采用蒸汽輔助重力泄油技術(shù)汽包爐的給水水質(zhì)研究

楊 建 平

（中國石油遼河油田公司SAGD開發(fā)項(xiàng)目管理部，遼寧 盤錦 124010）

蒸汽輔助重力泄油技術(shù)（steam-assisted gravity drainage，SAGD）是開發(fā)超稠油的一項(xiàng)前沿技術(shù)。蒸汽干度是影響SAGD 生產(chǎn)的重要因素，蒸汽干度越高，SAGD 生產(chǎn)效果越好。目前使用的直流鍋爐產(chǎn)生的蒸汽干度僅為75%～80%，不能滿足SAGD的技術(shù)要求。汽包爐可以滿足SAGD的蒸汽品質(zhì)要求，但目前SAGD汽包爐給水水質(zhì)要求并沒有相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)。目前行業(yè)內(nèi)采用的相關(guān)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。其中SY 0027—94針對的是直流鍋爐，而非汽包爐所制定的標(biāo)準(zhǔn)，也不適用于SAGD汽包爐。電站鍋爐給水標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12145—1999，不僅僅針對鍋爐的安全運(yùn)行，同時也納入了對汽輪機(jī)安全運(yùn)行的影響因素。此標(biāo)準(zhǔn)相對于SAGD汽包爐會過于嚴(yán)格，增加水處理的費(fèi)用，影響系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

采油過程中會產(chǎn)生大量采出液，其水處理難度比較大，處理費(fèi)用比較高。油田采出液處理后回用于鍋爐的研究得到大量關(guān)注[1-4]，如果在滿足鍋爐正常水質(zhì)要求的前提下將部分軟化污水進(jìn)行處理后進(jìn)行循環(huán)利用，可以大大降低整個采油成本。因此，合理的水質(zhì)指標(biāo)是主要限制因素。

影響鍋爐運(yùn)行效果的進(jìn)水水質(zhì)因素主要有水中的二氧化硅、各種金屬離子（鐵、銅）、溶解氧、硬度、油、pH值等，以上污染物超標(biāo)后主要會造成鍋爐的腐蝕和結(jié)垢，進(jìn)而影響鍋爐的正常運(yùn)行[5]。本文作者利用高溫反應(yīng)釜模擬鍋爐受熱面在高溫高壓條件下的工作環(huán)境，研究水的硬度及金屬離子（鐵、銅）含量對鍋爐管內(nèi)結(jié)垢的影響、水中含油量對鍋爐汽水共騰的影響以及水中pH值、O2和CO2含量對鍋爐管內(nèi)腐蝕的影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合相關(guān)的研究分析，初步確定了SAGD汽包爐的給水水質(zhì)指標(biāo)要求。

表1 國內(nèi)相關(guān)給水水質(zhì)指標(biāo)對比

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料采用鍋爐水冷壁常用鋼材T22作為研究對象，其化學(xué)成分如表2所示。

表2 T22鋼主要成分 單位：%

將材料加工成尺寸為40 mm×15 mm×2 mm的長方體試片，并依次用200目、400目、600目砂紙進(jìn)行打磨，換砂紙時改變打磨方向90°，每次都打磨掉前一道痕跡，在異丙醇中用超聲波清洗后，用分析天平進(jìn)行稱重，實(shí)驗(yàn)方法與文獻(xiàn)[6]中所述一致。為了模擬SAGD汽包爐的水質(zhì)，實(shí)驗(yàn)過程中利用分析純化學(xué)藥品按一定比例配制而成。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

高溫反應(yīng)釜的容積為0.5 L，材質(zhì)為316 L不銹鋼，設(shè)計(jì)壓力 32 MPa，設(shè)計(jì)溫度 600 ℃，電加熱功率3.5～4 kW。

本研究選用德國生產(chǎn)的Spectroquant?多參數(shù)水質(zhì)分析儀NOVA60對溶液成分及指標(biāo)進(jìn)行分析。

2 數(shù)據(jù)處理方法

用高溫反應(yīng)釜模擬鍋爐受熱面在高溫高壓條件下的工作環(huán)境。把實(shí)驗(yàn)用水倒入潔凈的釜體內(nèi)，用鎳鉻絲將預(yù)先處理好的試片分別懸掛在水中，充氮?dú)獬M水中溶解氧，緩慢升溫至設(shè)定溫度，恒溫一定時間后冷卻到室溫。

