天然氣加工閉式冷卻塔噴淋循環水系統水質穩定處理及運行研究

王 婧，丁 偉，王 鵬，田 軍，常 青，林坤華

(1.長慶油田公司 第八采油廠地質研究所，陜西 西安 718699； 2.長慶油田分公司 第七采油廠，甘肅 慶陽 745708； 3.西安慶港潔能科技有限公司，陜西 西安 710075； 4.長慶采油一廠伴生氣第一項目部，陜西 延安 716009； 5.成都蘇坤環?？萍加邢薰荆拇?成都 611534)

敞開式系統的循環水不斷蒸發使水中固形物、鈣、鎂離子等濃度逐漸增加，并容易滋生細菌和藻類，造成水質惡化，換熱設備結垢和腐蝕傾向明顯，影響換熱設備的換熱效果，縮短設備使用壽命并影響生產過程安全性及平穩性。據統計，煉廠水冷器80%以上的腐蝕是由水側造成的。為了維持水質、減少水中結垢物。通常采取加藥和排污的措施。當濃縮倍率為3.0倍時，大約 0.6%的循環水會作為污水被排放，高排污量也增加了系統耗水量及污水處理費用[1]。

閉式系統用除鹽水作為熱媒載體，水質優異，有效減緩了換熱設備的結垢和腐蝕，提高了換熱設備傳熱效率和使用周期，降低了設備的檢維修費用，保證了生產的穩定性。采用干濕復合式閉式冷卻塔時，冬季氣溫在0 ℃以下時，停止使用外循環水，通過風機引流，用自然界的冷源將換熱管內的軟水冷卻；當夏季溫度較高時，使用外循環噴淋水系統，用水蒸發來帶走熱量，達到降溫目的。和傳統方式相比，節水效率可達 50%以上[2-3]，節省了用水量和污水處理費用。另外，閉式系統噴淋水的持液量遠小于開式系統循環水的持液量，在維持相同水質的條件下，水處理的藥劑費用僅為原來的20%～30%，有利于降低系統的運行成本[3-5]。

在實際運行過程中，由于閉式冷卻塔噴淋系統的保有水量較小，僅為噴淋水循環水量1/15，從而導致噴淋循環水系統濃縮速度較快。采用干濕復合閉式冷卻塔，噴淋系統補水為深井水，鹽含量、硬度、堿度及硫酸根含量較高。夏季運行時，噴淋循環水系統運行24 h濃縮倍數可達10倍以上，最終導致噴淋循環水水質惡化，填料及換熱盤管結垢嚴重，導致內循環水溫差達下降，影響換熱效率，對生產裝置的長周期安全平穩運行帶來了不利影響。

本文針對閉式冷卻塔噴淋循環水結垢的問題，分別從噴淋循環水系統補水水質、水質穩定判斷、水質穩定處理劑選型、水質穩定處理、噴淋水水質運行管理、定期清理填料水垢等入手，從根本上解決噴淋循環水系統結垢的問題。

1 循環水系統概況

采用密閉式循環水系統，循環水介質為除鹽水，系統設計壓力0.8 MPa，運行壓力0.6 MPa，循環水量6 404.6 m3/h，設計規模7 800 m3/h，系統容積為1 600 m3。循環水系統由除鹽水裝置、干濕復合閉式冷卻塔、隔膜式氣壓罐、籃式過濾器、循環水泵組成，向工藝裝置區水冷器、壓縮機電機及變頻器、空氮站空壓機、供熱系統熱媒循環泵和蒸汽冷凝器等提供循環冷卻水，以達到對換熱介質進行降溫的目的[4]。閉式循環水系統流程如圖1所示。

圖1 閉式循環水系統流程Fig.1 Flow chart of closed circulating water system

循環水系統回水通過閉式冷卻塔冷卻，出水經循環泵加壓后循環使用，系統采用隔膜式氣壓罐穩定系統壓力，并在管線上設有電動閥(與循環泵入口壓變連鎖，超壓自動打開泄壓)等措施保證系統平穩運行。

2 循環水系統設計參數

閉式冷卻塔設計參數見表1，其中內循環補水為軟水，噴淋循環水系統補水為深井水。

表1 閉式冷卻塔設計參數Tab.1 Design parameters of closed cooling tower

3 補水水質數據

深井水水質分析數據見表2。

表2 深井水水質分析數據Tab.2 Analysis data of deep well water

由表2分析數據可以看出，不同深水井水質差別較大，其中2021年7月深井水水質明顯比2020年11月要好，主要體現在硬度由435 mg/L下降至220 mg/L，硫酸根由643 mg/L下降至371 mg/L。為了更準確地計算補水水質的穩定指數，將2次取樣的水質數據進行了平均。

