任廣欣 張鵬 侯建平 馬有龍 陳陽 周詩杰

中石化西北油田分公司采油二廠

塔河油田二號聯(lián)合站輕烴站地處新疆維吾爾自治區(qū)庫車縣境內(nèi)，是一座輕烴回收站庫，處理塔河油田高含硫原料氣，回收裝置于2005 年投產(chǎn)運行，經(jīng)多次技術(shù)改造，目前處理量最高可達(dá)27×104m3/d。塔二聯(lián)輕烴回收工藝采用冷凝分餾法，C3+組分在脫丁烷塔高溫分餾，塔頂生產(chǎn)液化氣產(chǎn)品、塔底生產(chǎn)輕烴產(chǎn)品。處理工藝多次采用換熱器（水冷卻器）對高溫原料氣、液化氣、輕烴等介質(zhì)降溫，因此設(shè)有獨立的循環(huán)水[1]流程（圖1）。

圖1 循環(huán)冷卻水流程Fig.1 Circulating cooling water flow

循環(huán)冷卻水是塔二號聯(lián)合站輕烴回收裝置最主要的冷媒，換熱后的循環(huán)水通過匯管進(jìn)入表面蒸發(fā)器冷卻降溫，經(jīng)過敞口循環(huán)水池緩沖后借助循環(huán)水泵增壓將循環(huán)水再次輸送至各換熱器，進(jìn)而實現(xiàn)站內(nèi)冷卻水的循環(huán)使用。目前站內(nèi)共建有表面蒸發(fā)器3 臺，日常1 用2 備；循環(huán)水泵3 臺，日常2 用1備；循環(huán)水池1 個。水換熱器全部采用U 型管式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)循環(huán)水量約為250 m3/h，循環(huán)水系統(tǒng)壓力0.4MPa。

1 存在的問題

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，近年來水換熱器、表面蒸發(fā)器等設(shè)備、管線腐蝕穿孔頻繁。輕烴回收裝置停產(chǎn)檢修期間，清洗換熱器盤管及封頭，可發(fā)現(xiàn)大量的致密水垢附著在換熱器表面上。

1.1 腐蝕穿孔

分析2019 年數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在循環(huán)水的流程中表面蒸發(fā)器盤管腐蝕穿孔18 次，因腐蝕嚴(yán)重?fù)Q熱不足更換表面蒸發(fā)器2 次，循環(huán)水主管線腐蝕穿孔8次，換熱器盤管腐蝕穿孔3 次。

1.2 內(nèi)壁結(jié)垢

輕烴回收裝置檢修期間清洗換熱器，在各水換熱器盤管內(nèi)明顯觀察到2～3 mm 厚的水垢，部分盤管完全堵塞，水垢呈黃褐色；循環(huán)水主管線內(nèi)壁呈深褐色凹凸不平狀水垢，平均厚度約3～5 mm，且循環(huán)水呈褐色，換熱器管壁腐蝕情況見圖2。

圖2 換熱器管壁腐蝕結(jié)垢情況Fig.2 Corrosion and scaling status of heat exchanger tube wall

針對以上問題，通過在檢修過程中對換熱器進(jìn)行清理以達(dá)到維持換熱效果的目的，但是在清理約3 個月后換熱效果明顯下降，介質(zhì)升溫約2～3 ℃，無法從根源解決問題。

設(shè)備管線穿孔、腐蝕、結(jié)垢等問題嚴(yán)重影響了輕烴回收裝置穩(wěn)定運行，且存在較大安全風(fēng)險。據(jù)統(tǒng)計，2019 年因設(shè)備腐蝕、結(jié)垢的治理費用及非計劃異常停機(jī)等成本共計38.95 萬元。

2 腐蝕結(jié)垢原因分析

為排除故障，廣泛查閱文獻(xiàn)資料，高楠[2]等人通過計算飽和指數(shù)(L.S.I.)、穩(wěn)定指數(shù)(R.S.I.)，即利用酸/堿度pH 值及CaCO3飽和pH 值（pHs）的運算表征水質(zhì)特性。因此決定從水質(zhì)分析入手，進(jìn)行水硬度、堿度等參數(shù)全分析，根據(jù)水質(zhì)檢測報告結(jié)果計算飽和指數(shù)、穩(wěn)定指數(shù)，檢查水質(zhì)是否存在腐蝕及結(jié)垢特性。