實(shí)驗(yàn)后的金屬試片在未用超聲波清洗前，表面會附著一些比較疏松的污垢，干燥并稱重后可得出污垢的質(zhì)量。因而可以通過測重，并結(jié)合污垢的密度，預(yù)計(jì)出年結(jié)垢厚度。然后把實(shí)驗(yàn)后的金屬試片用超聲波清洗后，放在干燥器中 24 h后用天平稱重。用失重法計(jì)算試片平均腐蝕速率，失重速度如式（1）所示。

式中，A為試樣面積，m2；t為實(shí)驗(yàn)周期，h；w0為試樣原始質(zhì)量，g；w2為實(shí)驗(yàn)后不含腐蝕產(chǎn)物的試樣質(zhì)量，g；w3為清除腐蝕產(chǎn)物時同樣尺寸同樣材料空白試樣的校正失重，g。

為了方便比較，可以將試片的失重?fù)Q算為腐蝕深度，如式（2）所示。

式中，vL為以腐蝕深度表示的腐蝕速度，mm/a；ρ為金屬密度，g/cm3。

3 結(jié)果與分析

3.1 結(jié)垢因素指標(biāo)的確定

3.1.1 硬度的影響

鍋爐水垢會黏附在鍋爐受熱面上，并隨著鍋爐運(yùn)行時間的增加，水垢沉積量越來越大，垢層變厚，這會導(dǎo)致鍋爐系統(tǒng)壓力增高，壓差增大，降低鍋爐熱效率，嚴(yán)重時還可能造成爆管事故。

實(shí)驗(yàn)溶液以分析純CaCl2、NaHCO3和Na2SO4按2∶1∶1摩爾比例混合以模擬水中的硬度變化，把金屬試片放入溶液中，設(shè)定的工作環(huán)境為壓力10 MPa，溫度300 ℃，在持續(xù)運(yùn)行48 h后，用稱重法測量其試片質(zhì)量變化，并結(jié)合污垢的密度，計(jì)算預(yù)測出金屬表面的年結(jié)垢厚度隨硬度變化曲線，如圖1所示。

對電站鍋爐、注汽鍋爐和 SAGD汽包爐而言，硬度是影響鍋爐受熱面結(jié)垢的主要因素。GB/T 12145—1999規(guī)定：當(dāng)汽包爐過熱蒸汽壓力范圍為5.9～12.6 MPa時，硬度標(biāo)準(zhǔn)為≤2 μmol/L；當(dāng)汽包爐過熱蒸汽壓力范圍為12.7～15.6 MPa時，硬度標(biāo)準(zhǔn)為≤1 μmol/L；直流鍋爐水質(zhì)的硬度標(biāo)準(zhǔn)為0。而 SY 0027—94注汽鍋爐的硬度標(biāo)準(zhǔn)為＜0.1 mg/L（以CaCO3計(jì)），可以換算為2 μmol/L，與電站鍋爐相差不大。

由于 SAGD汽包爐預(yù)定的運(yùn)行壓力為 10～14 MPa，因而根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合鍋爐運(yùn)行的相關(guān)理論經(jīng)驗(yàn)，可以初步確定SAGD汽包爐水質(zhì)的硬度指標(biāo)為≤2 μmol/L。

值得注意的是，本研究過程中實(shí)驗(yàn)的時間較短（48 h），較短的時間內(nèi)可能與實(shí)際工業(yè)運(yùn)行過程中結(jié)垢厚度有偏差，為了更加準(zhǔn)確地說明給水硬度對SAGD汽包爐結(jié)垢的影響，會在中試裝置中進(jìn)行更長時間的實(shí)驗(yàn)研究。另外，給水中的雜質(zhì)會促進(jìn)鍋爐結(jié)垢的形成。為了保證鍋爐的安全運(yùn)行，還需要確定金屬離子（鐵、銅）對爐管的腐蝕和結(jié)垢的影響。

