水冷器泄漏快速預警技術研究與應用*

梁宗忠，賀 革，陳 萍

(1.中國石油蘭州石化公司，甘肅 蘭州 730060；2. 四川大學化學工程學院，四川 成都 610065)

循環(huán)水在石化行業(yè)被認為是煉化生產(chǎn)裝置的“血液”，而水冷器的泄漏猶如循環(huán)水系統(tǒng)的“腫瘤”一般，對循環(huán)水質(zhì)是“血液病”的危害。因此水冷器介質(zhì)的泄漏是影響循環(huán)水質(zhì)的重要因素，若介質(zhì)泄漏得不到及時確認和切除，水質(zhì)得不到有效控制，將會造成循環(huán)水系統(tǒng)的惡性循環(huán)，致使水冷器腐蝕加劇，黏泥沉積，管束堵塞。水質(zhì)發(fā)生“病變”，如果進一步惡化，必將嚴重影響和制約煉化裝置的安全穩(wěn)定運行。

1 水冷器泄漏產(chǎn)生的危害

1.1 影響煉化裝置安全運行

近年來，由于水冷器泄漏的頻繁發(fā)生和查漏消漏不及時，造成循環(huán)水質(zhì)劣化，水質(zhì)不達標，裝置水冷器泄漏污染循環(huán)水，工藝介質(zhì)持續(xù)泄漏造成系統(tǒng)腐蝕、微生物大量繁殖，影響循環(huán)水系統(tǒng)正常運行。水冷器的非正常運行，造成水冷器結(jié)垢、黏泥滋生沉積，使水冷器出現(xiàn)不同程度堵塞和腐蝕泄漏，給煉化裝置的穩(wěn)定生產(chǎn)帶來嚴重影響，使裝置的安全穩(wěn)定長周期運行喪失了基本的前提保障。

1.2 影響循環(huán)水水質(zhì)合格率達標

循環(huán)水水質(zhì)合格率的達標是一個循環(huán)水場整體運行水平的標志。水冷器的每一次泄漏都給循環(huán)水處理帶來嚴重的沖擊，導致循環(huán)水濁度、油含量、COD、堿度和pH值等指標超標，對于水冷器泄漏給循環(huán)水質(zhì)造成的影響，循環(huán)水場必將進行應急處置，若查漏判斷不及時泄漏時間將更長，導致循環(huán)水濁度、油含量、COD、堿度和pH值等指標進一步惡化，嚴重影響循環(huán)水水質(zhì)產(chǎn)品合格率。目前降低濃縮倍數(shù)、殺菌剝離和加大排水置換運行是常用的處置手段，而濃縮倍數(shù)又是循環(huán)水場節(jié)水管控的重要指標，由于排水置換帶來的濃縮倍數(shù)不達標也是在所難免，濃縮倍數(shù)達不到節(jié)水管控指標的要求,勢必造成了環(huán)保裝置的負擔和水質(zhì)沖擊。

1.3 制約企業(yè)經(jīng)濟效益的提升

一個企業(yè)的運行成本和經(jīng)濟效益貫穿在生產(chǎn)的全過程，涉及到每一個環(huán)節(jié)，而循環(huán)水系統(tǒng)的達標以及水冷器的長周期運行，也是企業(yè)降低成本和創(chuàng)造經(jīng)濟效益不可分割的重要組成部分，水冷器泄漏將給企業(yè)的經(jīng)濟效益提升造成嚴重影響。

