弦波的水流，使分散油珠產生最大程度的聚結。以斯托克斯公式和淺層沉淀理論為依據，進行板長板寬及板間距的選擇，并以雷諾數驗證水流的層流狀態(tài)；在聚結材料的選擇上，通過測量油在備選材料上的接觸角，并考察其有效、經濟、耐久性，最終確定經改性劑 A 進行表面改性后的鍍鋅板作為該油水分離器的聚結板材。所設計的裝置可去除 20上的油珠，出水含油量小于 10，基本達到設計要求。 關鍵詞： 油水分離，重力，聚結，粗?；?，波紋板 第一章 緒論 船舶行駛時會排放大量的油而污染水域，含油污水對環(huán)境的污染主要表現在對生態(tài)系統和自然環(huán)境的嚴重影響。流到自然水體中的可浮油，形成油膜后會阻礙大氣復氧，斷絕水體氧的來源；而水中的如花油和溶解油，由于需氧微生物的作用，在分解過程中消耗水中溶解氧，是水體形成缺氧狀態(tài)，以致魚類和水生物難以生存。所以必須對船舶含油廢水加以處理，達到標準后才能排放。 舶含油廢水的來源及 水質特征 船舶含油廢水包括油船的壓載水、洗艙水和艙底水。 廢水中不同形態(tài)的油有著不同的理化性質，在很大程度上決定了相應處理的選擇。通常油類在水中主要以五種狀態(tài)分布 [1]。 （ 1）浮油 : 這種油在水中分散顆粒較大，油粒徑一般大于 100 置后能較快上浮，以連續(xù)相的油膜漂浮在水面。 （ 2）分散油 : 油在水中的分散粒徑為 10～ 100 微小油珠懸浮于水中，不穩(wěn)定，靜止一定時間后往往形成浮油。 （ 3）乳化油 : 油珠粒徑小于 10 般為 2 往因水中含有表面活性劑使油珠形成 穩(wěn)定的乳化液。乳化油的穩(wěn)定性取決于廢水的性質及油滴在水中分散度，分散度愈大愈穩(wěn)定。 （ 4）溶解油 : 油以分子狀態(tài)或化學方式分散于水體中，形成穩(wěn)定的均相體系，粒徑一般小于幾微米。 （ 5）固體附著油 : 吸附于廢水中固體顆粒表面的油。 混入廢水中的油類多數以幾種狀態(tài)并存，極少以單一的狀態(tài)存在。一般需采用多級處理方法，經分別處理后才能達到排放標準。 舶含油廢水的處理技術介紹 含油廢水處理的難易程度隨其來源及油污的狀態(tài)和組成方法按原理可分為物理法 (沉降、機械、離心、粗?；⑦^濾、膜分離等 ); 物理 化學法 (浮選、吸附、離子交換、電解等 ); 化學法 (凝聚、酸化、鹽析等 ); 生物化學法 (活性污泥、生 物濾池、氧化塘等 )[2]。下面介紹幾種國內外常見的處理方法 [3 （ 1）重力分離法 : 利用油水兩相的密度差及油和水的不互溶性進行分離。沉降分離在隔油池中進行，常見的有平流式 (平行板式 (波紋板式(型式。平流式隔油池的設計主要基于斯托克斯公式，由公式可求得一定表面積的隔油池所能除去的最小油珠粒徑。隔油池水流狀態(tài)對除油能力和效果也有很大影響，最好的水流狀態(tài)是層流狀態(tài)，它有利于油 珠的上升和固相的沉降。根據以上理論，進而設計出了 、 、 (斜板式 )等更為高效隔油池。這幾種型式的隔油池與 相比較，占地面積省，去油能力、排油能力及安全程度等方面明顯提高，因此已被廣泛應用。該類方法設備結構簡單，易操作，除油效果穩(wěn)定，但對溶解性油類或乳化油是不適用的。 （ 2）聚結法 (粗?；?): 利用油水兩相對聚結材料親和力的不同來進行分離，主要用于分散油的處理。此法的技術關鍵是粗?；牧系倪x擇，許多研究者認為材質表面的親油疏水性是主要的，而且親油性材料與油的接觸角小于70° 為好。 常用的親油性材料有蠟狀球、聚烯系或聚苯乙烯系球體或發(fā)泡體、聚氨酷發(fā)泡體等。粗粒化法可以把 5 ~10 徑以上的油珠完全分離，無需 外加化學試劑，無二次污染，設備占地面積小，基建費用較低。但對懸浮物濃度高的含油廢水，聚結材料易堵塞。 （ 3）凝聚法 : 也就是用絮凝劑除油的方法。常用的無機絮凝劑是鋁鹽和鐵鹽，特別是近年來出現的無機高分子凝聚劑，如聚硫酸鐵、 聚氯化鋁等，具有用量少、效率高的特點，而且使用時最優(yōu) 較寬。雖然無機絮凝劑法的處理速度快，但藥劑較貴，污泥生成量多。有機高分子凝聚劑的研究發(fā)展很快，但目 前有機高分子絮凝劑在含油廢水處理方面的應用仍然主要是用作其它方法的輔助劑。 （ 4）氣浮法 : 通常采用的主要是加壓溶氣浮選法去除乳化油。因為空氣微泡由非極性分子組成，能與疏水性的油結合在一起，帶著油滴一起上升，上浮速度可提高近千倍，所以油水分離效率很高。常在含油廢水中加入絮凝劑，還會進一步提高油水的分離效果。目前該法已被廣泛應用于油田廢水、石油化工廢水、食品油生產廢水等的處理，但動力消耗較大，構造復雜，維修保養(yǎng)困難。 第 2 章 總體方案設計 船舶行駛時會排放大量的油污水 ,從而影響海 洋生物的生長 ,對海洋資源造成嚴重的破壞 ,還可能影響局部地區(qū)的水文氣象條件 ,降低海洋的自凈能力。因此必須采取措施 ,將油污水處理成符合排放標準的凈水后再排入水域 ,從而保護水域環(huán)境。目前國際上通常利用油水分離器作為油污水的處理裝置 ,我國已有適合于大中型船舶的油水分離器系列產品 ,但適合小型船舶的油水分離器不僅少 ,而且價格貴 ,很難推廣。過去我們研制的 0. 1/ . 05 小型船用油水分離器已成為我國的定型船用產品 ,適用于總噸 500 以下的船舶。但沿海一帶大量的船舶總噸屬于 500～ 1000。據資料介紹 ,僅廣東省就有總噸 1 000 以下的船舶 10 多萬條 ,而適合這類船舶的油水分離器產品少 ,且體積大 ,壽命短 ,售價高 ,難以推廣。為此 ,我們研制了結構簡單且價格低廉的 0. 2 型船用油水分離器。通過對樣機的型式試驗 ,結果表明該油水分離器分離效果良好 ,完全滿足國家排放標準。 本結構 本裝置由粗分離部分和細分離部分組成 ,見圖 1。粗分離部分主要采用機械重力分離法 ,其主要部件為傘盤組。細分離部分主要采用過濾法和聚結法分離 ,主要部件為粗粒器和金屬 絲網。粗?；梦⒖捉Y構的合成材料制成 ,但其孔隙和密度不相同 ,第二級比第一級的孔隙減小 ,密度增大 ,使分離效果逐級提高。對含雜質較多的污水 ,使用粗粒器 (過濾網 )以延長粗?；氖褂脡勖?。 工作原理 圖 2：改進后的實體圖 來自專用配套泵的艙底油污水 ,經吸入濾口切向進入分離器中部后旋轉上升 ,由于流速低 ,流程長 ,有助于大油滴上浮。油污水再由上部轉向向下流經傘盤組 ,由于傘盤組能夠增大接觸面積 ,增大濕周 ,縮短油滴上浮的距離 ,增加油滴的碰撞機率 ,使之使成大油滴 ,因而提高了分離效果。聚合形成的較大油滴 ,上浮至粗分離器頂。含有微細分散油滴和乳化油滴的油污水 ,經濾網和聚丙烯吸油材料組合的過濾、聚結元件。含有更小顆粒油滴的油污水通過細濾器濾除水中的機械雜質及部分石蠟膠狀體后 ,再進入粗粒器。粗粒器使用親油性高分子材料制作 ,用以截留吸附微小油滴。從其表面分離出來的新油滴直徑比入口的油滴直徑有顯著的增大 ,產生粗粒化效果。大油滴上浮至粗粒器上部 ,符合排放標準的水則經分離器底部通過超過頂部的出水 管排出。當分離出的污油在分離器頂部聚集 ,達到油位檢測報警位置后 ,蜂鳴器報警 ,進行人工排油。粗粒 器上部污油很少 ,可定期人工排油。 要參數校核 根據選定的傘盤組結構參數 ,校核可分離的最小油滴直徑。因為雷諾數 再求傘盤間油滴上浮速度。參見圖 2 ,傘盤間距 b = 0. 3傘盤母線長 l = 12軸截錐面底角α = 40° ,根據相似關系得傘盤間油滴上浮速度 比較油滴上浮速度 知 ,后者略大一些。因為油污水進入傘盤組后 ,水流速度方向與油滴上浮速度方向 接近 ,相對速度降低 ,因而提高了分離能力。計算可分離的最小油滴直徑 d 與已知可分離的最小油滴直徑 d′ 基本相同 ,說明所選的傘盤組結構參數較理想。 反向沖洗裝置 由于隨著分離器的使用 ,分離器內部的分離元件特別是過濾材料將變臟 ,流體流動時壓力損失增大 ,從而嚴重影響分離效果。因此 ,為了使油水分離器內部分離元件保持干凈 ,以保證其分離效果 ,本方案設有反向沖洗裝置 。操作步驟如下。旋轉三通旋塞 2 ,使反向沖洗海水與泵口接通 ,旋轉三通旋塞 1 ,使泵出口與分離器排水口接通 ,關閉分離器 排水閥 3 ,開啟反沖洗出水閥 4 ,啟動專用配套泵 ,即實現反向沖洗 。 第三章 油水分離部分設計 介 世界人口的迅猛增長和工業(yè)的高速發(fā)展，導致水資源短缺日益加劇。 20 世紀世界人口增加了近 3 倍，淡水消耗量增加了約 6 倍，其中工業(yè)用水增加了 26 倍。