油氣田冷卻循環水水質智能控制關鍵技術及應用

李 靜，袁山偉，高立斌，王順喜，王 婧，林坤華

(1.西安慶港潔能科技有限公司，陜西 西安 710075； 2.長慶油田分公司第三采油廠伴生氣綜合利用第三項目部， 陜西 延安 717507； 3.長慶油田分公司第三采油廠伴生氣綜合利用第七項目部，內蒙古 鄂爾多斯 017300； 4.長慶油田(榆林)油氣有限公司，陜西 榆林 719000； 5.長慶油田公司第八采油廠地質研究所， 陜西 西安 718699； 6.成都蘇坤環?？萍加邢薰?，四川 成都 611534)

回收利用油田伴生氣不僅有利于提升油田的經濟效益，而且對于環境保護、建設綠色生態也發揮著重要的作用，是一項百利而無一害的工程[1-2]。所以近年來，全國不少油田為了提升油氣的綜合利用效率，在伴生氣的回收利用方面進行了積極的探索，初步形成了油田伴生氣的回收利用模式[3]。

在石油伴生氣回收利用過程中，冷卻水處理系統的運行好壞，對伴生氣回收裝置的平穩運行及輕烴產量影響較大。輕烴回收裝置冷卻循環水裝置大部分采用的是干濕復合閉式冷卻塔[4]，也有少量濕式閉式冷卻塔和敞開式冷卻塔。冷卻塔的類型不同，以及不同站點補水水質的差異，對冷卻水系統的運行管理及水質穩定處理提出了更高的要求。在進行水質穩定處理過程中，加藥、排污、水質檢測等均需要通過人工操作完成。系統保有水量小，蒸發量較大，人工分析數據相對滯后，導致加藥操作和排污操作不及時，循環水系統過度濃縮，水質嚴重惡化，出現嚴重結垢和腐蝕的現象，對換熱設備的正常運行及使用壽命均帶來了不利的影響。

本文針對油氣田冷卻循環水存在的人工控制工作量大、加藥量不易精準控制、水質不穩定、補水量和排污水量大、換熱設備結垢腐蝕嚴重等技術難題?；诙嗄戡F場運行管理積累的經驗及水系統運行基礎數據，構建水質穩定指數計算、水質控制模型，開了水處理加藥流程檢測、水處理設備遠程數據傳輸服務軟件系統，研制了循環水系統水質穩定處理裝置，實現了水質在線檢測、智能加藥、精準排污控制，解決了水質檢測滯后、人工勞動強度大、加藥準確度低的技術難題，提高水資源的利用率，達到了節能減排、降本增效的目的。

1 總體設計思路

將冷卻循環水從冷卻塔排污口引出，經過在線檢測、智能控制、自動加藥等3個處理單元后再由補水口回到冷卻塔集水池中，在此過程中完成循環水水質在線分析檢測(pH、濁度、電導率、溫度、排污水量等指標)，并根據在線檢測單元的檢測數據完成水質智能控制操作(智能排污)，根據智能排污操作，加藥泵完成自動加藥(緩蝕阻垢劑和殺菌劑)，從而實現冷卻循環水的“無人值守”水質穩定處理過程。

2 水質穩定指數模型構建

Ryznar穩定指數(RSI)和碳酸鈣飽和指數(LSI)一樣，在近代冷卻水處理工作中仍被用來作為預示水結垢或腐蝕的標志，并用以指導冷卻水系統的操作[5]。通過統計不同站點的補水水質檢測數據及實際運行過程中存在的問題，采用Ryznar穩定指數構建水質穩定指數模型。

2.1 補水水質數據

不同區域，不同站點的補水水質分析見表1。

表1 不同輕烴廠補水水質數據Tab.1 Water quality data of different light hydrocarbon plants

由表1可以看出，大部分輕烴廠原水鹽含量、硬度及硫酸根離子較高，一旦濃縮超過3倍以后，碳酸鈣和硫酸鈣結垢趨勢明顯，進一步濃縮超過5倍后，碳酸鈣和硫酸鈣結垢趨勢明顯。

