污水站過濾罐悶罐提溫反沖洗參數優化

任冬玨

大慶油田有限責任公司第四采油廠

隨著油田三采開發的不斷深入，聚合物驅、三元復合驅開發區塊不斷增加，油田采出水成分日趨復雜，化學劑含量上升，通過常溫反沖洗工藝難以保證濾料再生效果。為提高濾料再生效果，通過產能建設，某油田為7座污水站增設了提溫反沖洗工藝，提高濾料再生效果。但由于常規提溫反沖洗工藝對熱水熱能的利用率有限，60 ℃的熱水進入過濾罐反沖洗后溫度仍在55 ℃以上，為更好地利用熱能，提出了悶罐提溫反沖洗的方式，以提高熱能利用率。悶罐提溫反沖洗屬于一種全新的反沖洗方式，需要對悶罐溫度、悶罐時間、悶罐后反沖洗方式、悶罐周期等運行參數進行優化，進一步提高處理效果。

1 提溫反沖洗工藝

1.1 工藝建設現狀

目前某油田共建有提溫反沖洗工藝污水站7座，分別為A 污水站、B 污水站、C 污水站、D 三元污水站、E 水驅污水站、F 三元污水站、G 深度污水站（表1）。

表1 提溫反沖洗工藝現狀Tab.1 Current situation of temperature raising and backwashing process

2.2 提溫反沖洗工藝流程

提溫反沖洗工藝首先將凈化水罐濾后水注入熱洗水罐，采用熱洗循環泵和熱洗加熱爐加熱，溫度達到反沖洗要求時，通過反沖洗水泵進行提溫反沖洗，反沖洗后污水進入回收水池，具體流程見圖1。

圖1 提溫反沖洗工藝流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of temperature raising and backwashing process

2 悶罐提溫反沖洗現場試驗

2.1 悶罐提溫反沖洗操作流程

（1）調整流程做好反沖洗準備。悶罐反沖洗開始前，將熱洗水罐注滿濾后水，通過提溫反沖洗加熱爐進行加熱，加熱至需要的溫度準備提溫反沖洗。先關閉過濾罐進口閥和出口閥，打開反沖洗出口閥和進口閥，啟運反沖洗水泵開始提溫反洗。各站提溫反沖洗應集中進行，根據各自過濾罐數量，制定每日反沖洗罐數，保證提溫反沖洗期間熱洗水罐及熱洗爐連續運行。

（2）將罐內涼水替出注滿熱水。控制反沖洗水泵排量在350～400 m3/h 左右，向過濾罐內注入熱水，注水5 min 后打開反沖洗出口閥門并取樣測量溫度。若溫度達到悶罐溫度，說明此時過濾罐內殘存的涼水已被完全替出，熱水已沒過濾料充滿濾罐；若溫度未達到悶罐溫度，繼續注水直到滿足要求為止。

（3）調整流程開始悶罐。停運反沖洗泵，關閉過濾罐反沖洗進口閥和出口閥，開始悶罐，單次悶罐數量不超過2座，悶罐時可正常反沖洗本站其他過濾罐。

（4）悶罐結束完成提溫反沖洗。按規定要求的時間進行悶罐，悶罐結束后，打開過濾罐反沖洗出口閥和進口閥，啟運反沖洗水泵，按本站正常反沖洗參數進行反沖洗，反沖洗結束后倒運正常的過濾流程。

2.2 試驗前調研

2.2.1 電動閥能夠承受的最高溫度

過濾罐進、出口及反沖洗進、出口電動閥內存在電子元件與橡膠密封元件，需要確定電動閥的最高工作溫度，避免由于試驗損壞電動閥而對正常生產造成影響，通過查找資料確定該類電動閥的工作溫度為-20～70 ℃。

2.2.2 現場試驗條件

各污水站過濾罐反沖洗流程能夠實現自動控制，但提溫流程的熱洗水罐注水、加熱爐啟停、熱洗循環水泵啟停均需要現場操作采用人工控制，無法實現系統自動控制，勞動強度較大。在熱洗加熱爐的出口處有溫度顯示，其余節點如過濾罐反沖洗進口、反沖洗出口以及濾罐內的水溫，均無法做到實時監測。試驗過程中需采用紅外線測溫槍提取節點溫度，測量點都是在管線的外壁，測量誤差及干擾均較大。

2.3 悶罐提溫反沖洗工藝參數優化

對B 污水站、C 污水站、F 三元污水站進行參數優化。開展試驗時B污水站含聚濃度為315 mg/L，C 污水站含聚濃度為567 mg/L；F 三元污水站含聚濃度為104.6 mg/L，表面活性劑濃度為21.2 mg/L。