煉油化工企業(yè)冷換設備占設備總數(shù)的40%左右，占總投資的30%～45%，而其中50%以上都是水冷器。根據(jù)國內(nèi)大型石油石化集團各地區(qū)公司最新數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，煉化裝置水冷器共計 7 600 余臺，最近一個大修周期內(nèi)共有1 070余臺次水冷器發(fā)生泄漏，占總水冷器的14%，更換管束數(shù)量為1 140余臺，占總水冷器的15%。大型煉化企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)的補水量占煉化生產(chǎn)外購總水量的50%以上，而循環(huán)水水質(zhì)指標的達標提升正是循環(huán)水系統(tǒng)的經(jīng)濟運行的節(jié)水達標的集中體現(xiàn)，循環(huán)水水質(zhì)的不達標，不僅影響到循環(huán)水質(zhì)的惡化，更嚴重的是造成的次生腐蝕危害，更造成了較大的水處理成本和經(jīng)濟效益損失。水冷器泄漏若查漏消漏處置不及時，一般持續(xù)時間約45 d以上，此時水場將大量投加水處理藥劑和進行系統(tǒng)排水置換。以某煉油廠一循為例(循環(huán)水量 8 000 t/h)，僅單臺次水冷器泄漏造成的循環(huán)水藥劑處理費用高達8萬至9萬元，為穩(wěn)定水質(zhì)循環(huán)水場維持低濃縮倍數(shù)運行，由此排水置換造成的水量損耗約為60 t/h，一個處理周期僅增加的補水損耗就達65 kt左右。

2 水冷器泄漏排查現(xiàn)狀

目前，為了考察循環(huán)水水質(zhì)影響，國內(nèi)大多煉化企業(yè)通過監(jiān)測反映循環(huán)水水質(zhì)的特征參數(shù)變化來監(jiān)測水系統(tǒng)泄漏情況，包括涼水塔水面出現(xiàn)油污、油污顏色和人工采樣分析pH值、濁度、余氯、油含量、COD等初步判斷泄漏裝置，然后對主要水冷器進行排查，直至鎖定泄漏水冷器并將其切出系統(tǒng)進行后續(xù)處理。但由于受人工分析滯后和人為干擾等因素影響，無法快速、準確地確定泄漏源，因而泄漏發(fā)現(xiàn)滯后、排查時間過長，導致循環(huán)水系統(tǒng)被嚴重污染，嚴重時造成非計劃停工，影響生產(chǎn)裝置長周期安全運行。因此,循環(huán)水場和生產(chǎn)裝置聯(lián)動查漏是十分必要的。

2.1 循環(huán)水質(zhì)指標監(jiān)測判定

2.2 循環(huán)水水體表觀判斷

對于汽油、重柴油、蠟油、渣油和苯類物質(zhì)等油料，在泄漏初期通過觀察循環(huán)水涼水塔池的水體顏色進行判斷，如蠟油泄漏初期水體呈灰白色(見圖1)，并有黃色泡沫出現(xiàn)，通常判斷為水冷器泄漏，再通過油品判定泄漏裝置進而鎖定泄漏水冷器。

圖1 蠟油泄漏初期水體顏色判斷

但對水體表觀的判斷必須要有充分的經(jīng)驗積累和準確的判斷能力，若不能及時判斷出泄漏點，則待水體油乳化后就很難判斷了；通過氣態(tài)烴、干氣、富氣、酸性氣等氣態(tài)介質(zhì)的判斷，僅通過氣味判斷就相對比較困難，需要通過pH值、COD、余氯、堿度等水質(zhì)指標分析，反復比較確定泄漏介質(zhì)和水冷器。如某合成氨循環(huán)水出現(xiàn)二氧化碳泄漏就是用堿度的變化來確定的。

2.3 離線測漏檢測儀查漏

近年來循環(huán)水場采用了便攜式檢測儀對煉油和化工裝置水冷器進行定期泄漏檢測，循環(huán)水輕烴類物料分析采用便攜式氣態(tài)烴泄漏檢測儀、油分檢測儀、余氯比色計等離線水冷器泄漏檢測設備，目前多采用稱重法、紅外、紫外、熒光分光光度等方法，同時對pH值、濁度和COD數(shù)據(jù)的檢測同步進行，為裝置提供有效的泄漏預警檢測數(shù)據(jù)。但由于受到檢測頻次和人力不足等造成檢測數(shù)據(jù)滯后，使水冷器的介質(zhì)泄漏及時檢測和預警受到制約。