3.1.2 Fe含量的影響

當(dāng)鍋爐水中的Fe含量過高時，會在熱負(fù)荷很高的鍋爐管壁形成氧化鐵垢。因此控制爐水的鐵含量對控制氧化鐵垢的形成有著重要意義，爐水鐵含量與氧化鐵垢的結(jié)垢速度關(guān)系如式（3）[7]。

式中，A為氧化鐵垢的結(jié)垢程度，mg/(cm2·h)；K為系數(shù)，(5.7～8.3)×1014；C為氧化鐵濃度，mg/L；Q為熱負(fù)荷 kJ/(m2·h)。

允許的年結(jié)垢量為8～10 mg/cm2，因此，熱負(fù)荷為24×105kJ/(m2·h)的鍋爐，爐水鐵離子的含量需要控制在30 μg/L以下。

由于SAGD汽包爐與電站鍋筒鍋爐的實(shí)際運(yùn)行情況比較接近。預(yù)定SAGD汽包爐的運(yùn)行壓力范圍為10～14 MPa，且SAGD汽包爐產(chǎn)生的蒸汽只要略微過熱即可，因而過熱器的熱負(fù)荷要小于電站鍋爐。通過對表1中國內(nèi)不同鍋爐水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對Fe含量限制的對比分析，SAGD汽包爐的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)可以參考GB/T 12145—1999中比其壓力低一級的鍋爐指標(biāo)，因此，初步確定SAGD汽包爐給水的鐵含量指標(biāo)為≤30 μg/L。

3.1.3 Cu含量的影響

在局部熱負(fù)荷很高的爐管內(nèi)可能會有銅垢生成，尤其是經(jīng)常超負(fù)荷運(yùn)行的鍋爐或者更爐膛內(nèi)燃燒工況變化引起局部熱負(fù)荷過高的鍋爐，更容易形成銅垢。

圖2是沉積在鍋爐中的Cu量與給水中Cu含量的變化曲線，隨著給水中 Cu濃度的增加，沉積在鍋爐中的Cu量明顯增加。當(dāng)給水中Cu濃度為0.01 mg/L時，沉積在鍋爐中的Cu量大約為0.006 mg/L；當(dāng)給水Cu濃度上升到0.04 mg/L時，鍋爐中的沉積量可達(dá)到0.036 mg/L。

Cu的沉積主要與管壁熱負(fù)荷相關(guān)，而 SAGD鍋爐管壁受熱情況與電站汽包爐基本相同，并且預(yù)定 SAGD汽包爐的運(yùn)行壓力范圍大約為 10～14 MPa，因而通過分析國內(nèi)各個鍋爐水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對比，SAGD汽包爐 Cu含量的標(biāo)準(zhǔn)可以參考 GB/T 12145—1999的規(guī)定，可以初步確定SAGD汽包爐給水的銅含量指標(biāo)為≤5 μg/L。

3.2 油含量的影響

蒸汽鍋爐的汽水共騰事故是工業(yè)鍋爐運(yùn)行中較常見的事故。這主要是由于水中的油含量較高引起的。實(shí)驗(yàn)用水采用純水與遼河油田的軟化水進(jìn)行配比，在熱負(fù)荷一定的條件下，觀察水中含油量對汽水分界面處形成泡沫層的影響，如表3所示。

可以看出當(dāng)水中含油量達(dá)到5 mg/L時，汽水分界面處有形成輕微的泡沫層，而當(dāng)含油量到達(dá) 60 mg/L時，水中的形成的泡沫比較嚴(yán)重，可能造成嚴(yán)重的汽水共騰。在鍋爐運(yùn)行中，由于水的不斷蒸發(fā)濃縮，鍋爐爐水中的油含量要遠(yuǎn)高于給水含量，而SAGD汽包爐設(shè)計(jì)濃縮倍率取20倍左右，因而根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給水的含油量要小于0.25 mg/L就不會生成泡沫層。

結(jié)合國內(nèi)外鍋爐的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可以得知，含油量對鍋爐的主要影響是鍋爐的各個受熱面，如水冷壁、汽包、過熱器等。因而對于SAGD汽包爐來說，受熱面的布置、汽包結(jié)構(gòu)等與電站鍋爐相近，汽包內(nèi)的水處理也相同，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果水中含油量要求也和電站鍋爐相差不大，考慮到實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)情況并不一定完全反映鍋爐實(shí)際運(yùn)行情況，而電站鍋爐水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是多年鍋爐運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，因而SAGD汽包爐的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)可參考GB/T 12145—1999的規(guī)定，由于預(yù)定SAGD汽包爐的運(yùn)行壓力為10～14 MPa，可以初步確定 SAGD汽包爐給水的含油量指標(biāo)為≤0.3 mg/L。