而世界淡水資源總量基本不變，使 20 世紀末的人均占有水量僅是實際初的 1/18。。據報道，目前世界上約有 1/3 的人口面臨供水緊張的威脅；另一方面水污染問題日趨嚴重，全世界每年排 放工業(yè)廢水約 4260 億 m3,造成可供人類使用的淡水資源總量的 1/3 受到污染，使本來就很緊張的淡水資源更是雪上加霜。據有關資料顯示， 1995年全世界有 20％ 的人口缺乏安全用水。另據世界衛(wèi)生組織統計，每年至少有 1500 萬人死于水污染引起的疾病。 我國水資源不豐富，是世界 13 個貧水國之一。年均降水量只有630于全球陸地面積年均降水量（ 880億 m3,居世界第六位，但按 1998 年 人口計算，人均占有水量僅為 2251m3，是世界人均水平的四分之一，居世界 149 個國家的 第110 位。按國際上的通行標準，人均占有水資源 2000m3為嚴重缺水，人均占有水資源 1000m3為最低標準，由此可見我國屬于水資源短缺的國家。 據統計，我國城市每年缺水 60 億 m3，在全國 666 座建制市中，有近 400 座城市缺水，日缺水量達 1000 萬 m3以上。缺水導致水費上漲，如威海市城市居民現按每人每月 2m3水配額供應，超過配額部分按 40 元 /m3收費。據美國經濟學家斯特 2布朗預測， 2020 年我國將缺水 300 多億 m3。到 2030 年中國工業(yè)用水將從每年 520 億 m3增加到 2690 億 m3，屆時水資源的短缺將更加嚴重。 一方面水資源嚴重短缺，另一方面水資源污染日益嚴重。 1995 年全國廢水排放量達 m3，占世界污水排放總量的 造成全國700 余條大中河流中的近 1/2 遭受污染，其中 70 余條河流因嚴重污染而失去使用價值?！吨袊h(huán)境狀況公報》報道，目前 78﹪的城市河段不適宜作飲用水源， 50﹪的城市地下水已受到污染?？梢哉f污染到了觸目驚心，非治理不可的程度。 在城市用水中，工業(yè)用水占 80﹪。而工業(yè)用水浪費問題嚴重，表現之一是輸水方式落后，水損失率高。據 1996 年供水年鑒統計，工業(yè)輸水過程中水損失率高達 20﹪ ， 1997 年工業(yè)用水在輸送途中損失了 2000 多萬 m3，而日本在 1992 年的輸水損失率僅為 10﹪；再就業(yè)工業(yè)耗水量大，國內加工噸油的水消耗量是國外的近 5 倍，鋼鐵是國外 4~5 倍，啤酒是國外的 2~6 倍，發(fā)電是國外的 2 倍，造紙是國外地 2~；另外工業(yè)水的重復利用率低，一般只有 30﹪，德國高達 64﹪，日本為 60﹪。上面三個環(huán)節(jié)造成工業(yè)水的浪費極大。 對于工業(yè)用水，節(jié)水的余地很大，如果將石化企業(yè)煉油裝置的噸油水耗從目前的 低到鎮(zhèn)海煉油化工股份公司的 平，噸油排污水量由目前的 低到鎮(zhèn)海良友 化工股份公司的 石化系統煉油行業(yè)每年可以節(jié)約 m3新鮮水，同時減少相應數量的污水排放，所節(jié)約的新鮮水可以滿足 t 新增加工原油用水，同時可為企業(yè)節(jié)約水費，污水處理費和排污費約 8 億元。 要緩解油資源短缺，必須從兩方面入手。一是節(jié)約燃料，特別是提高油的開采率；二是提高燃料的利用率，把原油進行加工，使其純度更高。 面對如此嚴峻的油資源狀況，加大對原油的除水處理就顯得特別重要了，就需要我們設計出一種經濟適用的除水控制方案來緩解以上系列問題。我們將詳細設計除水自動控制系統方案。 要解決時間 緊、任務重與資金嚴重不足的矛盾，必須充分重視，并發(fā)揮科學技術在環(huán)保工作中的作用。原油的除水處理工藝方案設計是除水處理的首要環(huán)節(jié)，一個科學合理的方案可以在達到治理目標的同時節(jié)省投資、降低成本、簡化管理。 本控制系統的被控對象是原油在分離罐中的油水分離的界面自動控制。在整個控制系統中，原油中油和水的輸入總量是基本上是固定不變的它不會隨時間的變化而變化，這屬于穩(wěn)態(tài)。而在系統中，要維持廢水界面控制，將系統的穩(wěn)態(tài)值設定在適合值，如果穩(wěn)態(tài)值有變化，則要系統能夠根據實際情況來調節(jié)。 