海水淡化系統在海上稠油油田鍋爐的給水應用

孫洪斌，宋浩

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300452；2.中海油安全技術服務有限公司，天津 300457)

0 引言

海上稠油資源豐富，僅渤海地區已探明稠油地質儲量近9 億噸，非常規稠油占比達到56.4%。而目前海上稠油油田的開發的技術主要以蒸汽吞吐作業為主。蒸汽吞吐作業，對于鍋爐給水的要求高，需要高效的水處理工藝來滿足蒸汽吞吐作業中鍋爐的用水需求。鍋爐給水水質不達標將會造成蒸汽污染、鍋爐結垢以及設備腐蝕等不良后果。海上的水源選擇有兩種方案，一是選取海水作為水源，海水資源豐富但含鹽高，懸浮物、微生物、膠質等含量高，且北方冬季海水溫度低；二是選擇水源井，水源井的雜質少，但可能礦化度高，其某些微量元素或對反滲透膜造成不可逆的損傷。

1 海水淡化處理概述

本文重點介紹以海水作為水源的海水淡化工藝作為鍋爐給水的方法。除去海水中的雜質和溶于水中的鹽分，使海水變為淡水的工藝過程稱海水淡化，也可以稱海水脫鹽。海水淡化的方法中常見的幾種為：蒸餾法、反滲透法、電滲析法。海上使用需要綜合考慮海水淡化效率、淡化過程的能量消耗、設備的維護周期和符合海上作業安全的需求。

反滲透法(Reverse osmosis，RO) 是目前最適合海上平臺使用的一種方式，也是最節能和有效的一種海水淡化技術。反滲透技術是以壓力差為動力，利用孔徑小至納米級的膜分離過濾技術， 其中H2O 分子在一定的壓力下通過RO 膜，而膜前的水中含有的無機鹽、重金屬離子、有機物、膠體、細菌、病毒等雜質無法透過RO 膜，從而使可以透過的純水和無法透過的濃縮水嚴格區分開來[1]。

但是RO 對于原水是有一定要求的，海水不能直接作為RO 的原水進行脫鹽操作，若RO 的原水水質不達標，將會造成RO 膜使用壽命下降，甚至造成淡化系統的癱瘓。所以，在海水脫鹽前需要對海水進行預處理，預處理需要做到有效的除去懸浮固體，降低給水濁度；抑制和控制水中微溶鹽的沉淀；因為RO最佳運行溫度20～25 ℃，所以還要調節和控制進水的溫度和pH 值；同時還要去除各種有機物、殺死和抑制微生物的生長和除去氧化劑等。

氧是鍋爐給水系統中的主要腐蝕物質，氧含量高會造成鍋爐管道、部件等的腐蝕。一方面氧化物沉積或附著在爐管內會造成鍋爐傳熱效率下降，造成能源浪費，甚至還有爐管炸裂的安全隱患；另一方面氧氣隨著蒸汽注入會加速注熱管柱腐蝕，所以必須要除氧[2]。

海水淡化工藝的思路為：海水預處理-海水脫鹽-海水除氧。某稠油熱采平臺采用海水→換熱器→沉降→雙介質濾器→無機超濾→緩沖罐→供水泵→RO 保安過濾器→RO 高壓泵→RO 反滲透膜組→RO 緩沖水箱→二級RO 增壓水泵→二級保安過濾器→二級高壓泵→二級反滲透膜組→二級RO 緩沖水箱→三級RO 增壓水泵→三級保安過濾器→三級高壓泵→三級反滲透膜組→三級RO 緩沖水箱→EDI →脫鹽水箱→熱力除氧→鍋爐。

2 海水預處理

海水預處理系統的主要設備為換熱器、沉降罐、雙介質過濾器和無機超濾膜。

換熱器的主要作用是對海水進行提溫，熱源來自于海水脫氧設備的高溫純水。因為在我國北方海域冬季海水溫度不到10 ℃，雖然下游各個存水容器配有電加熱器，海上淡化系統的海水水量在50 m3/h 以上，電加熱器其功率遠不能滿足加熱需求。而經過除氧后的水溫度在80 ℃以上，通過熱量的交換，同時，現場配有溫度調節閥可以根據海水出水溫度調節高溫水進入換熱器的水量，保持進水水溫在20 ℃左右，便于下游設備的穩定運行。

