余熱鍋爐水系統(tǒng)原油污染的原因分析及處理措施

劉存龍 劉恒豐 馮 斌

（中石化西北油田分公司 巴音郭楞 841600）

塔河油田發(fā)電一廠的三臺燃氣輪機發(fā)電機組各配一套余熱鍋爐，為塔河油田采油一廠及周邊單位的生產(chǎn)、生活及采暖提供熱源。每套余熱鍋爐均由高溫盤管和低溫盤管組成，運行時低溫系統(tǒng)主要帶生活供熱負荷，高溫系統(tǒng)主要帶原油殼程式換熱器，也可根據(jù)熱負載情況高低溫并管運行以提高熱利用率。

2017年3月在高低溫系統(tǒng)并管運行狀態(tài)下，因高溫系統(tǒng)管線帶載的原油換熱器內(nèi)漏，造成了余熱鍋爐及其管線系統(tǒng)遭原油污染，及時改變鍋爐運行方式并隔離原油加熱分支管線后，經(jīng)加藥清洗及置換處理，避免了污染水對鍋爐及管網(wǎng)、用戶側(cè)換熱器的腐蝕。

圖1 塔河油田發(fā)電一廠余熱利用高、低溫并管流程圖

1 鍋爐水系統(tǒng)遭原油污染的發(fā)現(xiàn)及危害

1.1 鍋爐水系統(tǒng)遭原油污染的發(fā)現(xiàn)

1) 3月18日的鍋爐水質(zhì)檢測中發(fā)現(xiàn)水硬度嚴重超標，經(jīng)連續(xù)多次化驗確認，制水系統(tǒng)的給水水質(zhì)正常，但鍋爐回水水質(zhì)超標[1]。

表1 采用鍋外水處理的熱水鍋爐水質(zhì)標準和實測值

2)鍋爐爐頂高低溫盤管放氣閥排水樣明顯有被原油污染跡象，初步判定水系統(tǒng)被原油污染。立即隔離原油供熱分支管線準備停爐處理，并協(xié)調(diào)用戶對各原油換熱器進行打壓檢測，確認其中兩臺換熱器腐蝕穿孔。

1.2 鍋爐水遭原油污染的危害

鍋爐給（制）水是經(jīng)過軟化除氧，并嚴格檢測合格才能使用的水。原油含水率高，深層地下水礦化度高，而且原油開采、儲運過程中加入了化學藥劑。因此，被原油污染的鍋爐水不但含油超標，而且pH值、硬度均遠超標準。長時間使用這樣的污染水不但會使鍋爐結垢，原油在高溫下分解形成的無機酸和低分子有機酸會進一步導致pH值下降，腐蝕整套余熱系統(tǒng)[2]。

2 水污染處理過程

2.1 鍋爐、管線排水及檢查

組織各個熱用戶一次水切旁通運行，就地排放換熱器一次水；在管線低點自由排水后，鑒于系統(tǒng)管道不在同一個水平面上有大量內(nèi)部積水，隔離循環(huán)泵，通過應急補水口接入高壓氣泵進行氣壓驅(qū)水。

由專業(yè)檢驗機構人員同時對鍋爐系統(tǒng)進行檢測：盤管間距、機械變形、移位、腐蝕、裂紋、壁厚測量、管線懸吊結構件是否燒損、脫焊、有無明顯變形等，內(nèi)窺檢查盤管匯管內(nèi)部腐蝕、結垢等情況，均無異常[3]。

2.2 鍋爐系統(tǒng)消缺

在鍋爐停運期間，同時做好鍋爐管線相關溫變、壓變的校驗、除氧水箱和生水箱防腐處理、高溫二號循環(huán)泵前球閥漏水處理、海綿鐵更換、DCS系統(tǒng)控制柜檢查、溢流閥平臺安全閥校驗更換等消缺工作。

2.3 余熱及用戶換熱器系統(tǒng)性原油清洗

清洗分為兩部分分別進行，即余熱鍋爐供熱系統(tǒng)和已經(jīng)隔離的原油加熱分支管線及原油換熱器。

●2.3.1 余熱鍋爐供熱系統(tǒng)清洗

清洗步驟：系統(tǒng)排水，補充制水并冷態(tài)循環(huán)，利用制水系統(tǒng)的除氧水箱配藥補給到系統(tǒng)中，熱態(tài)循環(huán)并持續(xù)檢測回水合格后排水，再次補充制水并冷態(tài)循環(huán)沖洗一次后排水。

清洗合格標準：回水pH值≥10.5，含油量≤2 mg/L。

清洗藥劑配方：氫氧化鈉（NaOH）、磷酸三鈉(Na3PO4?12H2O)兩者按4∶3配比添加，由于系統(tǒng)內(nèi)原油進入量無法精確確定，因此根據(jù)系統(tǒng)管道容積，pH值≥11的標準，計算出正常情況下的加藥量，在熱循環(huán)過程根據(jù)測試結果動態(tài)加藥以確保pH值≥11。

熱態(tài)循環(huán)：控制水溫在70～100℃，在0.2MPa壓力下煮爐5～7h，系統(tǒng)壓力達到0.5MPa，在該壓力下煮爐5～7 h。

●2.3.2 已隔離的原油加熱分支管線及原油換熱器清洗

如圖2所示，每臺換熱器各閥門為1#進水閥、2#回水閥、3#旁通閥、4#排水（污）閥，原油加熱分支的總進水、總回水閥門控制所有原油換熱器的進出水。

1）原油加熱分支管線進水管線及換熱器清洗：逐臺原油換熱器的關閉2#回水閥和3#旁通閥，打開原油加熱分支總進水閥，打開1#進水閥和4#排水閥，利用鍋爐系統(tǒng)熱循環(huán)狀態(tài)下的加藥高溫水沖洗該分支及原油換熱器（殼程），注意控制開度以保證系統(tǒng)壓力。

