海上熱采鍋爐給水系統(tǒng)脫鹽工藝的比選與評(píng)估

田 莉，陳 贊，劉宗園，李 陽，王林江，苗世舉，李鴻宇，張樹友

（中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300131）

海上稠油資源豐富，僅渤海地區(qū)已探明必須采用熱采方式開發(fā)的稠油地質(zhì)儲(chǔ)量近6.3×108t，超過渤海儲(chǔ)量一半以上，將稠油儲(chǔ)量變產(chǎn)量是實(shí)現(xiàn)我國海洋石油事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要保障。然而由于稠油高黏度、高凝點(diǎn)、流動(dòng)性差等特點(diǎn)，常規(guī)的開采技術(shù)難以滿足要求，因此開發(fā)海上稠油熱采技術(shù)是必須攻克的難題[1，2]。

相對(duì)于陸地稠油熱采開發(fā)，海上稠油熱采風(fēng)險(xiǎn)高、投資大，采油平臺(tái)空間小、承重能力有限、壽命短，面臨的條件更加惡劣。故熱采鍋爐水處理系統(tǒng)工藝應(yīng)綜合考慮占地、質(zhì)量、處理規(guī)模及效果等多重因素，還要兼顧工程投資和運(yùn)行成本的合理性，確保設(shè)備運(yùn)維管理工作的穩(wěn)定性、可靠性和便捷性。同時(shí)，熱采鍋爐給水的水質(zhì)指標(biāo)要求需遵循《稠油注氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SY0027-2014）標(biāo)準(zhǔn)，尤其對(duì)離子含量、硬度等各項(xiàng)指標(biāo)均要求非常高[3]。常規(guī)而言，熱采鍋爐水處理系統(tǒng)工藝包括預(yù)處理工藝、脫鹽工藝和除氧工藝等[4-9]。

脫鹽工藝作為海上稠油熱采鍋爐給水系統(tǒng)的關(guān)鍵工藝單元，主要去除有機(jī)物、無機(jī)物、離子等，其處理性能對(duì)鍋爐用水水質(zhì)起到關(guān)鍵性作用。海上熱采鍋爐給水的水源通常選用水源井水，針對(duì)這種水源特性對(duì)脫鹽工藝的比選與評(píng)估鮮有報(bào)道。本研究以渤海水源井水為研究對(duì)象，進(jìn)行脫鹽工藝優(yōu)選與經(jīng)濟(jì)評(píng)估，為海上熱采鍋爐水處理系統(tǒng)脫鹽系統(tǒng)的工業(yè)化應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 進(jìn)出水設(shè)計(jì)要求

1.1 進(jìn)水水質(zhì)

渤海水源井水首先經(jīng)過海上熱采鍋爐給水處理系統(tǒng)的預(yù)處理工藝，去除大量的懸浮顆粒物，然后進(jìn)入脫鹽工藝，水質(zhì)指標(biāo)（見表1）。

表1 經(jīng)預(yù)處理工藝后水源井水的水質(zhì)指標(biāo)

1.2 出水水質(zhì)

根據(jù)渤海某稠油油田熱采鍋爐給水的水質(zhì)指標(biāo)要求，得到脫鹽工藝的出水水質(zhì)要求（見表2）。

表2 出水水質(zhì)指標(biāo)要求

1.3 產(chǎn)水量確定

據(jù)了解，目前渤海某平臺(tái)單套熱采鍋爐用水量為30 t/h。依據(jù)單套熱采鍋爐用水量，推算出單套脫鹽裝置產(chǎn)水量為30 m3/h，需求進(jìn)水量需要通過不同脫鹽工藝的回收率計(jì)算得到。