4 補水穩定指數

循環冷卻水投入運行后，要進行結垢腐蝕性判斷。通常采用碳酸鈣飽和指數(LSI)及穩定指數(RSI)來判斷。在循環水運行中，飽和指數只能說明一種傾向，是一個定性趨勢故存在較大的局限性。穩定指數是在飽和指數基礎上發展起來的指數，計算方法根據化學分析測出循環水系統中，鈣硬度、堿度、pH值、固形物以及現場實際溫度來計算。許多水處理工作者仍采用它作為生產現場的一個控制指標[6-7]。

水質穩定性判斷計算見表3。

表3 不同濃縮倍數下的RSI穩定指數Tab.3 RSI stability index under different concentration ratios

由表3可知，當濃縮倍數達到了3倍以后，循環水為嚴重結垢水質，隨著濃縮倍數的提高，結垢趨勢更為明顯。但RSI指數并不能反映出硫酸鈣的結垢趨勢，一般情況下投加水質穩定處理劑后，循環水中硫酸鈣的LSI指數可達3.0，由此可以計算出循環水中硫酸根濃度為6 000 mg/L，鈣離子濃度為6 000 mg/L，由此倒推可以計算出硫酸鈣結垢可控的情況下，噴淋循環水系統的極限濃縮倍數約為10倍。因此，建議噴淋循環水電導率控制在10 000 μs/cm以下，通過投加緩蝕阻垢劑可以有效抑制硫酸鈣的形成。

5 結垢機理分析

《工業循環冷卻水處理設計規范》(GB 50050—2017)，要求循環水Ca2++堿度小于1 100 mg/L(以CaCO3計)[7]，但根據同類型閉式冷卻塔的運行情況及，在投加緩蝕阻垢劑，進行水質穩定處理后，循環水鈣離子濃度為4 400 mg/L，堿度為650 mg/L，Ca2++堿度高達5 000 mg/L的水質條件下，并未出現明顯碳酸鈣沉積結垢的問題，這與理論計算相差較大。

6 噴淋循環水濃縮速度

運行不同時間的噴淋循環水系統水質數據見表4。

表4 不同運行時間的噴淋循環水水質數據Tab.4 Water quality data of spray circulating water with different running time

由表4水質數據可以看出，不同塔隨著運行時間的延長，循環水濃縮倍數也隨之增加。運行1 d，濃縮倍數高達10倍，pH值為8.62，鈣離子為4 400 mg/L，堿度為625 mg/L，Ca2++堿度為5 025 mg/L，硫酸根為6 500 mg/L，循環水中硫酸鈣的LSI指數已經達到了2.2，說明投加緩蝕阻垢劑對抑制硫酸鈣垢的生成作用明顯。運行了2 d，濃縮倍數約為14倍，pH值為8.75，堿度為650 mg/L，Ca2++堿度為5 050 mg/L，硫酸根為8 250 mg/L，但鈣離子和硫酸根并未按比例增加，Ca2++堿度也并未隨之上升，說明循環水達到濃縮倍數極限以后，循環水中硫酸鈣和碳酸鈣已經達到了飽和，繼續濃縮硫酸鈣和碳酸鈣將以晶體的形式析出沉積，從而產生水垢，加入阻垢劑可以改變水垢的結晶過程，使其產生畸變，不易在換熱列管上沉積。

7 水質穩定處理劑選型

通過上述分析可以看出，噴淋循環水運行1 d后濃縮倍數已經達到了10倍，濃縮較快，運行2 d后濃縮倍數為14倍，但鈣離子和硫酸根并未成比例增加，且Ca2++堿度趨于穩定，說明濃縮到10倍后已經達到了目前補水水質條件下的極限，繼續濃縮結垢趨勢明顯，系統結垢風險較大。因此，水質穩定劑篩選參照上述水質極限條件進行。

7.1 硫酸鈣阻垢性能

圖2 不同硫酸根離子濃度下的硫酸鈣阻垢率Fig.2 Scale inhibition rate of calcium sulfate at different sulfate ion concentrations

