王 婧，丁 偉，王 鵬，田 軍，常 青，林坤華

(1.長(zhǎng)慶油田公司 第八采油廠地質(zhì)研究所，陜西 西安 718699； 2.長(zhǎng)慶油田分公司 第七采油廠，甘肅 慶陽(yáng) 745708； 3.西安慶港潔能科技有限公司，陜西 西安 710075； 4.長(zhǎng)慶采油一廠伴生氣第一項(xiàng)目部，陜西 延安 716009； 5.成都蘇坤環(huán)?？萍加邢薰?，四川 成都 611534)

敞開(kāi)式系統(tǒng)的循環(huán)水不斷蒸發(fā)使水中固形物、鈣、鎂離子等濃度逐漸增加，并容易滋生細(xì)菌和藻類，造成水質(zhì)惡化，換熱設(shè)備結(jié)垢和腐蝕傾向明顯，影響換熱設(shè)備的換熱效果，縮短設(shè)備使用壽命并影響生產(chǎn)過(guò)程安全性及平穩(wěn)性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，煉廠水冷器80%以上的腐蝕是由水側(cè)造成的。為了維持水質(zhì)、減少水中結(jié)垢物。通常采取加藥和排污的措施。當(dāng)濃縮倍率為3.0倍時(shí)，大約 0.6%的循環(huán)水會(huì)作為污水被排放，高排污量也增加了系統(tǒng)耗水量及污水處理費(fèi)用[1]。

閉式系統(tǒng)用除鹽水作為熱媒載體，水質(zhì)優(yōu)異，有效減緩了換熱設(shè)備的結(jié)垢和腐蝕，提高了換熱設(shè)備傳熱效率和使用周期，降低了設(shè)備的檢維修費(fèi)用，保證了生產(chǎn)的穩(wěn)定性。采用干濕復(fù)合式閉式冷卻塔時(shí)，冬季氣溫在0 ℃以下時(shí)，停止使用外循環(huán)水，通過(guò)風(fēng)機(jī)引流，用自然界的冷源將換熱管內(nèi)的軟水冷卻；當(dāng)夏季溫度較高時(shí)，使用外循環(huán)噴淋水系統(tǒng)，用水蒸發(fā)來(lái)帶走熱量，達(dá)到降溫目的。和傳統(tǒng)方式相比，節(jié)水效率可達(dá) 50%以上[2-3]，節(jié)省了用水量和污水處理費(fèi)用。另外，閉式系統(tǒng)噴淋水的持液量遠(yuǎn)小于開(kāi)式系統(tǒng)循環(huán)水的持液量，在維持相同水質(zhì)的條件下，水處理的藥劑費(fèi)用僅為原來(lái)的20%～30%，有利于降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本[3-5]。

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于閉式冷卻塔噴淋系統(tǒng)的保有水量較小，僅為噴淋水循環(huán)水量1/15，從而導(dǎo)致噴淋循環(huán)水系統(tǒng)濃縮速度較快。采用干濕復(fù)合閉式冷卻塔，噴淋系統(tǒng)補(bǔ)水為深井水，鹽含量、硬度、堿度及硫酸根含量較高。夏季運(yùn)行時(shí)，噴淋循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行24 h濃縮倍數(shù)可達(dá)10倍以上，最終導(dǎo)致噴淋循環(huán)水水質(zhì)惡化，填料及換熱盤管結(jié)垢嚴(yán)重，導(dǎo)致內(nèi)循環(huán)水溫差達(dá)下降，影響換熱效率，對(duì)生產(chǎn)裝置的長(zhǎng)周期安全平穩(wěn)運(yùn)行帶來(lái)了不利影響。

本文針對(duì)閉式冷卻塔噴淋循環(huán)水結(jié)垢的問(wèn)題，分別從噴淋循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)水水質(zhì)、水質(zhì)穩(wěn)定判斷、水質(zhì)穩(wěn)定處理劑選型、水質(zhì)穩(wěn)定處理、噴淋水水質(zhì)運(yùn)行管理、定期清理填料水垢等入手，從根本上解決噴淋循環(huán)水系統(tǒng)結(jié)垢的問(wèn)題。

1 循環(huán)水系統(tǒng)概況

采用密閉式循環(huán)水系統(tǒng)，循環(huán)水介質(zhì)為除鹽水，系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力0.8 MPa，運(yùn)行壓力0.6 MPa，循環(huán)水量6 404.6 m3/h，設(shè)計(jì)規(guī)模7 800 m3/h，系統(tǒng)容積為1 600 m3。循環(huán)水系統(tǒng)由除鹽水裝置、干濕復(fù)合閉式冷卻塔、隔膜式氣壓罐、籃式過(guò)濾器、循環(huán)水泵組成，向工藝裝置區(qū)水冷器、壓縮機(jī)電機(jī)及變頻器、空氮站空壓機(jī)、供熱系統(tǒng)熱媒循環(huán)泵和蒸汽冷凝器等提供循環(huán)冷卻水，以達(dá)到對(duì)換熱介質(zhì)進(jìn)行降溫的目的[4]。閉式循環(huán)水系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 閉式循環(huán)水系統(tǒng)流程Fig.1 Flow chart of closed circulating water system