2 工藝比選

2.1 主體工藝框架

脫鹽工藝的作用是有效地去除水中有機(jī)物、無機(jī)物、離子等物質(zhì)，工業(yè)上常用的脫鹽裝置包括反滲透、EDI、離子交換器等[10-16]。根據(jù)出水的水質(zhì)指標(biāo)要求，如硬度≤0.1 mg/L、TDS≤1 000 mg/L，單獨(dú)的脫鹽裝置無法滿足技術(shù)要求，需要采用組合脫鹽工藝，目前具有硬度、TDS 去除能力高的組合脫鹽工藝有“反滲透+EDI”、“陰離子交換器+陽離子交換器”、“反滲透+鈉離子交換器”等。陰、陽離子交換器需要采用大量的酸液和堿液進(jìn)行樹脂再生，而酸、堿液一旦出現(xiàn)泄漏情況對(duì)海上平臺(tái)甲板會(huì)造成嚴(yán)重腐蝕影響，因此不采用陰、陽離子交換器，可選用“反滲透+EDI”和“反滲透+鈉離子交換器”。

2.2 工藝比較

現(xiàn)將“反滲透+EDI”和“反滲透+鈉離子交換器”兩種脫鹽工藝的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行比較（見表3）。

表3 脫鹽工藝對(duì)比

根據(jù)工藝整體要求，兩種脫鹽工藝均滿足產(chǎn)水水質(zhì)技術(shù)要求，而在產(chǎn)水量同為30 m3/h 時(shí)，“反滲透+EDI”工藝的需求進(jìn)水量（72 m3/h）高于“反滲透+鈉離子交換器”工藝的需求進(jìn)水量（56 m3/h），因此，“反滲透+EDI”工藝會(huì)增加前段預(yù)處理規(guī)模和占地面積，增加工程投資成本。這是因?yàn)椤胺礉B透+EDI”工藝采用一級(jí)反滲透+二級(jí)反滲透+EDI，回收率分別為55%、85%和90%，得出整體工藝回收率為42%，回收率較低。而“反滲透+鈉離子交換器”工藝為一級(jí)反滲透+一級(jí)鈉離子交換器+二級(jí)鈉離子交換器，二級(jí)鈉離子交換器的回收率為99%，整個(gè)工藝收率為54%。

“反滲透+EDI”工藝抗沖擊能力較低，主要原因在于EDI 進(jìn)水水質(zhì)要求很高，如達(dá)不到規(guī)定的水質(zhì)要求會(huì)造成設(shè)備的停機(jī)或損壞?！胺礉B透+鈉離子交換器”工藝抗沖擊能力較強(qiáng)，主要是因?yàn)殁c離子交換器能夠在短時(shí)間內(nèi)承受高負(fù)荷的水質(zhì)條件，之后通過樹脂再生后鈉離子交換器還能夠正常穩(wěn)定運(yùn)行?！胺礉B透+EDI”工藝產(chǎn)水水質(zhì)（硬度0 mg/L、TDS 0.1 mg/L）更高，達(dá)到《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備水汽質(zhì)量》（GB/T 12145）標(biāo)準(zhǔn)，適用于鍋爐高蒸汽壓力的火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動(dòng)力設(shè)備[17]。鑒于本次熱采鍋爐給水的水質(zhì)指標(biāo)要求，脫鹽工藝采用“反滲透+鈉離子交換器”更具有適用性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

2.3 具體工藝設(shè)計(jì)

“反滲透+鈉離子交換器”工藝以進(jìn)水水質(zhì)為基礎(chǔ)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)年限一般為25 年。

（1）總體工藝流程（見圖1）：經(jīng)預(yù)處理后的水源井水經(jīng)過反滲透增壓泵、保安濾器、高壓泵進(jìn)入反滲透膜元件，膜產(chǎn)水進(jìn)入RO 產(chǎn)水罐，膜濃水直接排海。RO 產(chǎn)水通過保安濾器和供水泵進(jìn)入一級(jí)離子交換器和二級(jí)鈉離子交換器，產(chǎn)水進(jìn)入脫鹽水罐。

