海上熱采鍋爐給水系統脫鹽工藝的比選與評估

田 莉，陳 贊，劉宗園，李 陽，王林江，苗世舉，李鴻宇，張樹友

（中海油天津化工研究設計院有限公司，天津 300131）

海上稠油資源豐富，僅渤海地區已探明必須采用熱采方式開發的稠油地質儲量近6.3×108t，超過渤海儲量一半以上，將稠油儲量變產量是實現我國海洋石油事業高質量發展的重要保障。然而由于稠油高黏度、高凝點、流動性差等特點，常規的開采技術難以滿足要求，因此開發海上稠油熱采技術是必須攻克的難題[1，2]。

相對于陸地稠油熱采開發，海上稠油熱采風險高、投資大，采油平臺空間小、承重能力有限、壽命短，面臨的條件更加惡劣。故熱采鍋爐水處理系統工藝應綜合考慮占地、質量、處理規模及效果等多重因素，還要兼顧工程投資和運行成本的合理性，確保設備運維管理工作的穩定性、可靠性和便捷性。同時，熱采鍋爐給水的水質指標要求需遵循《稠油注氣系統設計規范》（SY0027-2014）標準，尤其對離子含量、硬度等各項指標均要求非常高[3]。常規而言，熱采鍋爐水處理系統工藝包括預處理工藝、脫鹽工藝和除氧工藝等[4-9]。

脫鹽工藝作為海上稠油熱采鍋爐給水系統的關鍵工藝單元，主要去除有機物、無機物、離子等，其處理性能對鍋爐用水水質起到關鍵性作用。海上熱采鍋爐給水的水源通常選用水源井水，針對這種水源特性對脫鹽工藝的比選與評估鮮有報道。本研究以渤海水源井水為研究對象，進行脫鹽工藝優選與經濟評估，為海上熱采鍋爐水處理系統脫鹽系統的工業化應用提供技術指導。

1 進出水設計要求

1.1 進水水質

渤海水源井水首先經過海上熱采鍋爐給水處理系統的預處理工藝，去除大量的懸浮顆粒物，然后進入脫鹽工藝，水質指標（見表1）。

表1 經預處理工藝后水源井水的水質指標

1.2 出水水質

根據渤海某稠油油田熱采鍋爐給水的水質指標要求，得到脫鹽工藝的出水水質要求（見表2）。

表2 出水水質指標要求

1.3 產水量確定

據了解，目前渤海某平臺單套熱采鍋爐用水量為30 t/h。依據單套熱采鍋爐用水量，推算出單套脫鹽裝置產水量為30 m3/h，需求進水量需要通過不同脫鹽工藝的回收率計算得到。

2 工藝比選

2.1 主體工藝框架

脫鹽工藝的作用是有效地去除水中有機物、無機物、離子等物質，工業上常用的脫鹽裝置包括反滲透、EDI、離子交換器等[10-16]。根據出水的水質指標要求，如硬度≤0.1 mg/L、TDS≤1 000 mg/L，單獨的脫鹽裝置無法滿足技術要求，需要采用組合脫鹽工藝，目前具有硬度、TDS 去除能力高的組合脫鹽工藝有“反滲透+EDI”、“陰離子交換器+陽離子交換器”、“反滲透+鈉離子交換器”等。陰、陽離子交換器需要采用大量的酸液和堿液進行樹脂再生，而酸、堿液一旦出現泄漏情況對海上平臺甲板會造成嚴重腐蝕影響，因此不采用陰、陽離子交換器，可選用“反滲透+EDI”和“反滲透+鈉離子交換器”。

2.2 工藝比較

現將“反滲透+EDI”和“反滲透+鈉離子交換器”兩種脫鹽工藝的技術參數進行比較（見表3）。

表3 脫鹽工藝對比

根據工藝整體要求，兩種脫鹽工藝均滿足產水水質技術要求，而在產水量同為30 m3/h 時，“反滲透+EDI”工藝的需求進水量（72 m3/h）高于“反滲透+鈉離子交換器”工藝的需求進水量（56 m3/h），因此，“反滲透+EDI”工藝會增加前段預處理規模和占地面積，增加工程投資成本。這是因為“反滲透+EDI”工藝采用一級反滲透+二級反滲透+EDI，回收率分別為55%、85%和90%，得出整體工藝回收率為42%，回收率較低。而“反滲透+鈉離子交換器”工藝為一級反滲透+一級鈉離子交換器+二級鈉離子交換器，二級鈉離子交換器的回收率為99%，整個工藝收率為54%。