2.2 不同站點水質穩定指數

采用Ryznar(里茲納爾)穩定指數進行評價，具體計算方法如下：

Ryznar穩定指數=2spH-wpH，spH=(9.70+A+B)-(C+D)

式中，wpH為循環水實際pH值；spH為水中碳酸鈣飽和時的pH值；A為總溶解固體；B為溫度系數；C為鈣硬度系數；D為總堿度系數(A、B、C、D數值查表獲得)[5-6]。

表2 不同輕烴廠補水穩定指數計算Tab.2 Calculation of water supply stability index for different light hydrocarbon plants

表3 穩定指數與結垢趨勢Tab.3 Stability index and scaling tendency

結合補水水質計算Ryznar穩定指數(RSI)，以上述幾個具有代表性的站的情況來看，隨著濃縮倍數的提高，結垢趨勢明顯，當濃縮倍數達到3倍以后，循環水幾乎都是嚴重結垢性水質。而在實際運行過程中，大部分系統循環水濃縮倍數都超過3倍，有的甚至超過10倍，在此水質條件下，循環水結垢嚴重。

2.3 水質穩定指數模型

將補充水的pH值、電導率、TDS、總硬度、鈣硬度、總堿度等參數錄入系統；通過查表將不同水質與總溶解固體(A)、溫度系數(B)、鈣硬度系數(C)、總堿度系數(D)4個參數的對應關系[6]錄入到系統中，系統根據水質數據自動讀取相應的參數。pH值為循環水實際pH值通過在線pH實時檢測。通過在線電導率儀測得循環水的電導率EC循環水，循環水濃縮倍數N=EC循環水/EC補充水，可以計算出實時的循環水濃縮倍數，據此可計算出不同濃縮倍數下的水質穩定指數(RSI)，該穩定指數模型作為循環水水質穩定處理的重要基礎參數。

3 水質控制模型構建

依據《工業循環冷卻水處理設計規范》(GB 50050—2017)，循環水系統的蒸發水量、補水水量、排污水量等均可以通過計算得到，具體計算公式為：

圖1 水質穩定指數模型工作原理示意Fig.1 Schematic diagram of working principle of water quality stability index model

N濃縮倍數=EC循環水/EC補充水

Q蒸發水量=Q循環水量×ΔT×0.001 6

Q補水=Q蒸發水量×N濃縮倍數÷(N濃縮倍數-1)

Q排污=Q補水-Q蒸發水量

M緩蝕阻垢劑=Q排污×C緩蝕阻垢劑

M殺菌劑=Q保有水量×C殺菌劑

其中，循環水量為系統設計參數可以直接輸入系統，循環水溫差即循環水進水溫度和出水溫度之差，可以近似采用設計值。濃縮倍數進行在線實時檢測。

水質控制模型可以近似計算出循環水系統在不同濃縮倍數下運行時的補充水量、排污水量、蒸發水量等數據，根據排污水量可以計算出水質穩定處理藥劑的投加量。該模型為循環水系統的自動加藥和自動排污奠定了理論基礎。遇到水質異常情況時，比如濃縮倍數超標、濁度超標時，自動啟動排污閥，進行排污操作，確保水質及濃縮倍數在合理范圍內。

4 設備集成

將上述構建的2個數據模型與已經開發好的水處理加藥流程檢測和水處理設備遠程數據傳輸服務軟件系統進行整合[7]，并將水質在線檢測項目，如pH值、電導率、溫度、濁度等，與自動排污閥、排污流量計、自動加藥泵等進行組合，即得到了成套的自動加藥檢測控制設備[8-9]。具體設計如圖2所示。

圖2 設備操作界面Fig.2 Equipment operating interface

冷卻循環水通過循環泵進入循環水自動加藥控制系統，實時檢測循環的pH值、電導率、溫度和濁度，循環水經分析檢測后加入緩蝕阻垢劑和殺菌劑，隨回水管路回到循環水系統中，完成一個水質檢測及加藥操作流程。