圖1 “反滲透+鈉離子交換器”脫鹽工藝流程圖

（2）反滲透單元：反滲透單元主要包括增壓泵、高壓泵、RO 膜元件、RO 產(chǎn)水罐和清洗系統(tǒng)，主要去除水中大部分有機(jī)物、無機(jī)物和離子等。據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，反滲透膜采用美國陶氏膜，膜元件的型號(hào)選用SW30HRLE-400i，具有高脫鹽率和回收率，且運(yùn)行壓力低、能耗低。通過反滲透膜系統(tǒng)計(jì)算軟件得到，該反滲透單元采用8 支膜元件，進(jìn)膜壓力選為3.2 MPa，反滲透單元進(jìn)水量56 m3/h，膜產(chǎn)水量30.8 m3/h，膜濃水25.2 m3/h。反滲透單元產(chǎn)水水質(zhì)（見表4）。

表4 反滲透單元產(chǎn)水水質(zhì)

（3）鈉離子交換器單元：鈉離子交換器單元主要包括供水泵、一級(jí)鈉離子交換器、二級(jí)鈉離子交換器、脫鹽水罐和再生系統(tǒng)，進(jìn)行深度脫除Ca2+、Mg2+等二價(jià)離子。依據(jù)反滲透產(chǎn)水水質(zhì)和工藝出水指標(biāo)要求，離子交換器選用逆流再生固定床自動(dòng)交換器，采用在線監(jiān)測(cè)的控制方式，其型號(hào)表示為：NZT1200×2/30 型號(hào)，樹脂選用強(qiáng)酸陽離子樹脂（鈉型），型號(hào)為001×7。根據(jù)《自動(dòng)控制鈉離子交換器技術(shù)條件》（GB/T 18300-2011）計(jì)算得到，鈉離子交換器直徑1 200 mm，高度3 000 mm，每臺(tái)設(shè)備樹脂填充體積2 300 L，鈉離子交換器單元進(jìn)水量30.8 m3/h，產(chǎn)水量30 m3/h，得出二級(jí)鈉離子交換器產(chǎn)水水質(zhì)（見表5）。

表5 二級(jí)鈉離子交換器產(chǎn)水水質(zhì)

3 經(jīng)濟(jì)評(píng)估

“反滲透+鈉離子交換器”工藝設(shè)計(jì)處理量為30 m3/h，按年工作時(shí)長(zhǎng)為6 000 h 計(jì)，年產(chǎn)水量為1.8×105m3，供于熱采鍋爐給水系統(tǒng)。該脫鹽工藝生產(chǎn)1 t 淡水的成本計(jì)算方法見公式（1）。根據(jù)工藝運(yùn)行成本的分析，對(duì)反滲透膜、樹脂、再生鹽及電耗等指標(biāo)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析（見表6）。經(jīng)核算，“反滲透+鈉離子交換器”工藝生產(chǎn)每噸淡水的成本為1.4 元。

表6 “反滲透+鈉離子交換器”工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

4 結(jié)論

通過比較“反滲透+EDI”和“反滲透+鈉離子交換器”工藝，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

（1）“反滲透+鈉離子交換器”工藝的產(chǎn)水回收率54%高于“反滲透+EDI”工藝的42%；

（2）“反滲透+鈉離子交換器”工藝的前段預(yù)處理規(guī)模和占地面積均更小，工程投資成本較低，運(yùn)行成本僅1.4 元/噸水；

（3）“反滲透+鈉離子交換器”工藝的抗沖擊能力更強(qiáng)；

（4）“反滲透+EDI”工藝的產(chǎn)水水質(zhì)（硬度0 mg/L、TDS 0.1 mg/L）更優(yōu)，但“反滲透+鈉離子交換器”工藝的產(chǎn)水水質(zhì)（硬度0.1 mg/L、TDS 920 mg/L）也能滿足熱采鍋爐給水的水質(zhì)指標(biāo)要求。

綜上，脫鹽工藝采用“反滲透+鈉離子交換器”更具有適用性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，是海上熱采鍋爐給水處理系統(tǒng)工業(yè)化應(yīng)用宜采用的優(yōu)選方案。