天然气处理工厂循环水系统典型问题分析及改进措施

2020-07-09张炜森

广州化工 2020年12期

张炜森

(中海石油深海开发有限公司，广东深圳 518067)

水的化学性质稳定、比热容大，一般工业生产过程中用水作为冷却介质。因此，循环冷却水系统在石油化工生产中被广泛应用[1]。珠海某天然气处理工厂循环水系统采用的是敞开式冷却系统，在投用一年后，循环水水体浊度、总铁、细菌等指标失去控制，生物粘泥过多，存在堵塞换热器和泥下腐蚀风险。针对该循环水系统典型问题进行分析诊断，并采取一系列措施，收到了较好效果。

1 循环水系统简介

该工厂循环水系统由地上式钢筋砼循环水池、逆流式机械通风冷却塔、循环水泵、循环水管道、旁滤器以及加药装置组成，采用破坏虹吸管的方式，从消防水罐的高液位给循环水池补水。

循环水系统最初水源来自市政供水管网，循环水泵将冷却水增压后输送至各工艺换热器，从各换热器出来的热水则靠余压经冷却塔冷却后进入循环水池以重复使用。纤维球旁滤器可除去循环水中的悬浮物，以保证循环水水质。循环水排污水经泵增压后通过多介质过滤器、活性炭过滤器和超滤去除其杂物，污水最后进入二段反渗透处理装置，其产水回流至循环水池，从而实现循环利用。循环水系统工艺流程及参数如图1、表1所示。

图1 循环水系统工艺流程简图

表1 循环水系统参数

续表1

补充水量m3/h45进塔水温℃40出塔水温℃32排污水量m3/h8旁虑水量m3/h60

2 运行中存在的问题

循环水系统投用12个月后，系统末端换热器换热效率明显降低，拆检换热器后发现换热器封头及管束内有大量的锈镏，锈镏附着力强，用高压水冲洗较困难，且附着有大量生物粘泥，如图2所示。

图2 换热器内附着的生物粘泥及锈镏

通过对循环水质的持续监测，发现循环水水体长期未检测出余氯，且COD值持续较高，浊度超标，总铁有缓慢升高趋势，浓缩倍数长期停留在2.5～3.0倍之间，水体整体污染严重，其染物能够为微生物繁殖提供丰富的有机碳、氮源，加速细菌繁殖，循环水冷却塔填料及设备也粘附大量藻类和粘泥。

3 原因分析

3.1 换热器进水压力偏低

从工厂的循环水换热器用户平面布置来看，主要的换热器用户均集中在循环水系统末端，距离超过2000米，且均布置在高点，循环水管道沿程损失较大，换热器进水压力在0.2 MPa左右，仅达到设计压力的约40%，换热器中循环水流速较低，容易造成腐蚀、结垢，生物粘泥、泥沙等容易沉积在换热器内，并导致换热器效率降低。

3.2 循环水池存在死水区域

循环水回水经冷却塔降温后进入集水池，集水池收集的循环水再进入泵池供循环水泵。由于设计原因，集水池与泵池之间的连通口位置集中在偏东侧的位置，集水池中的循环水通过连通口后直接进入到泵吸入口，导致泵池西侧大部分循环水处于不流动状态，长时间没有新鲜水置换，形成死水区。

由于循环水池存在死水区，水体流动性差，进入该区域的生物粘泥、悬浮物、固体颗粒等在重力作用下缓慢沉积下来，形成淤泥层，且沉积物颗粒大小由东至西逐渐变细，十分有利于微生物的大量繁殖，添加的化学药剂无法有效作用于该区域。

3.3 循环水加药系统存在缺陷

循环水药剂实际加药量较小，原设计药剂添加计量泵流量范围过大，需要将药剂大量人工稀释后才能达到计量泵的最佳流量范围，劳动强度较大，药剂加注准确性、连续性差，药剂加注浓度也不均匀。原有固体药剂投加装置采用简易的塑料框，直接将框放置在冷却塔内，靠喷淋水冲刷溶解药剂，药剂存在分散不均和溶解较差问题。

3.4 换热器可能存在泄漏

循环水系统各换热器工艺介质中有机物种类多，组分复杂，压力等级高。换热器内因菌藻滋生而产生的生物粘泥较多，存在堵塞部分换热器管程和严重的泥下腐蚀，管束穿孔的可能性较大。一旦工艺介质有微量泄漏，泄漏的有机物易形成分子量高的聚合物类物质和生物粘泥混在一起附着在换热器水侧，较难除去，且有利于菌类繁殖[2]。

4 改进措施

4.1 改善换热器循环水流动状态

要提高末端换热器循环水流动速度，最直接的方法就是增加换热器进水压力，提高进出口压差，从而提高循环水流速，增强水体的冲刷、携带能力，降低悬浮物沉降的几率。从根本上解决该问题，需要在循环水主管道上设置管道增压泵或者换型更高扬程的循环水泵。考虑到工厂需要连续生产及投资效益方面的因素，该方案暂未实施，目前主要通过减小或关闭未投用换热器循环水进口阀的方式，保证投用换热器循环水的进口压力及进出口压差，改善循环水流动状态。