控制系統根據在線檢測數據，計算出實時的RSI穩定指數，根據RSI穩定指數的變化情況，調整緩蝕阻垢劑的加量。當RSI穩定指數達到嚴重結垢或者超出藥劑能發揮作用的最高限度時，自動開啟排污閥，并實時記錄排污水量。累計排污水量將與水質控制模型計算出來的排污水量進行比對，確保排污水量的精確性。另外，緩蝕阻垢劑的加藥量也將與理論加藥量進行比對，保證藥劑投加的準確性。當實際數據與理論數據出現差異時，系統會自動進行預警提醒，以便及時調整。當濁度異常升高時，系統將出現預警提醒，自動開啟排污閥進行強制排污置換，確保水質指標合格。

殺菌劑按照預先設定投加周期和投加濃度，系統將根據設計參數定期定量投加，也可以根據微生物滋生情況及季節因素人工修改相應的參數調整殺菌劑的投加。

循環水pH值、濁度、電導率、溫度、排污水量等在線檢測數據均會自動存儲到存儲器中，形成更為直觀的變化趨勢線，便于直觀了解循環水系統運行情況。另外，實際運行過程中的數據也可以作為后期運行的參考數據，系統自動優化調整。

5 現場應用評價

將集成后裝置在莊一聯輕烴廠循環水裝置上進行了應用研究，具體實施過程如下。

5.1 循環水及補水水質分析數據

莊一聯輕烴廠生產裝置區均有大量換熱器，以水作為介質進行換熱降溫，主要有濕密閉冷卻塔和干濕復合閉式冷卻塔。由于現場供水電導率較高，為994 μs/cm，同時硬度和堿度較高，分別為363、238 mg/L，如果采用以上水質作為循環水補充水，當循環水濃縮倍數到達3倍時，RSI指數為4.19，循環水結垢趨勢明顯。再加之現場無法實現連續排污，循環水實際運行濃縮倍數將更高，從而導致冷卻塔水系統存在不同程度結垢、腐蝕、水質不達標等問題，嚴重時影響設備的換熱效果。2020年取樣分析數據見表4。

2020年3月份取樣分析數據結果顯示，涼水塔和冷凝器涼水塔的水質均比較差，其中涼水塔水質中電導率達18 220 μs/cm，鈣離子加上堿度達到了4060mg/L，遠超國家標準3.7倍(標準要求≤1 100 mg/L)，氯離子加硫酸根4 160 mg/L，同樣超過國家標準1.6倍，結垢和腐蝕傾向均較高。冷氣器涼水塔同樣存在有此現象。

2020年4月取樣分析數據結果顯示，涼水塔和冷凝器涼水塔的水質均比較差，其中涼水塔水質中電導率達30 400 μs/cm，鈣離子加堿度達到4 234 mg/L，超國家標準3.8倍(標準要求≤1 100 mg/L)，氯離子加硫酸根8 345 mg/L，同樣超過國家標準3.3倍，結垢和腐蝕傾向均較高。2套循環水系統均存在鈣離子含量和濃縮倍數不成正比，說明系統已經出現了結垢現象，且現場查看涼水塔表面明顯有嚴重的結鹽現象，尤其是丙烷涼水塔池底有較厚的沉積垢鹽。

5.2 自動加藥檢測控制裝置應用

根據莊一聯輕烴廠補水水質數據及運行工況條件，在自動加藥檢測控制系統安裝前，對冷水塔進行了清洗除垢工作，使其恢復到較為良好的狀態，便于對比設備投用后的使用效果，具體應用情況如下。

5.2.1 水質合格率

(1)pH值。設備投用后，循環水pH值波動變化幅度較小，維持在9.0～9.5，控制指標為8.5～9.5，合格率93%。pH值作為反映水質酸堿性的一個重要指標，通過其數值變化可以更為直觀地反映循環水系統結垢和腐蝕的傾向。根據在線檢測數據，循環水濃縮倍數控制較為平穩，避免了循環水過度濃縮的問題，pH值較為平穩。

表4 2020年部分取樣分析數據Tab.4 Partial sampling and analysis data in 2020

(2)濁度數據。設備投用后，循環水濁度明顯下降，維持在0.5～1.0 NTU，控制要求小于等于20 NTU，合格率95.3%。濁度高低可以有效反映出循環水系統微生物滋生繁殖及腐蝕情況。即根據水質分析數據，實現自動加藥后，水質穩定處理藥劑的投加濃度精準，腐蝕和微生物滋生的問題得到了有效遏制。