2.4 在線紫外熒光監(jiān)測技術

近年來公司在煉化生產(chǎn)裝置采用了水冷器在線紫外熒光漏油監(jiān)測技術,原理見圖2。水冷器泄漏監(jiān)測預警系統(tǒng)策略見圖3。該技術采用紫外熒光對特定波長的紫外光照射含芳香烴類的工藝油物質(zhì)，激發(fā)出的熒光光強與該物質(zhì)的含量成正比，精度達到0.1 μg/g，為水冷器和循環(huán)水系統(tǒng)的漏油監(jiān)測發(fā)揮了積極作用。由于產(chǎn)生熒光的物質(zhì)主要為芳香族化合物和含共軛雙鍵化合物，而煉化企業(yè)的原油及各種工藝介質(zhì)，如石腦油、汽油、噴氣燃料、柴油、蠟油、渣油、油漿、苯系物等都含有芳香烴或苯環(huán)，為此紫外熒光法適用于煉化企業(yè)常減壓、催化裂化、連續(xù)重整、加氫精制、加氫裂化、焦化和芳烴等主要生產(chǎn)裝置。

圖2 在線泄漏監(jiān)測儀測量原理

圖3 水冷器泄漏監(jiān)測預警系統(tǒng)策略

煉化企業(yè)普遍采用人工定期監(jiān)測、綜合分析循環(huán)水系統(tǒng)多種參數(shù)來監(jiān)測水冷器的泄漏情況，采用人工水體顏色和氣味的表觀判斷泄漏裝置進而檢測泄漏水冷器;但是這些方法在確定泄漏點時，效率低、速度慢，并且人為因素影響多，嚴重影響查漏效率。而在線泄漏監(jiān)測技術應用雖能快速及時檢測出泄漏水冷器，但監(jiān)測設備的單臺費用過高，大規(guī)模的使用將帶來龐大的設備費用。

3 預警技術研究與應用

利用先進信息技術，對涉及水質(zhì)知識庫建立和泄漏介質(zhì)進行分類識別，根據(jù)已有的專家數(shù)據(jù)知識庫結(jié)合具體的分類算法，識別確定泄漏介質(zhì)即泄漏污染物種類，提出了一種煉化循環(huán)水系統(tǒng)快速查漏方法。根據(jù)污染通報確定泄漏介質(zhì)，總管排查確定泄漏裝置，最終通過泄漏裝置排查確定泄漏點，形成供水、用水、水質(zhì)分析聯(lián)動一體的快速查漏信息體系。

3.1 基于水質(zhì)知識庫的構(gòu)建

由于不同泄漏工藝介質(zhì)對水質(zhì)影響是不同的，這種差異主要表現(xiàn)在pH值、濁度、余氯、堿度、細菌總數(shù)、總磷、COD等水質(zhì)指標，以及泄漏物對水體表觀性質(zhì)的影響上，如水體顏色和泡沫等，因此通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集及分析記錄泄漏物質(zhì)對循環(huán)水水質(zhì)和水體表觀影響的特點，建立水質(zhì)數(shù)據(jù)知識庫，以便快速確定泄漏的工藝介質(zhì)，比如液化石油氣、汽油、石腦油、煤油、柴油和蠟油等。

但僅依據(jù)以上現(xiàn)場數(shù)據(jù)及分析記錄數(shù)據(jù)，還不能支撐水質(zhì)數(shù)據(jù)知識庫的完整建立，為了擴充建立的水質(zhì)數(shù)據(jù)知識庫，還需通過模擬現(xiàn)場泄漏情況，分析不同介質(zhì)濃度梯度，在不同混合時間下水質(zhì)數(shù)據(jù)予以補充。建立的水質(zhì)知識庫結(jié)構(gòu)如式(1)所示：

Ck={(Pk，Ik)→Mk}

(1)