2.3.1 悶罐溫度確定

針對各污水站加熱爐提溫能力，采用不同的悶罐溫度。B 污水站分別采用60、57、55、50 ℃熱水進行悶罐（圖2），C 污水站分別采用65、60、55、50 ℃熱水進行悶罐（圖3），F三元污水站采用65、60、55、50 ℃熱水進行悶罐（圖4），悶罐時間均為2 h。悶罐方法按操作流程執行，跟蹤過濾罐悶罐反沖洗前后去除率變化情況，確定最佳悶罐溫度。

圖2 B污水站悶罐溫度與去除率提升幅度關系曲線Fig.2 Relationship curve between temperature of closed tank and improvement range of removal rate in Sewage Station B

圖3 C污水站悶罐溫度與去除率提升幅度關系曲線Fig.3 Relationship curve between temperature of closed tank and improvement range of removal rate in Sewage Station C

從圖2、圖3、圖4的悶罐效果曲線看，悶罐效果主要取決于溫度變化，悶罐溫度越高除油率、除懸率提升幅度越大。根據效果考慮將B污水站的悶罐溫度定為60 ℃。C 污水站采用悶罐溫度65 ℃和60 ℃時去除率基本相當，考慮能耗將C 污水站悶罐溫度定為60 ℃，將F 三元污水站悶罐溫度定為60 ℃。

圖4 F三元污水站悶罐溫度與去除率提升幅度關系曲線Figu.4 Relationship curve between temperature of closed tank and improvement range of removal rate in ASP Sewage Station F

2.3.2 悶罐時間確定

悶罐時間由1～2.5 h 進行調整，時間間隔為0.5 h，悶罐溫度為60 ℃，跟蹤去除率效果，確定適宜悶罐時間[1]。

悶罐2 h時B污水站除油率為60.3%，除懸率為49.1%（圖5），C污水站除油率為75.4%，除懸率為57.7%（圖6），去除率提升幅度最大。由試驗結果可知，隨著悶罐時間的延長，過濾罐反沖洗效果呈向好趨勢，但超過2 h后去除率提升率有下降趨勢。在悶罐時每隔0.5 h記錄一下罐內溫度變化情況，對過濾罐取樣，測量罐內溫度，具體數據見表2。

表2 聚驅污水站不同悶罐時間后罐內溫度跟蹤Tab.2 Tank temperature tracking of polymer flooding sewage station after different tank closing time

圖5 B污水站相同溫度不同悶罐時間與去除率提升幅度關系曲線Fig.5 Relationship curve between different tank closing time and removal rate improvement range of Sewage Station B at the same temperature

圖6 C污水站相同溫度不同悶罐時間與去除率提升幅度關系曲線Fig.6 Relationship curve between different tank closing time and removal rate improvement range of Sewage Station C at the same temperature

由溫度記錄可以看出，悶罐2 h 后，罐內溫度基本降至污水站正常污水溫度。悶罐時間過長，罐內水溫降至正常污水溫度后，再繼續悶罐不會提高效果，長時間停罐也會影響其他過濾罐反沖洗，建議聚驅污水站悶罐溫度不宜超過2 h[2-3]。

從圖7悶罐效果曲線看，悶罐2 h時F三元污水站除油率為44.9%，除懸率為36.4%，效果最好。對不同季節悶罐時罐內溫度下降情況進行跟蹤，具體數據見表3。

圖7 F三元污水站相同溫度不同悶罐時間與去除率提升幅度關系曲線Fig.7 Relationship curve between different tank closing time and removal rate improvement range of ASP Sewage Station F at the same temperature

表3 F三元污水站不同季節悶罐罐內溫度變化情況跟蹤Tab.3 Tracking of temperature change in closed tank of ASP Sewage Station F in different seasons

冬季外界溫度低，溫降速度快，冬季悶罐2 h、秋季悶罐2.5 h、春夏季悶罐3 h后，罐內溫度降低至常溫，因此考慮不同季節對悶罐時間的影響，冬季悶罐時間不宜超過2 h，秋季悶罐時間不宜超過2.5 h，春夏季悶罐時間不宜超過3 h[4]。

2.3.3 悶罐后反沖洗方式確定

選取4 座過濾罐，悶罐結束后2 座采用常溫水反沖洗，2座采用熱洗水罐內剩余熱水反沖洗，跟蹤去除率，確定悶罐后反沖洗方式，沖洗效果見表4、表5。由表4、表5 可知，悶罐后采用常溫水反沖洗，效果基本能夠滿足反沖洗需求，可考慮悶罐后采用常溫水反洗。

表4 B污水站悶罐結束后不同反沖洗方式效果跟蹤Tab.4 Effect tracking of different backwashing methods after tank closing in Sewage Station B

表5 C污水站悶罐結束后不同反沖洗方式效果跟蹤Tab.5 Effect tracking of different backwashing methods after tank closing in Sewage Station C

2.3.4 悶罐周期確定

通過以上試驗確定了悶罐提溫反沖洗的運行參數，但需對悶罐提溫反沖洗周期進行摸索[5]。悶罐反沖洗后，通過單罐化驗的數據，觀察其除油率、除懸率變化情況，將悶罐后除油率、除懸率接近或低于悶罐前的去除率的時間定為該罐的悶罐提溫反沖洗周期[6]。

