國產(chǎn)降膜蒸發(fā)器在加拿大油砂開發(fā)中的應(yīng)用可行性研究

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(chǎng)規(guī)模巨大，且其中分散著總儲(chǔ)量約1億桶的邊際油田（“甜點(diǎn)”），這些甜點(diǎn)儲(chǔ)量及開采年限低，開采經(jīng)濟(jì)性差，在加拿大市場(chǎng)中難以得到有效的開發(fā)。隨著油砂開發(fā)進(jìn)程的推進(jìn)，在油砂開發(fā)的SAGD含油污水處理工藝中，一項(xiàng)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(xiàng)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(rèn)可和應(yīng)用。

本文介紹的降膜蒸發(fā)系統(tǒng)，將主要針對(duì)某加拿大邊際油田的油砂開發(fā)項(xiàng)目擬設(shè)計(jì)的小型油砂中心處理設(shè)施，通過優(yōu)化工藝流程設(shè)計(jì)一套降膜蒸發(fā)器裝置工藝，并通過國產(chǎn)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可行性。

1 降膜蒸發(fā)器簡(jiǎn)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(shí)間短、工作壽命長、結(jié)構(gòu)緊湊、效數(shù)不受限制等優(yōu)點(diǎn)。用來將經(jīng)過除油處理的地下產(chǎn)出水進(jìn)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(dá)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(jìn)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(huì)送給第三方進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

圖1 降膜蒸發(fā)器性能示意圖

2 針對(duì)加拿大某項(xiàng)目的降膜蒸發(fā)器主要設(shè)計(jì)工藝原理

根據(jù)加拿大某項(xiàng)目要求，滿足其小型化處理廠處理要求，考慮國內(nèi)運(yùn)輸?shù)郊幽么?，需滿足運(yùn)輸尺寸限制，設(shè)計(jì)了一套雙效MVR（蒸汽機(jī)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(jìn)入1效蒸發(fā)器，蒸發(fā)的蒸餾水輸出，1效二次蒸汽進(jìn)入2效蒸發(fā)器進(jìn)行加熱，其余污水進(jìn)入2效蒸發(fā)器進(jìn)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(jī)壓縮后輸入1效蒸發(fā)器進(jìn)行利用，蒸發(fā)后的濃鹽水外排儲(chǔ)存，進(jìn)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(jì)、材料、制造以及所有的設(shè)備、系統(tǒng)檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)只有都滿足相關(guān)加拿大工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、安全規(guī)則和CSA B51要求，才能正常在加拿大油砂項(xiàng)目中運(yùn)行使用[3]。主要關(guān)注點(diǎn)：

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(cè)，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(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，圖紙?jiān)O(shè)計(jì)完成后需要有加拿大注冊(cè)資質(zhì)的工程師進(jìn)行預(yù)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(cè)。壓力容器必須被National Board Boiler認(rèn)可的檢查員進(jìn)行檢查，且應(yīng)能夠在ABSA注冊(cè)。

4）所有使用的電氣設(shè)備必須帶有被加拿大標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（Standard Council of Canada）認(rèn)可的相關(guān)組織頒發(fā)的證書或檢測(cè)標(biāo)識(shí)。

本文主要針對(duì)設(shè)計(jì)涉及壓力容器和電氣設(shè)備的降膜蒸發(fā)器，若有詳細(xì)需求，則需詳細(xì)查詢其他相關(guān)工作標(biāo)準(zhǔn)。

4 降膜蒸發(fā)器原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)的降膜蒸發(fā)器對(duì)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(jī)，見圖5，驗(yàn)證其系統(tǒng)性能及系統(tǒng)處理后的出水是否達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖4 預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)垢情況

圖5 試制原理樣機(jī)圖

在正式實(shí)驗(yàn)之前，使用配置鹽水進(jìn)行了一次系統(tǒng)運(yùn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)。通過預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)樣機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)濃縮性能達(dá)到要求（濃縮30倍），同時(shí)在試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)有結(jié)垢產(chǎn)生。

為使實(shí)驗(yàn)用廢水更貼合實(shí)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(duì)含油污水成分進(jìn)行化驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)用水貼合樣機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)水的水質(zhì)要求。配置調(diào)整后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)在配置水中加入阻垢劑、消泡劑、堿液等，調(diào)整期PH值，預(yù)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(jì)，驗(yàn)證此工藝的可行性，其實(shí)驗(yàn)出蒸餾水的關(guān)鍵控制指標(biāo)如下表1：

表1 關(guān)鍵指標(biāo)

樣機(jī)試驗(yàn)運(yùn)行約50小時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)觀測(cè)，含油污水濃縮倍數(shù)超過30倍，樣機(jī)運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面如圖7：

圖7 監(jiān)測(cè)顯示界面

實(shí)驗(yàn)過程中，間隔一定時(shí)間，對(duì)蒸餾水進(jìn)行取樣，并將水樣交由專門檢測(cè)機(jī)構(gòu)協(xié)助進(jìn)行水質(zhì)分析，從而驗(yàn)證樣機(jī)處理性能是否符合要求。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)取樣檢監(jiān)測(cè)

檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)水樣檢測(cè)結(jié)果如下表2：

檢測(cè)結(jié)果水樣編號(hào)礦化度TDS，mg/L懸浮物含量，mg/L 油含量，mg/L實(shí)驗(yàn)指標(biāo) ≤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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：

1）蒸發(fā)器出水TDS與測(cè)試時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系

從以上趨勢(shì)圖可知，整個(gè)測(cè)試周期中，冷凝水TDS基本維持在3-7之間，呈周期波動(dòng)狀，經(jīng)分析主要是因?yàn)檎舭l(fā)器液位波動(dòng)導(dǎo)致蒸發(fā)時(shí)汽液分離空間變化，從而導(dǎo)致冷凝水TDS有所波動(dòng)，但此波動(dòng)范圍完全滿足出水TDS＜18mg/L的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)要求，實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍符合指標(biāo)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(yàn)結(jié)果，蒸發(fā)器出水中的懸浮物大部分為0，有1個(gè)水樣為1mg/L,且都滿足出水懸浮物≤1mg/L的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)要求，實(shí)驗(yàn)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(yàn)結(jié)果，蒸發(fā)器出水中的油含量大部分為0，有2個(gè)水樣為1mg/L, 且都滿足出水油含量≤1mg/L的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)要求，實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全符合要求。

停止實(shí)驗(yàn)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(yù)運(yùn)行試驗(yàn)有了明顯的改善?？傮w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(jì)的降膜蒸發(fā)器樣機(jī)的處理效果達(dá)到了對(duì)含油污水處理再利用的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也通過原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)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(jìn)展，進(jìn)一步考慮現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證的工作計(jì)劃，同時(shí)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(jìn)一步深入探討其在加拿大的認(rèn)證和注冊(cè)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(chǔ)量高，但油砂“甜點(diǎn)”分散的現(xiàn)狀。怎樣能夠設(shè)計(jì)開發(fā)一套國產(chǎn)化、可移動(dòng)、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(huì)對(duì)降低油砂開發(fā)成本起到重要的作用，加拿大某項(xiàng)目的優(yōu)化設(shè)計(jì)及國產(chǎn)煙機(jī)試制研究為油砂低成本開發(fā)做出了一次開拓性的嘗試。