2）原油加熱分支管線回水管線及換熱器清洗旁通管線清洗：逐臺原油換熱器的關閉1#進水閥和4#排水閥，將3#旁通閥進水側(cè)拆開作為排水口，打開原油加熱分支總回水閥，打開2#回水閥，利用鍋爐系統(tǒng)熱循環(huán)狀態(tài)下的加藥高溫水沖洗該分支及原油換熱器（殼程），注意控制開度以保證系統(tǒng)壓力。

圖2 原油換熱器在線沖洗過程

●2.3.3 返修后殼程內(nèi)原油干結的換熱器清洗

返修后的換熱器殼程側(cè)原油干結，余熱系統(tǒng)早已經(jīng)恢復正常運行，不適宜加藥，而且從運行角度難以直接用鍋爐水沖洗干凈，也很浪費制水。

如圖3所示，將換熱器的進出水與供熱管網(wǎng)完全隔離，外加保溫的配藥罐及循環(huán)泵、配藥方案不變，用大約100℃的高溫水配藥循環(huán)沖洗，第一個循環(huán)12h后排水，再次配藥循環(huán)6h，每個循環(huán)結束時用系統(tǒng)高溫水沖洗一次并檢測水質(zhì)，直到合格為止。

圖3 原油換熱器離線沖洗過程

3 難點分析及應對措施

3.1 系統(tǒng)徹底排污困難

地勢較低的幾個閥井低點自然排水均不徹底，關閉循環(huán)泵兩側(cè)閥門后，在循環(huán)泵出口附近的應急補水口接入大功率壓縮泵，開啟循環(huán)泵回水口附近的排污閥，采用≤0.4MPa的壓力進行氣驅(qū)排水。

3.2 清洗藥劑配方

氫氧化鈉（NaOH）、磷酸三鈉(Na3PO4?12H2O)兩者按4∶3配比。氫氧化鈉與原油會發(fā)生較強的皂化反應，從而達到除油的主要目的；磷酸三鈉將水中的鈣鎂離子生成不溶于水的鹽排除，避免鍋爐結垢：

3CaSO4＋2Na3PO4→3Na2SO4＋Ca3(PO4)2↓

3MgSO4＋2Na3PO4→3Na2SO4＋Mg3(PO4)2↓

3.3 清洗后水中含油指標穩(wěn)定超標異常的分析

鍋爐水質(zhì)監(jiān)測見表2，經(jīng)過較長時間的熱態(tài)加藥循環(huán)清洗后，鍋爐高溫系統(tǒng)的水質(zhì)的硬度很快下降到合格范圍；含油量從清洗初期較少到增大，是因為藥洗過程中原油皂化、乳化進入水中，但清洗后期總體穩(wěn)定不再下降卻仍明顯超標。

表2 加藥清洗前后鍋爐高溫回水監(jiān)測情況

分析水中含油測試方法發(fā)現(xiàn)，水中含油值是通過萃取后的光吸納性定量測試而來，但加入的藥劑產(chǎn)生的難溶于水的沉淀物質(zhì)微粒和絮狀物會隨油被萃取，干擾試驗光的透過性，從而造成含油測試值虛高。4月15日同一個水樣立即測試的含油量為6.02mg/L，待水澄清后測試油量為2.08mg/L，說明清洗中形成的沉淀干擾了測試結果。

由此判定清洗結果達標，余熱系統(tǒng)可以排水沖洗后注入制水投入運行。

4 結論

4.1 關于余熱系統(tǒng)

水質(zhì)化驗作為每日例行工作的制度及時發(fā)現(xiàn)了異常，應該繼續(xù)堅持；水質(zhì)異常數(shù)據(jù)顯示高溫系統(tǒng)異常最先被發(fā)現(xiàn)且嚴重，低溫系統(tǒng)滯后且相對較好，及時將高低溫系統(tǒng)獨立運行，減少了低溫系統(tǒng)受到的影響；根據(jù)其帶載的熱用戶性質(zhì)，對系統(tǒng)影響最大的就是原油換熱器內(nèi)漏，因此運行壓力或補水異常時，即便是排除法查找故障點也應該在第一時間關閉原油加熱分支管線的總閥。

4.2 關于殼程式原油換熱器

換熱管腐蝕是本次事故的根本原因，因此建議更換為耐腐蝕性強的換熱器。由于原油換熱器運行時殼程式兩側(cè)存在壓力差，但鍋爐有壓力自動控制，供水壓力通常波動不大，所以原油處理站應注意控制原油的壓力不宜波動太大[4]，尤其是換熱器檢修、原油排污等特殊工況下管程需要大幅降壓或失壓前，應將換熱器殼程進出水閥門關閉，防止管程被壓力損壞，總之應該維持兩側(cè)壓力差不宜太大；鑒于該換熱器換熱管材質(zhì)耐腐蝕能力不足的情況，建議換熱器應至少每半年從管網(wǎng)中隔離出來進行一次耐壓試驗，以便提前發(fā)現(xiàn)薄弱點。

[1]GB/T 1576—2008 工業(yè)鍋爐水質(zhì)[S].

[2]馬光耀，陳菁. 余熱鍋爐受熱面管道內(nèi)壁的氧化膜腐蝕[J]. 材料科學與工程學報，2016，34（06）：1015-1019.

[3]韋巍. 余熱鍋爐的故障排查及其維護保養(yǎng)[J]. 時代農(nóng)機，2017，44（08）：35+37.

[4]張賢福，劉豐，孫志剛，等. 固定管板管殼式換熱器瞬態(tài)熱應力分析[J]. 壓力容器，2016，33（05）：34-38+80.