其中，k=1,2,…n，n表示知識庫記錄數(shù);Pk表示知識庫中水質(zhì)表觀性質(zhì)，Ik表示知識庫中水質(zhì)指標，包括pH值、濁度、余氯、堿度、細菌總數(shù)、總磷和COD等;Pk與Ik用于評價泄漏工藝介質(zhì)對循環(huán)水水質(zhì)的影響情況；Mk表示知識庫中對應的泄漏介質(zhì)種類。

3.2 泄漏介質(zhì)分類識別模型建立

模型的建立基于Catboost分類算法實現(xiàn)泄漏介質(zhì)分類及識別，采用完全對稱樹作為基本模型，將相同的水質(zhì)指標分析特征屬性數(shù)據(jù)劃分為對稱樹的左和右兩個分區(qū)，同時將所有的泄漏介質(zhì)分類特征組合成一個新的分類特征。另外采用排序提升的方法，避免不同介質(zhì)濃度梯度估計的偏差，如水質(zhì)表觀性質(zhì)分為清澈、微渾濁、渾濁、較渾濁以及不同水體顏色等不同類別變量。此外，Catboost算法還通過重要性的度量輸入特征非線性評估算法，依據(jù)重要值對預測準確評估，以便比較不同泄漏介質(zhì)的水質(zhì)特征。

3.3 模型軟件的工業(yè)化應用

建立基于水質(zhì)知識庫和分類算法模型在某煉油廠循環(huán)水系統(tǒng)進行工業(yè)化應用，當水質(zhì)異常時啟動該功能模塊，通過大數(shù)據(jù)分析快速響應處置：泄漏通報確定泄漏介質(zhì)，總管排查確定泄漏裝置，裝置自查數(shù)據(jù)確定泄漏點，實現(xiàn)水冷器泄漏快速預警查漏,見圖4和圖5。

發(fā)生水質(zhì)異常或泄漏污染情況時，首先在模型軟件界面進行通報，通過查漏業(yè)務界面，根據(jù)污染通報內(nèi)容與水質(zhì)應用知識庫進行比對分類識別泄漏介質(zhì)，鎖定為蠟油；污染通報完成后，模型軟件通過對循環(huán)水場進出口分析數(shù)據(jù)與其供生產(chǎn)裝置總管的進出口分析數(shù)據(jù)進行關聯(lián)分析，自動計算出增量比，依據(jù)增量比確定為5 Mt/a常減壓蒸餾裝置；隨即對泄漏裝置所在的水冷器從工藝介質(zhì)、水側(cè)流速、泄漏統(tǒng)計及重點水冷器名錄4個方面排查分析進行標識，對有相關標識的水冷器進行水質(zhì)采樣分析，根據(jù)增量比綜合判定泄漏水冷器為E-513/3。同時，該泄漏信息進入模型軟件系統(tǒng)泄漏統(tǒng)計臺賬中。

圖4 泄漏污染通報軟件界面

圖5 查漏業(yè)務軟件界面

4 結(jié) 論

煉化行業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)水冷器泄漏排查主要有水質(zhì)指標、水體表觀和離線檢測儀器等排查方法，在線紫外熒光監(jiān)測技術也有應用。通過基于水質(zhì)知識庫的循環(huán)水系統(tǒng)快速查漏智能化模型軟件的建立與工業(yè)化應用，實現(xiàn)了水冷器泄漏的快速預警與查漏，準確鎖定泄漏介質(zhì)和確定泄漏水冷器，使循環(huán)水查漏效率大幅提升，有效避免了因水冷器泄漏造成的水質(zhì)異常惡化而導致的裝置生產(chǎn)波動以及帶來的影響。循環(huán)水的查漏工作是需要供水、用水和化驗分析等聯(lián)動響應處置的信息體系，而基于水質(zhì)知識庫的循環(huán)水系統(tǒng)預警技術要與聯(lián)動處置信息體系緊密結(jié)合，在今后的工業(yè)化應用中不斷完善，并輔以在線紫外熒光快速監(jiān)測等技術的應用拓展，進一步提升其工業(yè)化應用的水準，適應企業(yè)信息化、智能化的發(fā)展需求。