吳凱鋒，曾樹兵，李黎霞，張巍偉，趙辰

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

加拿大油砂資源豐富，市場規(guī)模巨大，且其中分散著總儲量約1億桶的邊際油田（“甜點”），這些甜點儲量及開采年限低，開采經(jīng)濟性差，在加拿大市場中難以得到有效的開發(fā)。隨著油砂開發(fā)進程的推進，在油砂開發(fā)的SAGD含油污水處理工藝中，一項新技術(shù)已經(jīng)逐漸在許多重油開采中得到推廣應(yīng)用。這項技術(shù)就是將石灰軟化（WLS）+過濾（Filtration）+弱酸離子交換（WAC）的重油開采污水處理傳統(tǒng)工藝轉(zhuǎn)變?yōu)榻的ふ舭l(fā)壓縮（MVC）技術(shù)的新工藝[1]。

受限于油砂開發(fā)成本及開發(fā)環(huán)境的影響，降膜蒸發(fā)器在油砂開發(fā)中的使用還很受限。目前在加拿大油砂SAGD開發(fā)中應(yīng)用中的降膜蒸發(fā)器均是由國外公司（法國Veolia、美國GE、Aquatech、以色列IDE等等）提供的[2]，國產(chǎn)的降膜蒸發(fā)器尚未得到其認可和應(yīng)用。

本文介紹的降膜蒸發(fā)系統(tǒng)，將主要針對某加拿大邊際油田的油砂開發(fā)項目擬設(shè)計的小型油砂中心處理設(shè)施，通過優(yōu)化工藝流程設(shè)計一套降膜蒸發(fā)器裝置工藝，并通過國產(chǎn)樣機實驗驗證其可行性。

1 降膜蒸發(fā)器簡介

降膜蒸發(fā)器是一種高效的蒸發(fā)設(shè)備，具有溫差小、滯留時間短、工作壽命長、結(jié)構(gòu)緊湊、效數(shù)不受限制等優(yōu)點。用來將經(jīng)過除油處理的地下產(chǎn)出水進行處理，去除水中的溶解性固體和其他雜質(zhì)，最終產(chǎn)出的蒸餾水達到鍋爐給水的要求。

降膜蒸發(fā)系統(tǒng)的性能示意圖如圖1。降膜蒸發(fā)器進口為經(jīng)過上游除油處理的含油污水，其產(chǎn)出的蒸餾水用于鍋爐給水，產(chǎn)生的蒸汽重新注入地下，用于油砂開采，并最終以油水混合的形式返回到地面，其排出的濃鹽水將會送給第三方進行進一步的處理。

圖1 降膜蒸發(fā)器性能示意圖

2 針對加拿大某項目的降膜蒸發(fā)器主要設(shè)計工藝原理

根據(jù)加拿大某項目要求，滿足其小型化處理廠處理要求，考慮國內(nèi)運輸?shù)郊幽么?，需滿足運輸尺寸限制，設(shè)計了一套雙效MVR（蒸汽機械再壓縮）豎管降膜蒸發(fā)系統(tǒng)，原理示意圖見圖2：

圖2 降膜蒸發(fā)器原理示意圖

主要工藝流程說明：除油污水在經(jīng)過脫氣塔后進入1效蒸發(fā)器，蒸發(fā)的蒸餾水輸出，1效二次蒸汽進入2效蒸發(fā)器進行加熱，其余污水進入2效蒸發(fā)器進行二次蒸發(fā)，蒸發(fā)的蒸餾水輸出，2效二次蒸汽經(jīng)過MVR壓縮機壓縮后輸入1效蒸發(fā)器進行利用，蒸發(fā)后的濃鹽水外排儲存，進行后續(xù)處理。

圖3 降膜蒸發(fā)器3D模型圖

3 國產(chǎn)化降膜蒸發(fā)器加拿大應(yīng)用主要技術(shù)要求

國產(chǎn)降膜蒸發(fā)器的設(shè)計、材料、制造以及所有的設(shè)備、系統(tǒng)檢驗等環(huán)節(jié)只有都滿足相關(guān)加拿大工業(yè)標準、安全規(guī)則和CSA B51要求，才能正常在加拿大油砂項目中運行使用[3]。主要關(guān)注點：

1）降膜蒸發(fā)器中所有壓力部件需要能夠在ABSA（Alberta Boilers Safety Association）注冊，并獲得相應(yīng)的CRN（Canadian Registration Number）碼；

2）特別是壓力容器和換熱器應(yīng)按照ASME Sec Ⅷ Div1標準設(shè)計，圖紙設(shè)計完成后需要有加拿大注冊資質(zhì)的工程師進行預審和簽字蓋章；

3）所有需要ASME蓋章的設(shè)備必須在National Board Boiler注冊。壓力容器必須被National Board Boiler認可的檢查員進行檢查，且應(yīng)能夠在ABSA注冊。

4）所有使用的電氣設(shè)備必須帶有被加拿大標準委員會（Standard Council of Canada）認可的相關(guān)組織頒發(fā)的證書或檢測標識。

本文主要針對設(shè)計涉及壓力容器和電氣設(shè)備的降膜蒸發(fā)器，若有詳細需求，則需詳細查詢其他相關(guān)工作標準。

4 降膜蒸發(fā)器原理樣機實驗驗證

為驗證優(yōu)化設(shè)計的降膜蒸發(fā)器對稠油含油污水處理的可行性，我們專門選擇國產(chǎn)廠家試制降膜蒸發(fā)器原理樣機，見圖5，驗證其系統(tǒng)性能及系統(tǒng)處理后的出水是否達到設(shè)計指標要求。