“反滲透+EDI”工藝抗沖擊能力較低，主要原因在于EDI 進水水質要求很高，如達不到規定的水質要求會造成設備的停機或損壞。“反滲透+鈉離子交換器”工藝抗沖擊能力較強，主要是因為鈉離子交換器能夠在短時間內承受高負荷的水質條件，之后通過樹脂再生后鈉離子交換器還能夠正常穩定運行。“反滲透+EDI”工藝產水水質（硬度0 mg/L、TDS 0.1 mg/L）更高，達到《火力發電機組及蒸汽動力設備水汽質量》（GB/T 12145）標準，適用于鍋爐高蒸汽壓力的火力發電機組及蒸汽動力設備[17]。鑒于本次熱采鍋爐給水的水質指標要求，脫鹽工藝采用“反滲透+鈉離子交換器”更具有適用性、可靠性和經濟性。

2.3 具體工藝設計

“反滲透+鈉離子交換器”工藝以進水水質為基礎進行總體設計，設計年限一般為25 年。

（1）總體工藝流程（見圖1）：經預處理后的水源井水經過反滲透增壓泵、保安濾器、高壓泵進入反滲透膜元件，膜產水進入RO 產水罐，膜濃水直接排海。RO 產水通過保安濾器和供水泵進入一級離子交換器和二級鈉離子交換器，產水進入脫鹽水罐。

圖1 “反滲透+鈉離子交換器”脫鹽工藝流程圖

（2）反滲透單元：反滲透單元主要包括增壓泵、高壓泵、RO 膜元件、RO 產水罐和清洗系統，主要去除水中大部分有機物、無機物和離子等。據相關工程經驗，反滲透膜采用美國陶氏膜，膜元件的型號選用SW30HRLE-400i，具有高脫鹽率和回收率，且運行壓力低、能耗低。通過反滲透膜系統計算軟件得到，該反滲透單元采用8 支膜元件，進膜壓力選為3.2 MPa，反滲透單元進水量56 m3/h，膜產水量30.8 m3/h，膜濃水25.2 m3/h。反滲透單元產水水質（見表4）。

表4 反滲透單元產水水質

（3）鈉離子交換器單元：鈉離子交換器單元主要包括供水泵、一級鈉離子交換器、二級鈉離子交換器、脫鹽水罐和再生系統，進行深度脫除Ca2+、Mg2+等二價離子。依據反滲透產水水質和工藝出水指標要求，離子交換器選用逆流再生固定床自動交換器，采用在線監測的控制方式，其型號表示為：NZT1200×2/30 型號，樹脂選用強酸陽離子樹脂（鈉型），型號為001×7。根據《自動控制鈉離子交換器技術條件》（GB/T 18300-2011）計算得到，鈉離子交換器直徑1 200 mm，高度3 000 mm，每臺設備樹脂填充體積2 300 L，鈉離子交換器單元進水量30.8 m3/h，產水量30 m3/h，得出二級鈉離子交換器產水水質（見表5）。

表5 二級鈉離子交換器產水水質

3 經濟評估

“反滲透+鈉離子交換器”工藝設計處理量為30 m3/h，按年工作時長為6 000 h 計，年產水量為1.8×105m3，供于熱采鍋爐給水系統。該脫鹽工藝生產1 t 淡水的成本計算方法見公式（1）。根據工藝運行成本的分析，對反滲透膜、樹脂、再生鹽及電耗等指標進行經濟分析（見表6）。經核算，“反滲透+鈉離子交換器”工藝生產每噸淡水的成本為1.4 元。

表6 “反滲透+鈉離子交換器”工藝的技術經濟指標

4 結論

通過比較“反滲透+EDI”和“反滲透+鈉離子交換器”工藝，結果發現：

（1）“反滲透+鈉離子交換器”工藝的產水回收率54%高于“反滲透+EDI”工藝的42%；

（2）“反滲透+鈉離子交換器”工藝的前段預處理規模和占地面積均更小，工程投資成本較低，運行成本僅1.4 元/噸水；

（3）“反滲透+鈉離子交換器”工藝的抗沖擊能力更強；

（4）“反滲透+EDI”工藝的產水水質（硬度0 mg/L、TDS 0.1 mg/L）更優，但“反滲透+鈉離子交換器”工藝的產水水質（硬度0.1 mg/L、TDS 920 mg/L）也能滿足熱采鍋爐給水的水質指標要求。

綜上，脫鹽工藝采用“反滲透+鈉離子交換器”更具有適用性、可靠性和經濟性，是海上熱采鍋爐給水處理系統工業化應用宜采用的優選方案。