沉降罐的主要作用是通過重力沉降將海水中的泥沙和主要的固體雜質。海水在進入沉降罐前會加注殺菌劑和絮凝劑，殺菌劑是為了更好的殺死水中的微生物防止其在下游設備中生長，絮凝劑是為了更好促使小顆粒的膠體、懸浮物變成大顆粒下沉。

雙介質過濾器的過濾是通過石英砂和無煙煤兩種介質進行海水過濾。石英砂可以有效的去除水中的膠體、高分子有機物和懸浮物，石英砂以過濾為主；無煙煤可以通過吸附作用有效的去除水中的膠體和有機物。該平臺雙介質過濾器共3 臺，日常視下游產水需求，最多兩臺即可滿足下游用水需求。雙介質過濾器通過空氣擦洗、反洗、正洗等系列措施，確保濾器的具有足夠的過濾能力。超濾用于截留水中不同粒徑的膠體顆粒，而水和低分子量溶質可以穿過。在實際應用中可以通過設備增壓，循環對水進行過濾，產水可以通過膜至產水罐，未通過膜的部分則被截留下來，從而實現海水的的凈化、分離和濃縮。超濾可以完全去除懸浮物，通過與懸浮物黏附，部分去除有機物，可以去除病毒、細菌等微生物。而經過超濾膜產水的水質濁度<0.2 NTU，SDI15<3，懸浮物含量<1 mg/L[3]，其水質滿足反滲透膜進水水質的要求。

無機超濾相對于有機超濾，具有使用壽命長，清洗周期長，且具備較強的抗污染性能，對超濾進水水質容許范圍大，在水質較差時仍能保持產水水質的穩定。特別是在秋冬季節，大風天氣較多，海上平臺所在區域海上水質下降，所以無機超濾膜更適合海上平臺海水淡化預處理使用。

現場無機超濾的設備維保主要依靠反沖洗設備和化學沖洗設備。反沖洗的目的是為了清除截留在膜表面的雜質，使超濾膜在短時間內可以恢復過濾能力，但是反沖洗對剝離膜表面所沉積質的能有有限，所以，超濾膜還需要定期對膜進行化學清洗[4]?；瘜W清洗先使用酸性藥劑清洗，在使用堿性藥劑清洗，通過化學藥劑清洗可以快速清除膜表面的垢、油、化學藥劑等符合污染物，一般清洗后的通量基本能達到初始通量。一般情況下清洗周期為24 h，在冬季和海上水質較差的情況下視產水下降情況縮短清洗周期。

無機超濾同樣采用了3 組設計，每組的產水量可達30 m3，最多兩組即可滿足下游鍋爐用水需求。

由于超濾膜對溫度敏感，若進水溫度高于50 ℃，表面更容易發生結垢，在化學藥劑清洗時注意控制溫度，酸洗最佳溫度為40 ℃，堿洗溫度則不高于40 ℃。除了溫度，無論是化學藥劑清洗還是正常過濾，一定要對膜內外的空氣進行充分的排放，確保排放完全，再啟動超濾的循環泵。

3 脫鹽系統

脫鹽系統由三級反滲透膜和EDI 組成，由于海水預處理主要是過濾水中的雜質，反滲透膜(RO膜)原水水中的含鹽量較高，需要多級過濾才能有效的降低含鹽量。RO 膜一級膜為海水膜，耐壓能力強，一級RO 膜采用了并聯的多組濾器組合方式，這種組合方式可以做到最大量的處理來水，有效的對超濾產水進行初次脫鹽處理，可以大幅降低水中的含鹽量，一級膜出口水質中TDS 可低于1 500 mg/L，一級RO 膜的出水率為50%～60%。