表3 水中含油量對生成泡沫層的影響

3.3 腐蝕因素指標(biāo)的確定

3.3.1 O2含量的影響

鍋爐給水中溶解氧所帶來的腐蝕是爐管腐蝕的最主要原因。氧腐蝕會使注汽鍋爐的管壁逐漸減薄，形成陷坑，可能會引起爆管事故[9]。水中氧含量越高，金屬腐蝕越嚴(yán)重，因此亟需確定鍋爐給水中的溶解氧含量標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)驗(yàn)通過把氧氣通入純水中，利用水質(zhì)分析儀測定水中的含氧量，用NaOH溶液調(diào)節(jié)水的pH值為9，然后在高溫反應(yīng)釜中調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)水溫，運(yùn)行48 h后，從而得出不同溫度下，隨著水中溶氧量的變化，20 G鋼的腐蝕情況。如圖3所示。

從圖3中各個曲線可以明顯看出，溫度越高，金屬的腐蝕就越嚴(yán)重，這是因?yàn)殡S著溫度的升高，各種物質(zhì)在水溶液中的擴(kuò)散速度加快，電解質(zhì)水溶液的電阻降低，就會加速腐蝕電池陰陽兩極的擴(kuò)散速度。在一定條件下，金屬的腐蝕速度隨著含氧量的升高而增加，如當(dāng)溫度為200 ℃時，當(dāng)含氧從5 μg/L升高到20 μg/L時，腐蝕速度從0.012 mm/a增加到0.031 mm/a。

一般鍋爐的安全運(yùn)行要求腐蝕速率要在 0.1 mm/a以下，從圖3可以看出，即使溶氧量達(dá)到20 μg/L，溫度為 300 ℃時，腐蝕速度也僅為 0.033 mm/a，但在鍋爐的運(yùn)行中，氧含量僅僅是影響鍋爐腐蝕的一個方面，而最終的腐蝕是多方面因素綜合影響的結(jié)果，因而最終SAGD水質(zhì)指標(biāo)中的含氧量的確定要參考國內(nèi)外鍋爐運(yùn)行的實(shí)際情況，并對比相關(guān)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，綜合分析而得出。

對SAGD汽包爐來說，預(yù)定運(yùn)行壓力為10～14 MPa，蒸汽溫度不超過420 ℃，鍋爐整體結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)與電站鍋爐都比較接近，水中溶氧對SAGD鍋爐產(chǎn)生腐蝕的主要部位也應(yīng)該是給水管道和省煤器入口段，一般不會對汽包、水冷壁和過熱器等部位造成影響。因而初步確定SAGD汽包爐給水的溶氧量指標(biāo)為≤7 μg/L。

3.3.2 CO2含量的影響

CO2腐蝕屬于酸性腐蝕，影響水的pH值，而且當(dāng)溶液中同時存在 O2和 CO2時，兩者會加劇爐管的腐蝕。實(shí)驗(yàn)通過在一定條件下，測得CO2對腐蝕速度的影響。圖4和圖5示出了在不同運(yùn)行溫度條件下（200 ℃和 250 ℃），水中的溶解氧濃度以及CO2含量對金屬腐蝕的影響情況。研究發(fā)現(xiàn)CO2對腐蝕有著明顯的促進(jìn)作用，當(dāng)溫度為250 ℃、CO2含量為10 μg/L、O2含量為20 μg/L時，金屬的腐蝕速度可以達(dá)到0.041 mm/a。

由于CO2對鍋爐管道的腐蝕是酸性腐蝕，因而通過控制水的pH值在一定范圍內(nèi)，就可以減少金屬的腐蝕。所以GB/T 12145—1999的給水指標(biāo)中并沒有規(guī)定CO2的范圍。