4.2 排水清淤及缺陷改造

利用工厂停产检修时间，对循环水系统末端换热器用高压水枪进行冲洗，确保附着的粘泥彻底剥离。并通过压力试验，检查换热器的泄漏情况，对泄漏点进行焊接修复或封堵。

对循环水池排水清淤，清洁冷却塔填料上的藻泥。另外，通过减小集水池直接流通至泵池的流通面积，在循环水池死水区域设置抽水循环泵至泵池的方法，改善循环水池水流状态，减小死水区域。

4.3 改造循环水加药系统

将循环水加药系统原有25 L/h计量泵更换为2.25 L/h小流量计量泵，在药液不需要稀释的情况下就可以使得计量泵在最佳范围内工作，药剂流量调节更精确，连续添加得到保证，同时可以减少操作人员接触化学药剂的频次，从而有效降低化学药剂毒性等对人员造成的职业伤害，减少作业风险的发生。

对固体药剂投加装置进行改造，即加工塑料槽，四周打孔，挂在循环水池中，多点分布，让循环水池中的水能够完全淹没固体药剂，保证溶解后的药剂不挥发，全部溶于水中，并能得到有效分散。

4.4 菌藻杀灭及化学剥离

图3 投加氧化性杀菌剂后细菌灭杀情况对比

考虑到循环水系统菌藻已经处于失控状态，水中余氯指标无法检出。在工厂停产检修对循环水系统进行排水清淤前，首先加注大量粉状氧化性杀菌剂，使循环水余氯指标快速提升至1 mg/L以上，经过约两周氧化性杀菌剂连续加注，循环水系统的菌藻得到有效杀灭，细菌灭杀情况对比如图3所示。

在菌藻杀灭过程中，为了进一步清理水体中藻类、粘泥、沉积物，净化循环水系统，在采用气动隔膜泵不断抽吸循环水池水面脏污物质的同时，通过人工冲击加注粘泥剥离剂进行系统粘泥的剥离，剥离效果如图4所示。

图4 粘投加泥剥离剂后剥离出的系统粘泥

通过氧化性杀菌剂及粘泥剥离剂的加注，循环水余氯指标快速升高，系统菌藻和生物幼虫等得到有效杀灭，循环水系系统内部藻类、粘泥、沉积物已得到有效的清除，循环水质得到明显净化改善。

4.5 对循环水系统进行化学清洗和预膜

4.5.1 化学清洗

化学清洗是为了清除系统冷换设备和管线及冷却塔内的积垢、腐蚀物和泥沙等沉积物，形成一个干净的金属内表面，为预膜处理做好基础准备[3]。首先投加缓蚀剂防止清洗过程中金属的腐蚀，然后加入清洗络合除锈剂对设备表面的浮锈和污垢加以清除。再根据系统状况，投加氧化性杀菌剂提高水体余氯浓度，对系统粘泥和微生物进行强化剥离，保证清洗除锈的效果。

清洗初期水体浊度快速上升，最高达70 NTU，说明循环水系统设备及管道内部有大量杂质被清洗出，排水置换过程中浊度最低降至10 NTU。总铁的变化趋势呈抛物线状，初期快速上升至顶点48 mg/L，随后呈现相对稳定趋势，说明系统中有大量铁锈被络合清除，并达到清洗的终点，排水置换后总铁逐步下降恢复至正常水平。清洗过程中pH值控制在4～6之间，通过加注缓蚀剂控制腐蚀率。

4.5.2 预膜处理

循环水系统预膜的目的是为了能更好地保护设备，降低设备的腐蚀速度，延长设备的使用寿命[4]。清洗结束后，金属自身及金属表面的氧化物均处于活化状态，不断的有铁离子的电位腐蚀在进行，如果不加处理，会导致水体总铁持续升高，催化水体的腐蚀强度。因此需对系统进行预膜处理，通过高浓度的预膜剂钝化金属及其氧化物的化学反应活性，为日后正常运行提供更好的保护作用。

加入预膜剂进行预膜工作，采用挂片实验来检查预膜效果[5]。预膜进行约12小时后观察循环水池中的监测试片，试片清晰可见蓝色光晕。约24小时后已达到预膜要求，之后投加分散剂继续保膜，防止磷酸钙过度沉积。约36 h后，监测试片硫酸铜检验时间为14 s，达到预膜效果，预膜结束，对水体进行排污置换，逐步转入正常运行。

4.6 提高日常操作维护质量

因为冷却塔是微生物的重要繁殖场所，冷却塔在启用两台风机即可满足循环水冷却要求时，需切换停用其中一台风机的上塔水，经充分的曝晒干燥后，冷却塔填料表面的微生物即失去活性脱落。此操作可以很大程度减轻循环水系统中微生物的繁殖和减少生物粘泥量。

氧化性杀菌剂能够快速破坏微生物细胞活性，具有广谱杀灭的作用，需每日加注。余氯监测点宜设置在系统末端设备取样口及循环水池处，多点监测。随着环境温度升高，微生物繁殖能力增强，需增加非氧化性杀菌剂冲击加注频率，防止细菌产生抗药性，同时也对粘泥有很好的抑制剥离作用。加强细菌数的监测频率，不少于每周一次，出现超标的情况应及时采取措施，相应提高杀菌剂使用浓度。还要加强旁滤器的过滤作用，浊度高时采取人工强制反冲洗的措施，或提高反洗频率。循环水水体各项指标控制范围如表2所示。