在石油化工工業(yè)中，常常要從許多組成沸點 相近的混合物中分離出輕組分，一種有效的辦法是往混合物中加入一定比例的水作萃取塔蒸餾，再把從塔頂餾出的蒸汽冷凝，然后進入油水分離罐，分別取出輕組分的物質與水，就可以獲得生產過程所所需要的輕原料，例如：腈綸生產的原料丙烯腈就是利用這種方法從混合物中分離出來的?？梢娪退蛛x器在生產過程中是一種常見的設備。 象的組成及特性 在油水分離系統中，首先應明確整個控制系統的組成。對于任一油水分離系統來講，我們需要控制的是待處理的油水混合液，而要達到控制油水分離的目最重要的是要做好油水分界面液位的控制。油水分離控制 系統主要組成部分包括：比例調節(jié)器、差壓變送器與調節(jié)閥門等 及零件如下： 研究被控對象動靜特性的目的是據以配置合適的控制系統，以滿足生產過程的要求。系統在運行中有兩種狀態(tài)。一種是穩(wěn)態(tài)，此時系統沒有受到任何外來的干擾，同時設定值保持不變，因而被調量也不會隨時間變化，整個系統處于穩(wěn)定平衡的共況。另一種是動態(tài)，當系統受到外來干擾的影響或者在改變了設定值后，原來的穩(wěn)態(tài)遭到破壞，系統中各組成部分的輸入輸出量都相繼發(fā)生變化，尤其是被調量也將偏離原穩(wěn)態(tài)值而隨時間變化，這時就稱系統處于動態(tài)。經過一段調整時間后， 如果系統是穩(wěn)定的，被調量將會重新達到新設定值或其附近，系統又恢復穩(wěn)定平衡狀況。由于被控對象總是不時受到各種外來干擾的影響，設置控制系統的目的正是為了對付這種情況，因此系統經常處于動態(tài)過程。顯然，要評價一個過程控制系統的工作質量，只看穩(wěn)態(tài)是不夠的，還應該考核它在動態(tài)過程中被調量隨時間變化的情況。 設除水器的控制方案 油水分離有兩種典型的控制方案，如圖 1 與圖 2 所示。圖 1 利用溢流方式分離油，利用除水器分離水是根據除水器抽水管的高度，可以推算出油水分離的液體界面的高度，由 油水混合液 回流 水 油 圖 1 附設除水器控制方案 圖 1 可以看出，當分離罐的液位處于穩(wěn)態(tài)的情況下，存在如下關系：21121 )( ???? (1) 2H P P 1H 2H 式中 h 為分離層的高度； 1r 為水的重度； 2r 為油的重度； 1h 為溢流檔板高度； 2h 為抽水管出口高度； h? 為抽水 管的阻力損失，因為 1h ， 2h ，1r ， 2r 為常數， h? 在抽水管較短的場合下是一個很小的數，因此可以忽略不記，于是由式 1 求得分離層高度的計算式 211221 rr ?? （ 2） 油水混合液 回流 水 油 圖 2 直接控制分界面控制方案 顯然，在油水分離器暫態(tài)過程以后，其油水分離界面恒定的，因此圖 1 不是 要求 專門的界面控制系統，僅安裝除水器的水位控制系統與油水分離器的溢流槽液位控制系統，這兩個系統均由比例調節(jié)器 、差壓變送器與閥門組成。 油 水 2H P H P D/Q D/Q 接控制分界面的控制方案 圖 2 溢流槽液位控制系統與圖 1 相同，不同的是分離器沒有除水器，油水界面采用浮筒式液位變送器進行檢測。圖 3示某油水分離器所采用的浮筒式液位計與油水分離罐的聯系方式。油水分界面控制系統采用電動浮筒式液位變送器，這種變送器的最大量程 L=500 毫米水柱，最大浮力 F=斤，最大浮力所對應的儀表信號為 10 毫安，且知21 =重 / 3厘米 ， 1r =1 克重 / 3厘米 。 浮筒液位劑 油水分離器 2v L 1v 3 浮筒液位計與油水分離器的聯系方式 為了利用這種變送器進行分界面的 測量，浮筒的截面積需要按儀表規(guī)定的技術條件與工藝參數進行特殊設計。由上述規(guī)定的儀表技術條件知道，當浮筒全部為重液所 沒時，其浮力為最大，此時的浮力為 0F=斤，對應的儀表為 10 毫安，當浮筒全部為輕液所侵沒時，其浮力最小。根據最大浮力的條件，可以確定浮筒的截面積 A 221 .0 ???（ 3） A 確定以后，可以求出浮筒全部為輕液所 沒時的浮力 2 （ 4） 根據以知條件： L=50 厘米， 2r =重 / 3厘米 ，得到 公斤公斤 5 2 ????? ? （ 5） 可見，分界面從 0 變化到 L，其浮力只變化 斤，就是說，利用浮筒液位變送器作分界 面測量儀表時，其靜態(tài)增益大 大 降低，而且儀表的靜態(tài)工作點偏高，譬如 h=L，浮筒全 部為油，儀表的零位信號就有 ??