2.1 水質(zhì)分析

輕烴回收裝置循環(huán)冷卻水來自脫鹽水間，采用過濾法脫除溶解的無機(jī)鹽及固體顆粒[3]，分別對補(bǔ)充水、系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)水取樣化驗。具體過程如下：

（1）飽和指數(shù)和穩(wěn)定指數(shù)計算方法。飽和指數(shù)計算式為

穩(wěn)定指數(shù)計算式為

其中：

式中：A為總?cè)芙夤腆w系數(shù)；B為溫度系數(shù)；C為鈣硬度系數(shù)；D為M-堿度系數(shù)。

（2）水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)。通過對系統(tǒng)循環(huán)冷卻水的監(jiān)測，查表計算出L.S.I.和R.S.I.指數(shù)，判斷水質(zhì)是易結(jié)垢，還是易腐蝕性的。各系數(shù)換算見表1，水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)見表2。

表1 A、B、C、D 系數(shù)換算表（節(jié)選）Tab.1 Conversion of coefficients of A，B，C，and D（Excerpt）

表2 水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)Tab.2 Water quality test data

由此可以判斷循環(huán)水不是易腐蝕、易結(jié)垢水質(zhì)，但可以觀察到水中溶解氧含量較高，需要考慮到這方面因素。

2.2 沉積物分析

為深入分析水垢的成分，確定結(jié)垢及腐蝕原因，對水池沉積物及換熱器內(nèi)結(jié)水垢取樣做沉積物分析[4]。實驗采用掃描電子顯微鏡（SEM）、色散X射線光譜儀（EDS）和X 射線衍射儀（XRD），進(jìn)行產(chǎn)物形貌、成分分析和化合物分析，得出結(jié)論為：沉積物及水垢主要成分為SiO2、Fe2O3。SiO2為沙石的主要成分，F(xiàn)e2O3為鐵銹的主要成分，說明有大量泥沙進(jìn)入系統(tǒng)，造成內(nèi)壁結(jié)垢嚴(yán)重，且由于含氧充足造成管壁上發(fā)生電化學(xué)腐蝕。

綜上所述并查閱文獻(xiàn)[5]，認(rèn)為導(dǎo)致循環(huán)水系統(tǒng)腐蝕、結(jié)垢的原因為：

（1）循環(huán)水池?zé)o法實現(xiàn)完全密閉，導(dǎo)致循環(huán)水長期曝氧，攜冷量降低的同時加快循環(huán)水對換熱器的腐蝕速率。

（2）由于南疆沙塵天氣較多，環(huán)境中的灰塵等雜質(zhì)極易進(jìn)入循環(huán)水池，污染循環(huán)水，導(dǎo)致循環(huán)水管線及換熱器管束結(jié)垢嚴(yán)重，影響換熱效果。

3 改進(jìn)方案

結(jié)合冷卻循環(huán)水系統(tǒng)存在的問題及原因分析，確定了將循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行密閉改造的整體思路，通過增加容積式膨脹罐作為循環(huán)水系統(tǒng)的緩沖罐，實現(xiàn)冷卻水密閉循環(huán)，徹底解決循環(huán)水曝氧及環(huán)境中雜質(zhì)污染循環(huán)水的問題。

通過對氣囊式膨脹罐及容積式膨脹罐的對比分析[6-7]，結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)運行實際，分析認(rèn)為氣囊式膨脹罐在現(xiàn)場應(yīng)用可能存在以下幾方面問題[8-9]：①系統(tǒng)循環(huán)水量達(dá)到250 m3/h，且壓力波動相對較大，氣囊在循環(huán)水不斷充壓、失壓的過程中會造成疲勞失效、破裂；②受重力影響，氣囊與罐內(nèi)法蘭接口處承壓較大，補(bǔ)水時產(chǎn)生撕裂效應(yīng)易致使接口處破裂；③依靠自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)補(bǔ)水，無現(xiàn)場液位計，氣囊失效時無法及時發(fā)現(xiàn)；④氣囊補(bǔ)水能力有限，運行時穩(wěn)定性較差。

