羅睿喬，郭 偉，向富明，羅秀鵬，周 瑞，梁 寧

中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東 深圳

1.前言

南海東部某天然氣終端處理廠處理來自5 個海上氣田開采的天然氣，通過脫碳、脫水、液烴分餾、凝析油穩(wěn)定等工藝后，產(chǎn)出干氣、丙烷、丁烷、穩(wěn)定輕烴、穩(wěn)定凝析油等產(chǎn)品。該終端廠配置敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)一套，由地上式鋼筋砼循環(huán)水池、冷卻塔、循環(huán)水管道、循環(huán)水泵、纖維球旁濾罐以及必要的水處理檢測等設備組成，系統(tǒng)保有水量約為1500 m3，循環(huán)水量大約2502 m3/h。

該循環(huán)冷卻水系統(tǒng)投入使用之后，水質逐漸惡化，水質綜合達標率從最初的95%下降到40%，循環(huán)水池表面漂浮大量油脂類污物，微生物滋生嚴重，水體濁度高，并散發(fā)惡臭。水質惡化導致?lián)Q熱設備結垢、堵塞、腐蝕，嚴重制約冷卻效果。

當前國內外針對工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水質提升的方法主要有：更換旁濾設備、更換藥劑選型、定期清除池底淤泥等。

本文引入帕累托圖、因素關聯(lián)圖等質量管理常見的分析方法，找到了可能導致循環(huán)水水質不達標的原因，在此基礎之上制定了要因驗證計劃表，并分析水質監(jiān)測資料、冷卻設備拆檢、微生物定性監(jiān)測等手段，找到了誘發(fā)水質惡化的真因，并通過循環(huán)水系統(tǒng)改造、加藥方式調整等措施，有效提升了該終端廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水質綜合達標率。

2.原因分析

根據(jù)工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設計規(guī)范(GB50050-2017)要求，敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)常規(guī)化驗項目主要有pH 值、電導率、濁度、總鐵、異養(yǎng)菌總數(shù)、氯離子等[1]，為了分析導致該終端處理廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水質惡化的原因，我們選取了以上監(jiān)測指標中最重要的四項：總鐵、濁度、pH、異養(yǎng)菌總數(shù)進行跟蹤分析。

2.1.循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水質不達標問題調查

該天然氣終端廠循環(huán)冷卻水質發(fā)生惡化之后，我們將所有指標的化驗頻次都提升到1 次/天[2]，通過跟蹤一個月的化驗數(shù)據(jù)，制定了循環(huán)冷卻水水質不達標問題調查表(如表1 所示)，并繪制了帕累托圖(如圖1)。

Table 1.Questionnaire on the non-compliance of circulating water quality表1.循環(huán)水水質不達標問題調查表

Figure 1.Pareto diagram of low comprehensive water quality compliance rate of circulating cooling water system圖1.循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水質綜合達標率低帕累托圖

從帕累托圖可以看出，導致該終端處理廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水質綜合達標率低的主要問題是造成循環(huán)水水質達標率低的主要問題是濁度高、總鐵高。

2.2.循環(huán)冷卻水綜合達標率關聯(lián)因素

針對現(xiàn)狀調查找出的導致循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水質綜合達標率低的兩個主要問題，經(jīng)過多次討論分析，繪制了導致濁度高、總鐵高的因素關聯(lián)圖，如圖2 所示。

從圖2 可以看出，能夠導致循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水質綜合達標率低的末端因素有循環(huán)水泵設計缺陷、循環(huán)水池結構有缺陷、池底淤泥堆積、循環(huán)水池建造材料選擇當、循環(huán)冷卻水旁濾器設計缺陷、循環(huán)水污水超出污水系統(tǒng)處理能力、藥劑選型不適用、加藥方式不適用等8 項內容[3]。

Figure 2.Correlation diagram of water quality compliance rate factors of circulating cooling water system圖2.循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水質達標率底因素關聯(lián)圖

為了從上述8 項末端因素中找出導致循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水質綜合達標率低的要因，我們制定了要因驗證表(如表2)，并在現(xiàn)場進行了要因驗證。通過驗證得出，導致循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水質綜合達標率低的主要因素有兩個：一、循環(huán)水池結構有缺陷；二、循環(huán)水加藥方式不適用。