了克服上述出現的兩個問題，系統設計必須進行如下兩項工作： 位界面變送器的零點遷移 零點遷移的依據是當液位界面處于變化范圍（ 0～ L）的中間值（ L/2）時，變送器的輸出信號亦為儀表工作信號（ 0～ 10 毫安）的中間值（ 5 毫安）。遷移前，分界面處 L/2 處時的浮力為 ? （ 6） 與 F 對應的 變送器輸出電流為 毫安毫安 ? （ 7） 因此將變送器的零點往負的方向遷移 安，此時，變送器的輸出信號為 ??? I（ 8） 調節(jié)器的給定值設置在 50%，既 毫安給 5?少變送器的量程 將變送器的測量減少 ，以維持界面變送器的靜態(tài)增益同測量液位的靜態(tài)增益一樣。如果變送器的靜態(tài)增益因結構關 系難以改變，則在組成控制系統時應減少比例調節(jié)器的比例帶。例如一般液位調節(jié)器的比例帶為 50%，則對于同一差壓變送器（如不改變量程）應用于控制分界面時，調節(jié)器的比例帶應設置為 6%。 水分離界面控制系統 為了油水分離系統的正常進行，對于油水分離控制系統的生產、生活工藝要求罐內的油水界面一般需維持在某一小范圍內變化，并要保證分離罐內的水不產生溢出和低于排水的最底要求，確保油水分離過程的安全。本文就設計出油水分離界面控制系統，用分離罐的油水分界面來控制油水分離界面控制系統。 油水界面控制的基本目 的是使油水分界面盡可能靠近其設定值，這個設定值可能代表一個最佳操作點。 圖 4 油水分離界面控制系統組成 - + 圖 5 油水分離界面控制系統 油、水流量控制方框圖 油水分離界面控制系統如圖 5 所示，其控制目的是保持油水分離過程正常進行。在該系統中并不是嚴格要求把油水分界面保持在某一設定值上，而是根據其油水分界面指示值，通過差壓變送器把非電信號轉變?yōu)?電信號，控制器根據這信號來控制閥門的運行工況。 12控制器 油水分離罐 流量變送器 其具體運行情況是：油水混合液里油水比例發(fā)生變化時，出油管出油量和出水管出水量就要發(fā)生變化，油水分離罐里的油水分界面就發(fā)生變化，當水的比例增大時，油水分界面上升，出水管閥門的開度增大，出油管閥門的開度減小，反之，當油的比例增大時，油水分界面就要下降，出水管閥門的開度減小，出油管閥門的開度增加。為使系統能順利工作，就必須把油水分界面控制在一定范圍內變化，系統通過安裝在油水分離管內的兩臺液位指示儀，顯示其液位值。當油水分界面在規(guī)定的范圍變化時，安裝在油水分離罐外的差 壓變送器把這一油水界面液位值轉變?yōu)殡娦盘杺魅肟刂破?，控制器根據這值與其設定值比較來控制出水管閥門的開度，向外輸出水。當油水分界面液位高于允許變化范圍最大值時，出水管閥門開度最大，當油水分界面液位低于允許變化范圍最小值時，出水管閥門關閉。 控參數的選擇 根據以上油水分離控制系統的工藝簡況可知，分離罐內的油水分離界面和油液位需維持在某一給定的位置上，或在某一范圍內變化，這是保證油水分離正常進行的工藝指標。所以，分離罐內油水分界面和油液位分別既是直接被控參數。由于油水分界面和油液位測量一般是比較方便的， 并且工藝指標要求的精度并不的非常高，所以，就直接選取油水分界面和油液位作為被控參數。 制參數的選擇 從油水分離界面控制系統的工作原理和過程來看，影響油水分界面和油液位的參數有兩個，一個是油水混合液中油和水的流入量，一個是油和水的流出量?？刂七@兩組參數都可以直接控制液位。但出水（油）量是由輸入量決定的，并且輸入量是變化的，無規(guī)律的。所以從保證油水分離的正常進行的因素考慮，故選流出量（油和水）作為控制參數。 程動態(tài)特性 油水分離界面控制系統過程特性為，有自衡的非震蕩過程。其響應曲線示于圖 1Q 1q 11q t 圖 6 油輸出閥門的工作區(qū)及其特性 說明： 1Q ：油水混合液中油的含量， 1q ：油的液位最大值， 11q ：油的液位最 小值 2Q 2q 22q t 圖 7 水輸出閥門的工作區(qū)及特性 說明： 2Q ： 油水混合液中水的含量， 2q ： 油水分界面液位最大值 ， 22q ： 油水分界 面液位最小值 當剛開始向油水分離罐內輸入油水混合液時，油輸出閥門和水輸出閥門誰先工作，要根據實際情況才能確定，所以在這里不作討論。