最終通過理論計算，確定在現(xiàn)場加裝容積式膨脹罐1 座，其具有以下幾方面優(yōu)點：①實現(xiàn)“系統(tǒng)自動補(bǔ)水、罐內(nèi)自動調(diào)壓”的雙自動控制；②實現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)的密閉穩(wěn)定運行；③實現(xiàn)罐內(nèi)液位直觀顯示（加裝液位計）；④有較強(qiáng)的向系統(tǒng)補(bǔ)水的能力（15 m3）。改造后增加的容積膨脹罐直接使用罐體內(nèi)氣相空間進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，系統(tǒng)內(nèi)壓力可穩(wěn)定保持在0.6 MPa 左右，并進(jìn)行自動補(bǔ)水。改造后的工藝流程如圖3 所示[10]，改造前后水質(zhì)對比見圖4。

圖3 改造后工藝流程Fig.3 Process flow after transformation

圖4 改造前后水質(zhì)對比Fig.4 Comparison of water quality before and after transformation

4 效果評價

該改造項目投產(chǎn)后減少腐蝕穿孔引發(fā)停機(jī)及維護(hù)費用，同時增加裝置輕烴收率，共計產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益71.15 萬元，并具有一定的安全環(huán)保效益。項目實施后，循環(huán)水系統(tǒng)腐蝕、結(jié)垢現(xiàn)象顯著降低，管線內(nèi)水質(zhì)明顯改善，介質(zhì)溫度可長期保持在原有水平。

（1）裝置運行效果提升明顯。運行效果的提升主要表現(xiàn)在以下2 方面：首先，裝置制冷效果有所提升。由于裝置密閉運行，冷卻水?dāng)y冷量明顯提升，低溫分離器進(jìn)口溫度降低約0.5 ℃，進(jìn)入分餾單元的液量明顯提升，日均增加輕烴產(chǎn)量0.1 t，液化氣產(chǎn)量0.3 t，合29.2 萬元/a。其次，設(shè)備運行故障降低；由于水換熱器效果改善，壓縮機(jī)氣閥故障率明顯下降，氣閥更換數(shù)量環(huán)比下降13%，年節(jié)省氣閥更換成本3 萬元。

（2）管線腐蝕現(xiàn)象顯著改善。該項目消除了冷卻水曝氧引起換熱器結(jié)垢、管束腐蝕等問題，減少換熱器異常引起的非計劃停機(jī)，減少資源浪費、節(jié)約搶修成本，年節(jié)約金額達(dá)38.95 萬元。

（3）輕烴產(chǎn)品品質(zhì)保障有力。前期由于輕烴后換熱器管束穿孔，致使2 罐輕烴產(chǎn)品帶水，需回?zé)捄蠓娇赏怃N，直接經(jīng)濟(jì)損失7 萬余元。該工程投用后，輕烴后換熱器尚未發(fā)生穿孔，產(chǎn)品質(zhì)量得到有力保障。

（4）系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力整體提升。相較敞口式循環(huán)水池，密閉式改造在保留了壓力控制穩(wěn)定優(yōu)點的同時，實現(xiàn)了自動補(bǔ)水等功能，系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力整體得到提升。

5 結(jié)束語

本技術(shù)改造在二號聯(lián)輕烴站的成功應(yīng)用，完善了站內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)工藝流程，降低了站內(nèi)相關(guān)管線腐蝕速率，增強(qiáng)了介質(zhì)冷卻效果，保障了站庫的高效、平穩(wěn)運行。

該項目成功應(yīng)用的經(jīng)驗可推廣至其他聯(lián)合站、輕烴站未實現(xiàn)密閉處理的循環(huán)水工藝技術(shù)改造中。