循環(huán)水系統(tǒng)回水通過(guò)閉式冷卻塔冷卻，出水經(jīng)循環(huán)泵加壓后循環(huán)使用，系統(tǒng)采用隔膜式氣壓罐穩(wěn)定系統(tǒng)壓力，并在管線上設(shè)有電動(dòng)閥(與循環(huán)泵入口壓變連鎖，超壓自動(dòng)打開(kāi)泄壓)等措施保證系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

2 循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

閉式冷卻塔設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，其中內(nèi)循環(huán)補(bǔ)水為軟水，噴淋循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)水為深井水。

表1 閉式冷卻塔設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of closed cooling tower

3 補(bǔ)水水質(zhì)數(shù)據(jù)

深井水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 深井水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)Tab.2 Analysis data of deep well water

由表2分析數(shù)據(jù)可以看出，不同深水井水質(zhì)差別較大，其中2021年7月深井水水質(zhì)明顯比2020年11月要好，主要體現(xiàn)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(zhǔn)確地計(jì)算補(bǔ)水水質(zhì)的穩(wěn)定指數(shù)，將2次取樣的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了平均。

4 補(bǔ)水穩(wěn)定指數(shù)

循環(huán)冷卻水投入運(yùn)行后，要進(jìn)行結(jié)垢腐蝕性判斷。通常采用碳酸鈣飽和指數(shù)(LSI)及穩(wěn)定指數(shù)(RSI)來(lái)判斷。在循環(huán)水運(yùn)行中，飽和指數(shù)只能說(shuō)明一種傾向，是一個(gè)定性趨勢(shì)故存在較大的局限性。穩(wěn)定指數(shù)是在飽和指數(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的指數(shù)，計(jì)算方法根據(jù)化學(xué)分析測(cè)出循環(huán)水系統(tǒng)中，鈣硬度、堿度、pH值、固形物以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際溫度來(lái)計(jì)算。許多水處理工作者仍采用它作為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的一個(gè)控制指標(biāo)[6-7]。

水質(zhì)穩(wěn)定性判斷計(jì)算見(jiàn)表3。

表3 不同濃縮倍數(shù)下的RSI穩(wěn)定指數(shù)Tab.3 RSI stability index under different concentration ratios

由表3可知，當(dāng)濃縮倍數(shù)達(dá)到了3倍以后，循環(huán)水為嚴(yán)重結(jié)垢水質(zhì)，隨著濃縮倍數(shù)的提高，結(jié)垢趨勢(shì)更為明顯。但RSI指數(shù)并不能反映出硫酸鈣的結(jié)垢趨勢(shì)，一般情況下投加水質(zhì)穩(wěn)定處理劑后，循環(huán)水中硫酸鈣的LSI指數(shù)可達(dá)3.0，由此可以計(jì)算出循環(huán)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(jì)算出硫酸鈣結(jié)垢可控的情況下，噴淋循環(huán)水系統(tǒng)的極限濃縮倍數(shù)約為10倍。因此，建議噴淋循環(huán)水電導(dǎo)率控制在10 000 μs/cm以下，通過(guò)投加緩蝕阻垢劑可以有效抑制硫酸鈣的形成。

5 結(jié)垢機(jī)理分析

《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50050—2017)，要求循環(huán)水Ca2++堿度小于1 100 mg/L(以CaCO3計(jì))[7]，但根據(jù)同類型閉式冷卻塔的運(yùn)行情況及，在投加緩蝕阻垢劑，進(jìn)行水質(zhì)穩(wěn)定處理后，循環(huán)水鈣離子濃度為4 400 mg/L，堿度為650 mg/L，Ca2++堿度高達(dá)5 000 mg/L的水質(zhì)條件下，并未出現(xiàn)明顯碳酸鈣沉積結(jié)垢的問(wèn)題，這與理論計(jì)算相差較大。

6 噴淋循環(huán)水濃縮速度

運(yùn)行不同時(shí)間的噴淋循環(huán)水系統(tǒng)水質(zhì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 不同運(yùn)行時(shí)間的噴淋循環(huán)水水質(zhì)數(shù)據(jù)Tab.4 Water quality data of spray circulating water with different running time

由表4水質(zhì)數(shù)據(jù)可以看出，不同塔隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，循環(huán)水濃縮倍數(shù)也隨之增加。運(yùn)行1 d，濃縮倍數(shù)高達(dá)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(huán)水中硫酸鈣的LSI指數(shù)已經(jīng)達(dá)到了2.2，說(shuō)明投加緩蝕阻垢劑對(duì)抑制硫酸鈣垢的生成作用明顯。運(yùn)行了2 d，濃縮倍數(shù)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(shuō)明循環(huán)水達(dá)到濃縮倍數(shù)極限以后，循環(huán)水中硫酸鈣和碳酸鈣已經(jīng)達(dá)到了飽和，繼續(xù)濃縮硫酸鈣和碳酸鈣將以晶體的形式析出沉積，從而產(chǎn)生水垢，加入阻垢劑可以改變水垢的結(jié)晶過(guò)程，使其產(chǎn)生畸變，不易在換熱列管上沉積。