假設油水分離控制系統達到平衡后，水的輸入量不變，油的輸入量增加，油水分界面保持不動，油的液位上升，輸出油管道的閥門開度增大，最后達到平衡。當水的輸入量增加，油的輸入量也增加，油水分界面液位上升，油的液位上升得更快，輸出油和水管道的閥門開度都增大，最后達到平衡。當水的輸入量增大，油的輸入量減小，油水分界面液位上升，油的液位先上升、再下降，輸出水的管道閥門開度增大，輸出油的管道閥門開 度先增大后減小，最后達到平衡。當水的輸入量減小，油的輸入量增大時，油水分界面液位下降，油的液位上升在下降， 輸出水的管道閥門開度減小，輸出油的管道閥門開度增大、再減小，最后達到平衡。當輸入油和水的量都減小時，油水分界面液位下降，油的液位下降得更快，輸出油和水的管道閥門開度減小，而且輸出油管道的閥門開度減小得更快（先慢后快），最后達到平衡。 佳控制方案的確定 油水分離界面控制系統需達到系統的正常運行，并保證油水分離的安全、穩(wěn)定、經濟。所以需采用智能控制系統。智能控制是目前一個極受人們關注 的新興學科，它是以傳統的控制理論為基礎發(fā)展而來的，主要用來解決那些用一般方法難以解決的復雜的控制問題。智能控制是繼經典控制理論方法和現代控制理論方法之后新一代的控制理論方法。智能控制系統的指具備一定的智能行為的系統。具體地來講，就是對于一個問題的激勵輸入，系統具備一定的智能行為，并能夠產生合適的解的響應，這樣的系統便稱為智能系統。 通過對幾種油水分離界面控制系統的過程控制的分析，化學驅油技術要求技術高、控制系統復雜、投資大、浪費能源，不能很好的推廣，它們對于一般企業(yè)都不具有可行性。直接控制分界面的控制方案不 僅能解決技術要求不高的問題，而且控制設備簡單，成本低廉，實現了油水分離的智能控制。直接控制分界面的控制方案的油水分離界面控制系統就是油水分離的最佳方案。 直接控制分界面的控制方案是根據油水混合液中油水的輸入量來分別調節(jié)閥門的開度，向外分別輸出油和水，保持分離罐內的油水分界面和油液位的平衡。當油水輸入量油（水）的比例增大時，油（油水分界面）的液位上升，通過檢測元件測得其油（油水分界面）的液位，再通過差壓變送器把這一信號轉變?yōu)殡娦盘杺魅氲娇刂破鳎刂破靼堰@一信號與系統設定值進行比較作出判斷來增大油（ 水）輸出管道閥門的開度。當油水輸入量油（水）的比例減小時，油（油水分界面）的液位下降，通過檢測元件測得其油（油水分界面）的液位，再通過差壓變送器把這一信號轉變?yōu)殡娦盘杺魅氲娇刂破鳎刂破靼堰@一信號與系統設定值進行比較作出判斷來減小油（水）輸出管道閥門的開度。本系統控制結構簡單，所需設備少，造價低廉，節(jié)約能源，其控制過程全是自動化控制，無須專人值班看管。本系統達到了油水分離的智能控制。 差分析 由于儀表的直接測量值 x 與間接測量值 y 之間存在著函數關系 y=f(x)，則由微分學可知，直接測量值的測量誤差 引起的間接測量值的誤差為函數的增量，而該增量可用函數的微分來表示。同樣，有 n 個直接測量值 xi(i=1，2，? n)與間接測量值的函數關系為 y=f(x1, (9) 則測量的總誤差可用函數的全微分表示為 (10) 上式是函數誤差計算的一般公式。對于我們所研究的計量裝置其儀表的誤差性質為隨機誤差。其計算公式為： (11) 式中 R 為相關項也稱協方差。在實際測量中，各個直接測量值之間是相互獨立的，即 R 項為零。 計量分離器上單個儀表的測量誤差 隨機誤差，且相互獨立。根據獨立變量誤差疊加原理，其計量裝置的誤差可由下式進行計算： (12) 整個計量分離器是一個完整的計量系統，其測量總誤差來源于四個方面：含水分析儀的準確度、彈性刮板流量計的準確度、水中含油的測量誤差以及未考慮因素的附加誤差。 含水分析儀的準確度為 彈性刮板流量計的準確度為 水中含油的測量誤差為± 未考慮因素的附加誤差為± 則裝置的總誤差為 (13) 通過以上計算可以得出計量裝置的不確定度為 第四章 節(jié)閥的選擇 調節(jié)閥是自動控制系統中極其重要的必不可少的組成部分，它的作用是接受調節(jié)器來的信號。