在電站鍋爐熱力系統(tǒng)中，最容易發(fā)生CO2腐蝕的部位是凝結(jié)水系統(tǒng)，對鍋爐其它部位的腐蝕影響不大。由于SAGD汽包爐的水循環(huán)系統(tǒng)與電站鍋爐不同，該系統(tǒng)沒有凝結(jié)水系統(tǒng)，因此，CO2腐蝕的影響不大，并且只要保證給水的pH值符合水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，就可以避免CO2腐蝕，因而給水中CO2含量的標(biāo)準(zhǔn)可以放寬，所以SAGD汽包爐給水中CO2含量可以不作出要求。

3.3.3 pH值的影響

水的pH值是對金屬腐蝕影響很大的一個因素，pH值過低或過高都會導(dǎo)致腐蝕速度加快。

為了確定SAGD汽包爐水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中的pH值參數(shù)指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)利用HCl和NaOH調(diào)節(jié)水質(zhì)，利用水質(zhì)分析儀測定水的pH值，然后在高溫反應(yīng)釜中調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)水溫，運(yùn)行48 h。圖6表示在不同溫度下（200℃和250 ℃）水中溶氧量為7 μg/L時20 G鋼的腐蝕情況隨著水中pH值變化。

從圖6中可以看出，當(dāng)pH值為9左右時，金屬的腐蝕最輕；當(dāng)pH＜7時，隨著pH值的減小，金屬腐蝕速度迅速增加。當(dāng)pH值降到4時，金屬腐蝕速度是pH值為9時的3倍；當(dāng)pH＞11時，隨著pH值的增大，金屬的腐蝕速度迅速增加，當(dāng)pH值升高到14時，腐蝕速度是pH值為9時的2倍多。一般情況下，鍋爐水的pH值常保持在9～11之間，這樣就能保證鍋爐安全運(yùn)行。

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和國內(nèi)鍋爐運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可知，水中的pH值在9.2以上時會有利于防止鋼材的腐蝕有利，但GB/T 12145—1999規(guī)定，有銅系統(tǒng)的pH值應(yīng)該在 8.8～9.3。這是因?yàn)殡娬惧仩t通常用加氨的方法提高給水pH值，所以如果pH值高就意味著水汽系統(tǒng)中的含氨量較多，會在氨容易集聚的地方引起銅制件的氨蝕，所以限定給水 pH值在 8.8～9.3之間。而對于SAGD汽包爐來說，不是采用加氨的方式進(jìn)行水處理，所以可以給水的pH值的上限要求可以適當(dāng)放寬，初步可定為8.8～10。

4 結(jié) 論

（1）基于在高溫高壓反應(yīng)釜內(nèi)對注汽鍋爐的模擬研究以及對現(xiàn)有的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的分析，確定了SAGD汽包爐的水質(zhì)指標(biāo)中影響鍋爐管內(nèi)結(jié)垢的硬度、鐵、銅含量指標(biāo)，影響鍋爐管內(nèi)腐蝕的pH值、Cl?、O2和 CO2等因素的指標(biāo)以及影響鍋爐汽水共騰的水中含油量指標(biāo)。確定的SAGD汽包爐的初步水質(zhì)指標(biāo)要求如表4所示。

表4 SAGD汽包爐的給水水質(zhì)指標(biāo)

（2）預(yù)定SAGD汽包爐的運(yùn)行壓力約為10～14 MPa時，給水中溶解氧量、銅含量以及含油量與電站鍋爐的指標(biāo)一致；由于無需納入汽輪機(jī)安全運(yùn)行的影響，SAGD汽包爐水質(zhì)指標(biāo)中 pH值、CO2含量、鐵含量以及硬度可以在電站鍋爐水質(zhì)指標(biāo)的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆艑挕?/p>

（3）本研究基于高溫高壓反應(yīng)釜內(nèi)的實(shí)驗(yàn)無法完全模擬SAGD汽包爐的實(shí)際運(yùn)行情況，因此，針對初步制定出的SAGD汽包爐的水質(zhì)指標(biāo)，需要進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證和修正。接下來的工作需要針對初步制定的水質(zhì)指標(biāo)，在中試實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行現(xiàn)場的實(shí)驗(yàn)研究和綜合分析，得出最終的SAGD汽包爐安全運(yùn)行水質(zhì)指標(biāo)。

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