5.2.2 循環水系統的濃縮倍數

循環水電導率逐步下降，循環水過度濃縮的問題得到了有效的控制，平均濃縮倍數在10倍。與完全補入純水相比，濃縮倍數由3倍，提高到了10倍。濃縮倍數的提高可以有效提高水的利用率，降低排污水量[10-11]。

5.2.3 循環水排污水量

根據水質及工況條件自動排污，日平均排污水量約為0.9 m3，月排污水量約為27 m3。設備投用前，按照原來使用純水作為補水來統計，每天需要補水約5 m3，純水設備制回收率約50%，即產水5 m3需要排掉5 m3濃水，另為了保證循環水系統不出現過度濃縮的現象，每月需要進行一次換水，每次換水需水量是10 m3水，一個月排污水量約為160 m3。減少排污水量80%以上。由于排放水量大幅度減少了，也就大幅度節約了總的用水量。

5.2.4 循環水溫度

循環水水溫隨環境溫度和系統負荷有所波動，整體穩定，換熱效果良好。由于缺乏歷史數據，無法對換熱效率進行同期比較。但從溫度變化趨勢來看，說明循環水系統換熱效率較為平穩，未出現因結垢、腐蝕或微生物等問題而影響換熱效果。

5.2.5 循環水水質對比

2020年6月和10月循環水水質數據見表5。

表5 2020年循環水水質數據Tab.5 Data of circulating water quality in 2020

由表5分析數據可以看出，研究項目實施前，老涼水塔循環水濃縮倍數約為45倍，循環水過度濃縮，結垢趨勢明顯(2020年6月數據)。實施后老涼水塔循環水濃縮倍數為6.7倍(2020年10月數據)，處于較為合理區間，結垢和腐蝕趨勢可控，Ca2++堿度為887 mg/L，滿足國家標準要求，各項水質指標正常。作為對照樣的丙烷涼水塔，循環水濃縮倍數約為20倍，Ca2++堿度為3 709 mg/L，超出國家標準要求3倍，結垢趨勢嚴重。老系統涼水塔安裝自動加藥檢測控制裝置后，從水質分析數據來看，控制效果良好；丙烷涼水塔采用人工控制，水質惡化嚴重，結垢趨勢明顯。

5.2.6 循環水系統顯結垢和腐蝕的傾向

實施前(清洗除垢后)，涼水塔結垢情況對比如圖3所示。本項目實施9個月后，涼水塔結垢情況對比如圖4所示。

圖3 實施前Fig.3 Before implementation

圖4 實施9個月后Fig.4 Nine months after implementation

本項目實施9個月后，老涼水塔無明顯結垢現象，換熱效果和運行效果良好。而作為對比的丙烷涼水塔已經出現結垢嚴重[11]，影響換熱效果，且需要進行化學清洗。說明通過自動加藥檢測控制裝置可以大幅度提高水質穩定處理的效果，降低冷卻塔結垢的風險，提高換熱設備的換熱效率，延長設備的使用壽命[12]。

6 結論

(1)設備投入運行后，循環水系統運行管理幾乎不需要人為進行干預，實現了“無人值守”運行，只需定期往裝置中補加水質穩定處理劑，省去了繁瑣的人工取樣水質分析和人工加藥管理工作，降低了操作人員的勞動強度，提高了操作控制的精準性和及時性。可以直觀的看到水質檢測項目的實時數值、歷史數據、變化趨勢曲線圖。循環水系統瞬時的排污水量及累計排污水量可以直接從設備上獲取。根據檢測數據系統自動加藥，并結合水質數據自動排污，避免水質過度濃縮，水質惡化，涼水塔結垢和腐蝕等問題得到了有效的解決和控制。

(2)水處理裝置水質合格率顯著提高，合格率達到90%；循環水系統的濃縮倍數由3倍提高到10倍，提高幅度達200%；循環水排污水量明顯減少，減少80%；水質結垢和腐蝕的趨勢得到了有效控制和緩解，涼水塔及換熱熱備無明顯結垢現象。