通過閥門開度的變化，使被控制參數改變以補償干擾對被控參數的影響，從而實現自動控制。 調節(jié)閥的流量特性 (1) 調節(jié)閥的理想流量特性 調節(jié)閥的流量特性：是指流體通過閥門的流量和閥門桿行程之間的關系。為了比較方便，往往取相對流量，行程也取相對行程。 )( （ 14） 改 變閥芯、閥座間的節(jié)流面積便可以控制流量，但實際上在閥開度改變的同時，閥前閥后的壓差也要發(fā)生變化，而壓差的變化也會引起流量的變化。為了分析方便，假定閥前閥后壓差是固定的，即△ P=常數。這時得到的流量特性稱為理想流量特性。 常用的理想流量特性有以下幾種： ① 線性流量特性： 線性流量特性是指調節(jié)閥的相對開度（閥桿的相對行程）和相對流量成直線關系，即 )11(m ??（ 15） 是閥的可調范圍，對一固定調節(jié)閥 R 是一常數，在直角坐標上是一條直線。 ② 對書流量特性（等百分比） R 1(? 100 （ 16） 100 由圖可見，曲線的斜率（即閥的放大系數）是隨著閥 桿行程的增加而增加的。在相同的行程變化下，流量較小時，流量的變化較小，流量較大時，流量變化較大，因而這種閥在小開度時工作比較平穩(wěn)，而在大開度時，工作也靈敏，此閥在不同的開度時，只要是相同的行程變化，流量的相對變化量都是相等的，故也稱等百分比，用得最多。 ③ 快開流量特性 )1( 2m a x )11(1 ??? （ 17） 這種特性是小開度時，流量變化大，隨著閥桿行程的增大，流量很快就達到最大值，故稱快開流量特性。 ④ 拋物線流量特性 2])1(1[1m a x ???（ 18） 與對數比較接近。 （ 2） 調節(jié)閥的工作流量特性 調節(jié)閥的工作流量特性是指調節(jié)閥在實際控制系統中 △ P △ P 管 △ P 閥 總是與設備管道等連接在一起的，即使管道兩端的總壓降△ P 是定值，但管道中的沿程阻力和局部阻力都會隨著流量 Q 的變化而變化。因此閥前后的壓差△P 總是變化的，即在流量最小時（閥全關）壓差△ P 閥最大，流量最大時（閥全 開）壓差△ P 最小，因此在工作情況下，調節(jié)閥的實際流量特性和理想流量特性是不同的，其差異程度由閥阻比 S 決定 ?? 。 調節(jié)閥流量特性的選擇 流量特性的選擇主要是對直線與等百分比兩種特性的選擇，有理論計算法與經驗法，但都較復雜。工程設計多用經驗準則，從控制系統特性、負荷變化與 S 值 3 個方面進行綜合分析，選擇控制閥的流量特性。 調節(jié)閥的結構選擇 調節(jié)閥在氣動、電動、液動三大類。其中氣動閥由于結構簡單，輸出推動力大，工作平穩(wěn)可靠，本質安全等原因得到了極為廣 泛的應用。 氣動閥有：單座閥，雙座閥，角形閥、三通閥，隔膜閥，碟閥，小流量閥，套筒閥等。 （ 1） 單座閥：由于只有一個閥芯和閥座，容易保證關嚴，但閥桿受到不平衡力大，所以通常使用在要求泄漏小或要關得很嚴，以及低壓差場合。 （ 2） 雙座閥：流體壓差對兩個閥芯作用力方向相反，閥桿上不平衡力小，適用于閥兩端壓差較大的場合，但泄漏較大，關嚴困難，流路復雜，對高粘度、含懸浮物的介質也不宜采用，但由于雙座閥不平衡力小，得到了廣泛的應用。 （ 3） 角形閥：流路簡單，阻力小，不易堵塞，適用于高粘度，含懸浮物的介質。 由以 上比較，選擇本系統單坐閥 調節(jié)閥氣開氣關形式的選擇 調節(jié)閥氣開、氣關形式的選擇主要是從生產安全角度考慮的。在有信號壓力時，閥開，無信號壓力時，閥關，稱“氣開式調節(jié)閥”。反之，在有信號壓力時，閥關，在無信號壓力時，閥開，稱“氣關式調節(jié)閥”。在系統中選用氣開閥還是氣關閥是根據控制系統在斷氣的事故狀態(tài)下，使閥全開安全還是閥關安全而定的。 器、儀表的接地 油水分離界面控制系統中使用電子儀表，接地是一個非常重要的問題，接地系統是控制設備安全可靠、穩(wěn)定精確工作的保證。如果接地系統設計的不合理，可能 會帶來干擾，造成較大測量控制誤差，以至于儀表系統不能投運或甚至可能損壞儀表和計算機控制的 I/O 板卡；如果接地系統中存在重大錯誤，還可能造成重大人身和設備安全事故。 