圖1 一級RO 組合方式示意圖

二級RO 膜和三級RO 膜為淡水膜，二級、三級RO 膜采用了兩組并聯后和一組串聯的方式進行脫鹽處理，這樣處理前兩組的濃水在經過之后串聯的第三組過濾，可以進一步的降低水含鹽量，在實際應用中二級RO 膜的出口TDS 可低于50 mg/L，三級RO 膜的出口TDS 可低于10 mg/L。平臺的三級RO 膜分為兩大組，視下游注熱單/雙井注熱時使用。

EDI(Electrodeionization)中文全稱“連續電去離子技術”，是將兩種已經成熟的水凈化技術—電滲析和離子交換的結合，EDI 工藝原理是：在電場的作用下，通過導電物質將離子化物質從產水中遷移出去，以達到生產高純水的過程[5]。

圖2 二級/三級RO 組合方式示意圖

EDI 可以將反滲透膜的水進一步的凈化，EDI 出口測電導率低于0.1 μs/cm，此時的水質的純度已經高于日常飲用水的純度。

脫鹽系統還設計的濃水產品的回收再利用，回流目標則是上級處理的入口水罐，一級RO 膜的濃水直接排海，二級RO 膜的濃水回流至RO 膜的入口水罐，三級RO 膜的濃水回流至二級膜的入口水罐，EDI 的濃水回流至三級RO 膜的入口水罐。這樣在海水脫鹽工藝中的水損耗就在RO 膜一級處理中。

4 除氧系統

目前常見的除氧方式有熱力除氧、真空除氧、膜除氧和化學除氧，期中熱力除氧特別適合鍋爐用水除氧。熱力除氧罐通過蒸汽來加熱給水，在水的溫度提高后，對應的飽和蒸汽壓也會上漲，現場應用中將水溫提高至158 ℃，除氧罐內的壓力為480 kPa，隨著水面上蒸汽的分壓力在不斷的增加，會造成溶解氣體的分壓力逐漸的降低，此時那些溶解于水中的氣體就不斷逸出[6]。平臺使用的是無頭鼓泡熱力除氧器，蒸汽從罐底部一排蒸汽出口噴出，一方面大量的蒸汽噴嘴可以盡可能的增加蒸汽和水的接觸面積，達到迅速提溫的效果，另一方面，由于蒸汽從底部噴出也使得除氧器內部呈現泡騰狀態，保障水中的氧氣能被迅速分離并且隨蒸汽帶出水面的同時不易發生二次溶氧，之后游離逸出氧氣隨著水蒸氣被排除罐外。

圖3 脫鹽系統濃水回收示意圖

5 海水淡化設備在海上稠油熱采平臺的應用優化

在實際應用過程中，出現了冬季在注熱啟動前，因蒸汽還未能夠給熱力除氧提溫，導致進入海水淡化系統的水水溫低，造成下游處理設備的處理效率下降。

為了解決冬季啟爐初期海水淡化系統的高效運行，平臺通過對平臺水源井(75 ℃) 摻水提溫的方式對海水淡化系統進行提溫，在實際應用中約5～6 m3水源井高溫水和50 m3冬季低溫海水混合后一同進入海水沉降罐。一方面海水可以充分稀釋水源井礦物質濃度，另一方適合的溫度使得海水淡化設備具備高效的處理能力。在熱力除氧投用后，及時斷開水源井摻水流程，使用熱力除氧-海水換熱器進行提溫。

6 結語

(1)通過預處理工藝-脫鹽工藝-脫氧工藝完全能夠獲得足量符合注熱蒸汽要求的合格給水水質。

(2) 在脫鹽工藝中，采用了濃水回收工藝，回收濃水需要在返回兩級處理設備之前，增加水源的利用率，提高了出水率。

(3)熱量的有效利用，通過蒸汽完成熱力除氧的脫氧工藝，熱力除氧的高溫水再對海水淡化系統進行升溫，保障了冬季流程運行的穩定性。

(4)海水淡化系統在海上平臺應用期間，設備運行穩定，能夠解決海上蒸汽注熱用水需要，對于后續的熱采平臺具有借鑒意義。