由表6 可知，B 污水站單座過濾罐悶罐后30天，單罐出水水質與悶罐前接近，去除率接近，因此將該罐悶罐周期定為30天。C污水站單座過濾罐悶罐后60 天，單罐出水水質與悶罐前接近，去除率接近，因此將該罐悶罐周期定為60 天。每座過濾罐悶罐周期需要單獨確定，在來水水質正常情況下，可適當延長悶罐周期，在水質較差的時候，可適當縮短悶罐周期[7]。

表6 聚驅污水站悶罐后單罐去除率效果跟蹤Tab.6 Effect tracking of single tank removal rate after tank closing in polymer flooding sewage station

由表7 可知，F 三元污水站一級2#過濾罐悶罐后25 天，單罐出水水質與悶罐前接近，去除率接近，因此將該罐悶罐周期定為25 天。一級5#過濾罐悶罐后20 天，單罐出水水質與悶罐前接近，去除率接近，因此將該罐悶罐周期定為20 天。每座過濾罐悶罐周期需要單獨確定，在來水水質正常情況下，可適當延長悶罐周期，在水質較差的時候，可適當縮短悶罐周期[8]。

表7 F三元污水站悶罐后單罐去除率效果跟蹤Tab.7 Effect tracking of single tank removal rate after tank closing in ASP Sewage Station F

3 與常規提溫反沖洗工藝對比

3.1 效果對比

為進一步對比悶罐效果，選取2座去除率相近的濾罐，其中1 座采用悶罐反沖洗，另1 座過濾罐采用常規提溫反沖洗，對比兩罐反沖洗前后去除率變化情況（表8）。

表8 不同提溫反沖洗方式效果Tab.8 Effects of different temperature raising and backwashing methods

從去除率提升效果看，由于悶罐反沖洗更好地利用了熱水中的熱能，悶罐反沖洗比單純提溫反沖洗效果好，更有利于濾料再生[9]。

3.2 熱能利用率對比

常規提溫反沖洗由于反沖洗時間短，熱水的熱能未能有效利用，而悶罐提溫反沖洗時，通過悶罐使熱水降溫至接近污水常溫，熱能利用率大幅度提高，可通過計算得到兩者的耗氣量之差。按照60 ℃進水計算，污水站污水常溫通常為32 ℃左右，常規提溫反沖洗工藝出水溫度約為54 ℃左右，即有26 ℃左右的熱能被浪費，而悶罐提溫反沖洗工藝出水溫度為32 ℃左右，甚至低于32 ℃。同時，常規提溫反沖洗工藝熱水消耗量也要高于悶罐提溫反沖洗工藝（悶罐后采用常溫水反沖洗，那么悶罐只消耗約等于過濾灌體積的熱水，而常規提溫反沖洗工藝消耗水量等于反沖洗水泵排量與反沖洗時間的乘積，水量遠大于悶罐提溫反沖洗工藝），通過計算可以得出兩者的耗氣量差，天然氣耗氣量公式為[10]

式中：V為天然氣耗氣量，m3；c為水的比熱容，MJ/kg·℃，取0.004 2 MJ/kg·℃；m為加熱水的質量，kg；Δt為溫度變化，℃；Q低為天然氣低熱值，MJ，取36.8 MJ/m3；η為熱效率，取80%。

根據浪費的溫度以及水量可以計算出兩者的耗氣量差值。不同提溫反沖洗方式能耗對比見表9。

由表9可知，悶罐提溫反沖洗工藝相比常規提溫反沖洗工藝，每座罐過濾可節約熱能折合天然氣為263～360 m3，節約水量為71～97 m3，悶罐提溫反沖洗節能效果明顯。

表9 不同提溫反沖洗方式能耗對比Tab.9 Comparison of energy consumption of different temperature rasing and backwashing methods

3.3 工作量對比

由于都需要對熱洗水罐中污水進行加熱，兩種提溫反沖洗方式熱水準備時間耗時相等，主要時間消耗差異體現在悶罐提溫反沖洗需要長時間悶罐；悶罐提溫反沖洗，需要人工啟停反沖洗水泵，進行注水及悶罐等操作，相比常規提溫反沖洗需增加工作時間30 min，具體數據見表10。優化悶罐數，可減少熱洗水罐單次加熱水量，從而降低加熱時間[11]。

表10 不同提溫反沖洗方式耗時對比Tab.10 Comparison of time consumption of different temperature raising and backwashing methods h

4 結論

（1）悶罐提溫反沖洗相比常規提溫反沖洗能夠更好地利用熱能，提高濾料再生效果。

（2）悶罐提溫反沖洗溫度、悶罐時間、悶罐周期需要針對不同水質情況進行優化，實現個性化反沖洗。

（3）實際運行中可優化悶罐數，減少熱洗水罐單次加熱水量，從而降低加熱時間。