圖4 預實驗結(jié)垢情況

圖5 試制原理樣機圖

在正式實驗之前，使用配置鹽水進行了一次系統(tǒng)運行預實驗。通過預實驗發(fā)現(xiàn)樣機系統(tǒng)設(shè)計濃縮性能達到要求（濃縮30倍），同時在試驗后，發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)有結(jié)垢產(chǎn)生。

為使實驗用廢水更貼合實際油砂開發(fā)產(chǎn)生的含油污水工況，專門購置了某油田產(chǎn)出的含油污水，對含油污水成分進行化驗，經(jīng)加水稀釋，再在稀釋水中添加SiO2,Ca2+,Mg2+，NaCL等離子成分，使實驗用水貼合樣機系統(tǒng)設(shè)計進水的水質(zhì)要求。配置調(diào)整后進行實驗驗證，同時在配置水中加入阻垢劑、消泡劑、堿液等，調(diào)整期PH值，預防結(jié)垢的生成，如圖6。

圖6 配置完成后含油污水

根據(jù)設(shè)計，驗證此工藝的可行性，其實驗出蒸餾水的關(guān)鍵控制指標如下表1：

表1 關(guān)鍵指標

樣機試驗運行約50小時，根據(jù)現(xiàn)場流量計觀測，含油污水濃縮倍數(shù)超過30倍，樣機運行實時監(jiān)測界面如圖7：

圖7 監(jiān)測顯示界面

實驗過程中，間隔一定時間，對蒸餾水進行取樣，并將水樣交由專門檢測機構(gòu)協(xié)助進行水質(zhì)分析，從而驗證樣機處理性能是否符合要求。

圖8 現(xiàn)場取樣檢監(jiān)測

檢測機構(gòu)對水樣檢測結(jié)果如下表2：

檢測結(jié)果水樣編號礦化度TDS，mg/L懸浮物含量，mg/L 油含量，mg/L實驗指標 ≤18 ≤1 ≤1水樣1 4.86 0 0水樣2 5.13 0 0水樣3 6.21 0 0水樣4 3.77 0 0水樣5 6.07 0 1水樣6 4.95 0 0水樣7 3.8 0 0水樣8 4.21 0 0水樣9 6.52 0 0水樣10 4.73 0 0水樣11 6.01 0 0水樣12 4.38 0 0水樣13 6.19 1 1

實驗結(jié)果分析：

1）蒸發(fā)器出水TDS與測試時間對應(yīng)關(guān)系

從以上趨勢圖可知，整個測試周期中，冷凝水TDS基本維持在3-7之間，呈周期波動狀，經(jīng)分析主要是因為蒸發(fā)器液位波動導致蒸發(fā)時汽液分離空間變化，從而導致冷凝水TDS有所波動，但此波動范圍完全滿足出水TDS＜18mg/L的實驗?zāi)繕艘螅瑢嶒灲Y(jié)果仍符合指標要求。

2）蒸發(fā)器出水懸浮物含量

根據(jù)蒸發(fā)器出水化驗結(jié)果，蒸發(fā)器出水中的懸浮物大部分為0，有1個水樣為1mg/L,且都滿足出水懸浮物≤1mg/L的實驗?zāi)繕艘?，實驗結(jié)果完全符合要求。

3）蒸發(fā)器出水油含量

根據(jù)蒸發(fā)器出水化驗結(jié)果，蒸發(fā)器出水中的油含量大部分為0，有2個水樣為1mg/L, 且都滿足出水油含量≤1mg/L的實驗?zāi)繕艘?，實驗結(jié)果完全符合要求。

停止實驗后，設(shè)備用清水清洗完成，觀察蒸發(fā)器內(nèi)部，發(fā)現(xiàn)在液體沖刷面金屬壁比較干凈，液體滯留區(qū)出現(xiàn)了一些結(jié)垢，結(jié)垢情況較預運行試驗有了明顯的改善。總體結(jié)垢情況在可接受范圍，選用的阻垢方法也起到了明顯的效果。

綜上所述，設(shè)計的降膜蒸發(fā)器樣機的處理效果達到了對含油污水處理再利用的設(shè)計要求，同時也通過原理樣機實驗證明了國產(chǎn)降膜蒸發(fā)器應(yīng)用于油砂開發(fā)含油污水的技術(shù)性能可行性。

后續(xù)將根據(jù)研究進展，進一步考慮現(xiàn)場驗證的工作計劃，同時要想將國產(chǎn)降膜蒸發(fā)器應(yīng)用于加拿大油砂開發(fā)，則需要進一步深入探討其在加拿大的認證和注冊等工作要求。

5 降膜蒸發(fā)器在油砂開發(fā)中的應(yīng)用前景

基于目前油砂開發(fā)的成本居高不下的窘境，以及加拿大油砂儲量高，但油砂“甜點”分散的現(xiàn)狀。怎樣能夠設(shè)計開發(fā)一套國產(chǎn)化、可移動、可多次利用、且建造成本合理的油砂開采處理設(shè)施將是一種受到關(guān)注的視角。降膜蒸發(fā)器作為油砂開采過程中的重要設(shè)備之一，其國產(chǎn)化應(yīng)用將會對降低油砂開發(fā)成本起到重要的作用，加拿大某項目的優(yōu)化設(shè)計及國產(chǎn)煙機試制研究為油砂低成本開發(fā)做出了一次開拓性的嘗試。