地的作用 接地主要分為： （ 1）保護性接地 （ 2）工作接地 ① 信號回路接地 ② 屏蔽接地 ③ 本安儀表接地 設備保護接地的目的是保護設備和人身安全、以防設備帶電發(fā)生事故。由于油水分離界面控制系統主要涉及保護性接地，所以下面著重介紹保護性接地。 正常情況下，用儀表的外殼、電氣設備的外表面、各種儀表盤（柜）等都不應該帶電，但是在設備運行過程中因某些原因 造成設備絕緣性能下降或破壞，就有可能是電氣設備不該帶電的部位帶電，如果有人觸及這些部位就可能出現危及人身安全的觸電事故。由于設備外殼帶電，在某些條件下可能會出現電火花，一旦現場具備條件就可能出現爆炸或失火，這是非常危險的。 油水分離界面控制系統中需要保護性接地的設備有： ① 儀表盤 ② 用電儀表外殼 ③ 金屬接線盒、導線穿管 水分離界面控制系統部分儀器的接地方法 （ 1） 油水分離界面控制系統的接地系統組成 油水分離界面控制系統的接地系統由接地電極、接地導線兩大部分構成一個接地網絡系統。需要接地的電氣設備，由相應 的接地端子引線到該盤的接地母線或接地端子排上，通過接地分干線連接到公用連接板上。 （ 2） 接地設計 衡量接地性能的好壞，其中一個重要的參數是接地的電阻值大小，電阻越小說明接地性能越好，該值大于一定數值就表明接地線路中有接觸不良甚至開路，此時該系統就不能實現接地目的。所以在此除了設計好接地體之外，接地導線的截面積、導線的連接方式、接地連接點的選擇影響接地電阻的重要因素。 電器設備 大地 接地電極 圖 8 儀器、儀表接地 水分離技術主要應用領域 （ 1） 船廠廢柴油過濾、破乳、油水分離，含水量 5～ 8 （ 2） 變壓器油過濾、破乳、油水分離，含水量 2～ 5 （ 3） 發(fā)電廠透平油過濾、油水分離、脫色、破乳、精濾，含水量 2～ 5 （ 4） 海上原油泄漏事故處理，收集、過濾、油水分離； （ 5） 油田落地油過濾、清洗、油水分離； （ 6） 海上鉆井平臺浮油收集、油水分離、加溫分離，含水量＜100 （ 7） 鋼鐵廠平流油沉淀池浮油收集、過濾、油水分離； （ 8） 煉油廠大量含油廢水收集、過濾、油水分離。 5 結束語 本文是以重力法直接控制分界面控制方案的論證、檢驗、改進為目的而展開的研究。概括而言，具有以下的特點： 正確性 本文采用重力法對油水分離界面控制系統作了細致的分析，并有附設除水器的控制方案、直接控制分界面的控制方案。經過分析證明直接控制分界面的控制方案效果更好。 優(yōu)越性 直接控制分界面的控制方案操作簡單、成本低、防爆性能好。 通用性 本位所實用的不僅僅是油水分離界面控制，只要是兩種密度不同的液體都可用。 致謝 本文主要闡述了 油水 分離裝置設計 。通過這次設計使 我對 齒輪加工過程 產生了濃厚的興趣，同時，受我主修專業(yè)的影響，我已經習慣于 設計 帶來的一系列機遇與挑戰(zhàn) 。 本篇論文雖然凝聚著自己的汗水，但卻不是個人智慧的產品，沒有導師的指引和贈予，沒有父母和朋友的幫助和支持，我在大學的學術成長肯定會大打折扣。當我打完畢業(yè)論文的最后一個字符，涌上心頭的不是長途跋涉后抵達終點的欣喜，而是源自心底的誠摯謝意。我首先要感謝我的 指導老師張文生老師 ，對我的構思以及論文的內容不厭其煩的進行多次指導和悉心指點，使我在完成論文的同時也深受啟發(fā)和教育 。 再次由衷感謝答 辯組的各位老師對學生的指導和教誨，我也在努力的積蓄著力量，盡自己的微薄之力回報母校的培育之情，爭取使自己的人生對社會產生些許積極的價值！ 參考文獻 1 孫洪程，翁唯勤2過程控制工程設計2北京：化學工業(yè)出版社 ,2001 2 蕭德云 ,呂伯明2過程控制系統2北京：清華大學出版社 ,2004 3 陳伯時2自動控制系統2北京：中央廣播電視大學出版社 , 1981 4 何離慶2過程控制系統與原理2重慶：重慶大學出版社 ,2003 5 王永初 ,任秀珍2 工業(yè)過程控制系統設計范例2北京：科學出版社 , 1986 6 侯志林2過程控制與自動化儀表2西安：機械工業(yè)出版社 ,2003 7 南國英 ,張志剛2給水排水工程專業(yè)工藝設計2北京：化學工業(yè)出版社 ,2004 8 孫自強2生產過程自動化及儀表2上海：華東理工大學出版社 ,1999 9 李亞峰2尹士君2給水排水工程專業(yè)畢業(yè)設計指南2北京：化學工業(yè)出版社 ,2003