Table 2.Principal verification form表2.要因驗證表

2.2.1.循環(huán)水池結構有缺陷導致水質綜合達標率低

通過查閱設計資料，發(fā)現(xiàn)循環(huán)水池集水池和吸水池之間的連通口(規(guī)格為1000 mm × 1000 mm)靠近水池的東側，經(jīng)冷卻塔冷卻之后的循環(huán)水大部分從連通口直接進入吸水池東側的泵吸入口，導致集水池、吸水池西側大部分循環(huán)水處于不流動狀態(tài)，長時間沒有新鮮水置換，可能形成欠流動區(qū)、死水區(qū)(見圖3) [4]。

Figure 3.Schematic diagram of structural defects of circulating pool圖3.循環(huán)水池結構缺陷示意圖

死水區(qū)的水體基本不流動，沒有新鮮水補充置換，會導致以下問題：

1) 淤泥沉積：由于水體不流動，進入該區(qū)域的懸浮物、固體顆粒等在重力作用下緩慢沉積下來，形成淤泥層；

2) 微生物繁殖：淤泥沉積后形成溫床，微生物大量繁殖；

3) 循環(huán)水質惡化：由于死水區(qū)水體沒有流動，化學藥劑作用不到，微生物繁殖越來越嚴重，大量微生物滋生污染循環(huán)水質；

4) 換熱設備結垢、腐蝕：隨著循環(huán)水水質持續(xù)惡化，循環(huán)水循環(huán)過程中在換熱設備處因通經(jīng)變小，流態(tài)發(fā)生變化，導致細菌、懸浮物等在換熱設備處聚積，導致?lián)Q熱設備結垢，并產(chǎn)生泥下厭氧腐蝕，嚴重影響設備換熱效率，并導致設備腐蝕穿孔。

為了檢測水體流動性的影響，我們實施了以下幾項工作：

1) 在死水區(qū)、欠流動區(qū)水面放置泡沫塊，觀察其移動情況。經(jīng)過小組成員一天的觀察，發(fā)現(xiàn)泡沫基本沒有移動，充分說明死水區(qū)、欠流動區(qū)的假設成立；

2) 用自制的打撈工具對死水區(qū)和欠流動區(qū)的池底進行打撈，發(fā)現(xiàn)池底堆積很厚的淤泥，探測淤泥厚度大約在50 cm 左右；

3) 對吸水池東側流動區(qū)和西側的死水區(qū)水體分別取樣化驗，發(fā)現(xiàn)西側死水區(qū)水體的濁度、細菌水量均大于東側流動區(qū)；

4) 對換熱不佳且存在穿孔的設備進行拆檢，查看換熱設備內部腐蝕狀況，發(fā)現(xiàn)換熱設備內部存在大量污垢，將垢樣送至國家工業(yè)水處理工程技術研究中心使用X 射線熒光儀進行檢測，分析結果見表3 [2]。

從表3 可以看出，換熱器垢樣的主要成分是鐵的腐蝕產(chǎn)物，并含部分Ca 的沉積物，主要成因為微生物代謝之后產(chǎn)生大量粘泥附著于管壁，導致泥下厭氧腐蝕，粘泥嚴重影響設備換熱效率，泥下腐蝕導致設備穿孔。

Table 3.Fluorescence detection and analysis results of scale samples表3.垢樣熒光檢測分析結果

此外，還將循環(huán)水樣送至工業(yè)水處理研究中心進行鐵細菌、硫酸鹽還原菌、異養(yǎng)菌定性檢測。

定性檢測結果如下表4 所示：

Table 4.Bacteria test results in water samples表4.水樣細菌檢測結果

以上分析表明：因循環(huán)水池結構有缺陷，水體流動不暢，導致水體微生物和藻類大量繁殖，而微生物代謝會產(chǎn)生大量有機物，在水體中與膠體顆粒物粘附于管道、設備及填料上形成生物粘泥，生物粘泥影響了藥劑的殺菌效果，并為細菌進一步繁殖提供了庇護所，并在泥層下形成垢下腐蝕，不僅導致循環(huán)水系統(tǒng)持續(xù)惡化，還嚴重影響設備換熱效率及運行安全[5]。

2.2.2.循環(huán)水加藥方式不適用導致水質綜合達標率低

該終端廠循環(huán)水系統(tǒng)日常運營需加注緩蝕阻垢劑、粘泥剝離劑、氧化殺菌劑、高效分散劑等藥劑。其中氧化殺菌劑、非氧化殺菌劑為塊狀或者粉末狀，主要采用直接投加的方式加注[6][7]。緩蝕阻垢劑、高效分散劑為液態(tài)，設計加注方式為計量泵連續(xù)加注，但是由于計量泵的最小額定流量比加注量還大、加藥罐為碳鋼儲罐易腐蝕，因而，終端采取的是傾倒式加注。