由圖2可以看出，在鈣離子濃度為4 000 mg/L，加藥濃度為80 mg/L的條件下，硫酸鈣阻垢率隨著硫酸根離子濃度的增加而降低。硫酸根離子濃度超過20 000 mg/L以后，硫酸鈣阻垢率快速下降。

7.2 碳酸鈣阻垢性能

碳酸鈣鈣阻垢性能檢測試驗參照標準為《水處理劑阻垢性能的測定碳酸鈣沉積法》(GB/T 16632—2008)，試驗用水模擬上述水質條件進行實驗室配水，試驗溫度40 ℃，時間10 h。參照補水水質條件，濃縮10倍后，配水水質：堿度為650 mg/L，Ca2+分別為1 000、2 000、3 000、4 000、5 000 mg/L，緩蝕阻垢劑投加濃度均為80 mg/L，碳酸鈣鈣阻垢率變化曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，在堿度為650 mg/L，加藥濃度為80 mg/L的條件下，在鈣離子濃度小于4 000 mg/L時，碳酸鈣阻垢率波動變化較小，阻垢率均在94%以上。當鈣離子超過4 000 mg/L以后，碳酸鈣阻垢率開始呈現下降趨勢，鈣離子5 000 mg/L時，碳酸鈣阻垢率僅為85.6%。

圖3 不同鈣離子濃度下的碳酸鈣阻垢率Fig.3 Scale inhibition rate of calcium carbonate under different clciumion concentrations

8 循環水水質管理

通過上述分析可知，在現有補水水質及運行工況條件下，噴淋循環水系統濃縮倍數不宜超過10倍，為了確保系統長周期平穩運行，將濃縮倍數控制在8倍左右較為合理，同時投加成都蘇坤環?？萍加邢薰咎峁┑木徫g阻垢劑SK-603。噴淋循環水日常分析項目及控制指標見表5。

9 填料水垢清理

按照上述控制加強了對閉式冷卻塔噴淋循環水系統的運行管理，但在實際運行過程中發現，填料結垢的問題并未得到有效的解決，填料結垢情況如圖4所示。

圖4 噴淋循環水系統填料結垢情況Fig.4 Fouling of filler in spray circulating water system

現場觀察發現，填料內部幾乎沒有水垢，垢層主要形成于填料表面10 cm左右，分析主要原因：①填料中間以及管束水流速度快，加之有堅持加藥操作和排污換水，所以不易形成新垢；②料表面為進風口，風機的吸力作用，降低水流速度，部分區域的噴淋水直接完全蒸發，水中的鹽分停留在了填料上，從而產生了水垢；③填料上形成水垢后，進風通道容易產生偏流，將會加速填料結垢的速度。填料結垢影響閉式冷卻塔進風量，降低了噴淋水與空氣接觸的換熱效果。因此，填料表面的結垢需要及時清理。根據填料上水垢的形成速度，采用高壓射流水進行清洗，清洗周期為10～15 d清理1次。

10 效果評價

噴淋循環水水質管理方案實施后，噴淋循環水水質明顯好轉，2021年7月，噴淋循環水水質分析數據見表6。

2020年11月取樣，水質分析噴淋循環水電導率為34 900 μs/cm；2021年5月取樣，噴淋循環水電導率為17 600 μs/cm；2021年7月取樣，噴淋循環水電導率為8 790 μs/cm，濃縮倍數從30.0倍降到了8.0倍，噴淋循環水結垢的趨勢得到了有效的控制，換熱管束較為干凈。水質穩定處理后換熱盤管結垢情況如圖5所示。

11 結語

循環水Ca2++堿度為從3 820 mg/L降至1 773 mg/L，碳酸鈣結垢得到了有效的控制。硫酸鈣的LSI指數從3.8降到了2.3，硫酸鈣結垢的趨勢得到了有效控制。循環水總鐵為0.037 mg/L，遠低于國家標準要求的小于2.0mg/L，即通過有效的水質穩定處理，噴淋循環水系統結垢和腐蝕的趨勢均得到了有效的控制[8]，提高了噴淋裝置的換熱效率，為循環水系統的長周期平穩運行創造了有利的條件。

表6 2021年7月噴淋循環水系統水質分析數據Tab.6 Water quality analysis data of spray circulating water system in July 2021

圖5 水質穩定處理后換熱盤管結垢情況Fig.5 Scale formation of heat exchanger coil after stable water treatment