7 水質(zhì)穩(wěn)定處理劑選型

通過(guò)上述分析可以看出，噴淋循環(huán)水運(yùn)行1 d后濃縮倍數(shù)已經(jīng)達(dá)到了10倍，濃縮較快，運(yùn)行2 d后濃縮倍數(shù)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(wěn)定，說(shuō)明濃縮到10倍后已經(jīng)達(dá)到了目前補(bǔ)水水質(zhì)條件下的極限，繼續(xù)濃縮結(jié)垢趨勢(shì)明顯，系統(tǒng)結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)較大。因此，水質(zhì)穩(wěn)定劑篩選參照上述水質(zhì)極限條件進(jìn)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(guò)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(cè)試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)為《水處理劑阻垢性能的測(cè)定碳酸鈣沉積法》(GB/T 16632—2008)，試驗(yàn)用水模擬上述水質(zhì)條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室配水，試驗(yàn)溫度40 ℃，時(shí)間10 h。參照補(bǔ)水水質(zhì)條件，濃縮10倍后，配水水質(zhì)：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(shí)，碳酸鈣阻垢率波動(dòng)變化較小，阻垢率均在94%以上。當(dāng)鈣離子超過(guò)4 000 mg/L以后，碳酸鈣阻垢率開(kāi)始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，鈣離子5 000 mg/L時(shí)，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(huán)水水質(zhì)管理

通過(guò)上述分析可知，在現(xiàn)有補(bǔ)水水質(zhì)及運(yùn)行工況條件下，噴淋循環(huán)水系統(tǒng)濃縮倍數(shù)不宜超過(guò)10倍，為了確保系統(tǒng)長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行，將濃縮倍數(shù)控制在8倍左右較為合理，同時(shí)投加成都蘇坤環(huán)?？萍加邢薰咎峁┑木徫g阻垢劑SK-603。噴淋循環(huán)水日常分析項(xiàng)目及控制指標(biāo)見(jiàn)表5。

9 填料水垢清理

按照上述控制加強(qiáng)了對(duì)閉式冷卻塔噴淋循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行管理，但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，填料結(jié)垢的問(wèn)題并未得到有效的解決，填料結(jié)垢情況如圖4所示。

圖4 噴淋循環(huán)水系統(tǒng)填料結(jié)垢情況Fig.4 Fouling of filler in spray circulating water system

現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，填料內(nèi)部幾乎沒(méi)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(jiān)持加藥操作和排污換水，所以不易形成新垢；②料表面為進(jìn)風(fēng)口，風(fēng)機(jī)的吸力作用，降低水流速度，部分區(qū)域的噴淋水直接完全蒸發(fā)，水中的鹽分停留在了填料上，從而產(chǎn)生了水垢；③填料上形成水垢后，進(jìn)風(fēng)通道容易產(chǎn)生偏流，將會(huì)加速填料結(jié)垢的速度。填料結(jié)垢影響閉式冷卻塔進(jìn)風(fēng)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(jié)垢需要及時(shí)清理。根據(jù)填料上水垢的形成速度，采用高壓射流水進(jìn)行清洗，清洗周期為10～15 d清理1次。

10 效果評(píng)價(jià)

噴淋循環(huán)水水質(zhì)管理方案實(shí)施后，噴淋循環(huán)水水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn)，2021年7月，噴淋循環(huán)水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

2020年11月取樣，水質(zhì)分析噴淋循環(huán)水電導(dǎo)率為34 900 μs/cm；2021年5月取樣，噴淋循環(huán)水電導(dǎo)率為17 600 μs/cm；2021年7月取樣，噴淋循環(huán)水電導(dǎo)率為8 790 μs/cm，濃縮倍數(shù)從30.0倍降到了8.0倍，噴淋循環(huán)水結(jié)垢的趨勢(shì)得到了有效的控制，換熱管束較為干凈。水質(zhì)穩(wěn)定處理后換熱盤管結(jié)垢情況如圖5所示。

11 結(jié)語(yǔ)

循環(huán)水Ca2++堿度為從3 820 mg/L降至1 773 mg/L，碳酸鈣結(jié)垢得到了有效的控制。硫酸鈣的LSI指數(shù)從3.8降到了2.3，硫酸鈣結(jié)垢的趨勢(shì)得到了有效控制。循環(huán)水總鐵為0.037 mg/L，遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的小于2.0mg/L，即通過(guò)有效的水質(zhì)穩(wěn)定處理，噴淋循環(huán)水系統(tǒng)結(jié)垢和腐蝕的趨勢(shì)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(huán)水系統(tǒng)的長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行創(chuàng)造了有利的條件。

表6 2021年7月噴淋循環(huán)水系統(tǒng)水質(zhì)分析數(shù)據(jù)Tab.6 Water quality analysis data of spray circulating water system in July 2021

圖5 水質(zhì)穩(wěn)定處理后換熱盤管結(jié)垢情況Fig.5 Scale formation of heat exchanger coil after stable water treatment