對上述加注方式，我們針對藥劑循環(huán)水中總磷及余氯指標進行了跟蹤檢測，并形成了藥劑濃度趨勢圖4。

從圖中可以看出，總磷濃度和余氯濃度均不達標，且在剛加注時藥劑濃度高，加注之后藥劑濃度很快降低。

Figure 4.Trend chart of total phosphorus concentration and residual chlorine concentration in circulating pool圖4.循環(huán)水池總磷濃度和余氯濃度趨勢圖

3.循環(huán)冷卻水水質不達標對策研究

從前文研究可以得出，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水質綜合達標率低的主要因素有兩個：一、循環(huán)水池結構有缺陷；二、循環(huán)水加藥方式不合理。

3.1.循環(huán)水池結構缺陷對策

針對循環(huán)水池結構缺陷問題，通過在西側冷卻水集水池與泵池之間增加連通口，并在原有連通口和新增連通口處安裝控水閘板，控制水流從集水池西側(欠流動區(qū))進入吸水池西側(死水區(qū))之后，再進入泵的吸入口，建立強制流動，改造示意圖如圖5 所示[8][9][10]。

Figure 5.Schematic diagram of defect modification of circulating pool圖5.循環(huán)水池缺陷改造示意圖

3.2.循環(huán)水加藥方式不合理的改進措施

固體藥劑加注方式調整，主要是通過制作藥劑溶解槽實現(xiàn)，將塊狀或者粉狀固體化學藥劑置于溶解槽中，從循環(huán)水池中或外部引水溶解藥劑，溶解藥劑之后的溶解槽排水直接接入循環(huán)水池，如圖6所示[11][12][13]。

Figure 6.Schematic diagram of solid medicament filling scheme圖6.固體藥劑加注方案示意圖

液態(tài)加藥裝置改造主要利用原有的加藥裝置橇塊，將原來的碳鋼加藥罐更換為塑料加藥桶，并更換加藥泵為小流量計量泵。改造后加藥裝置的控制柜及控制線路依舊沿用原有加藥裝置配置的控制系統(tǒng)。液態(tài)藥劑加藥裝置，更換前后設備信息如表5 所示：

Table 5.Equipment parameter table before and after the reconstruction of the liquid medicine filling device表5.液態(tài)藥劑加注裝置改造前后設備參數(shù)表

4.效果分析

對循環(huán)水池結構進行改造和加藥方式進行調整后，該終端處理廠對整個循環(huán)水系統(tǒng)進行了池底清淤、剝離清洗、鈍化預膜等工作，并重新投用整個循環(huán)水系統(tǒng)。運行穩(wěn)定之后，對運行數(shù)據(jù)進行了分析[14][15]。

加藥裝置改造之后，固態(tài)藥劑溶解充分，液態(tài)藥劑能夠持續(xù)加注，循環(huán)水系統(tǒng)藥劑濃度能夠長時間維持在正常水平(如圖7)，藥效明顯。

除了藥劑濃度能長時間維持在較高水平外，整個循環(huán)水系統(tǒng)運行指標也上維持在正常水平，水質達標率高達99%，見表6。

除了這些日常關注的指標，我們還重點跟蹤了整個循環(huán)水系統(tǒng)的細菌變化情況，經(jīng)過跟蹤觀察，在循環(huán)水系統(tǒng)改造之后系統(tǒng)細菌數(shù)長期維持在1 × 102個以下，遠低于標準要求的1 × 105個。說明循環(huán)水系統(tǒng)細菌數(shù)得到了有效控制，系統(tǒng)水質沒有再次惡化。

Figure 7.Concentration trend graph of the drug after modification of the dosing device圖7.加藥裝置改造后藥劑濃度趨勢圖

Table 6.Index comparison of circulating water cooling water system before and after transformation表6.循環(huán)水冷卻水系統(tǒng)改造前后指標對比

5.結論與認識

因循環(huán)水系統(tǒng)結構缺陷、藥劑加注方式不合理等原因會導致循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水質惡化、水質綜合達標率低，長期帶病運行會導致?lián)Q熱設備結垢、堵塞、腐蝕穿孔等問題，嚴重影響換熱效率，還可能導致工藝介質泄漏進入循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，影響生產(chǎn)安全。

通過帕累托圖和因素關聯(lián)圖，找到了導致循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水質達標率低的要因，并有針對性地進行了改造，提升了循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水質達標率，有效解決了換熱設備換熱效率低的問題，保障了生產(chǎn)安全，為工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)疑難問題處理提供了新思路。