工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)提升實(shí)踐

羅睿喬，郭 偉，向富明，羅秀鵬，周 瑞，梁 寧

中海石油深海開(kāi)發(fā)有限公司，廣東 深圳

1.前言

南海東部某天然氣終端處理廠(chǎng)處理來(lái)自5 個(gè)海上氣田開(kāi)采的天然氣，通過(guò)脫碳、脫水、液烴分餾、凝析油穩(wěn)定等工藝后，產(chǎn)出干氣、丙烷、丁烷、穩(wěn)定輕烴、穩(wěn)定凝析油等產(chǎn)品。該終端廠(chǎng)配置敞開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)一套，由地上式鋼筋砼循環(huán)水池、冷卻塔、循環(huán)水管道、循環(huán)水泵、纖維球旁濾罐以及必要的水處理檢測(cè)等設(shè)備組成，系統(tǒng)保有水量約為1500 m3，循環(huán)水量大約2502 m3/h。

該循環(huán)冷卻水系統(tǒng)投入使用之后，水質(zhì)逐漸惡化，水質(zhì)綜合達(dá)標(biāo)率從最初的95%下降到40%，循環(huán)水池表面漂浮大量油脂類(lèi)污物，微生物滋生嚴(yán)重，水體濁度高，并散發(fā)惡臭。水質(zhì)惡化導(dǎo)致?lián)Q熱設(shè)備結(jié)垢、堵塞、腐蝕，嚴(yán)重制約冷卻效果。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外針對(duì)工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)提升的方法主要有：更換旁濾設(shè)備、更換藥劑選型、定期清除池底淤泥等。

本文引入帕累托圖、因素關(guān)聯(lián)圖等質(zhì)量管理常見(jiàn)的分析方法，找到了可能導(dǎo)致循環(huán)水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的原因，在此基礎(chǔ)之上制定了要因驗(yàn)證計(jì)劃表，并分析水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料、冷卻設(shè)備拆檢、微生物定性監(jiān)測(cè)等手段，找到了誘發(fā)水質(zhì)惡化的真因，并通過(guò)循環(huán)水系統(tǒng)改造、加藥方式調(diào)整等措施，有效提升了該終端廠(chǎng)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)綜合達(dá)標(biāo)率。

2.原因分析

根據(jù)工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50050-2017)要求，敞開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)常規(guī)化驗(yàn)項(xiàng)目主要有pH 值、電導(dǎo)率、濁度、總鐵、異養(yǎng)菌總數(shù)、氯離子等[1]，為了分析導(dǎo)致該終端處理廠(chǎng)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)惡化的原因，我們選取了以上監(jiān)測(cè)指標(biāo)中最重要的四項(xiàng)：總鐵、濁度、pH、異養(yǎng)菌總數(shù)進(jìn)行跟蹤分析。

2.1.循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)不達(dá)標(biāo)問(wèn)題調(diào)查

該天然氣終端廠(chǎng)循環(huán)冷卻水質(zhì)發(fā)生惡化之后，我們將所有指標(biāo)的化驗(yàn)頻次都提升到1 次/天[2]，通過(guò)跟蹤一個(gè)月的化驗(yàn)數(shù)據(jù)，制定了循環(huán)冷卻水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)問(wèn)題調(diào)查表(如表1 所示)，并繪制了帕累托圖(如圖1)。

Table 1.Questionnaire on the non-compliance of circulating water quality表1.循環(huán)水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)問(wèn)題調(diào)查表

Figure 1.Pareto diagram of low comprehensive water quality compliance rate of circulating cooling water system圖1.循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)綜合達(dá)標(biāo)率低帕累托圖

從帕累托圖可以看出，導(dǎo)致該終端處理廠(chǎng)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)綜合達(dá)標(biāo)率低的主要問(wèn)題是造成循環(huán)水水質(zhì)達(dá)標(biāo)率低的主要問(wèn)題是濁度高、總鐵高。

2.2.循環(huán)冷卻水綜合達(dá)標(biāo)率關(guān)聯(lián)因素

針對(duì)現(xiàn)狀調(diào)查找出的導(dǎo)致循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)綜合達(dá)標(biāo)率低的兩個(gè)主要問(wèn)題，經(jīng)過(guò)多次討論分析，繪制了導(dǎo)致濁度高、總鐵高的因素關(guān)聯(lián)圖，如圖2 所示。

從圖2 可以看出，能夠?qū)е卵h(huán)冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)綜合達(dá)標(biāo)率低的末端因素有循環(huán)水泵設(shè)計(jì)缺陷、循環(huán)水池結(jié)構(gòu)有缺陷、池底淤泥堆積、循環(huán)水池建造材料選擇當(dāng)、循環(huán)冷卻水旁濾器設(shè)計(jì)缺陷、循環(huán)水污水超出污水系統(tǒng)處理能力、藥劑選型不適用、加藥方式不適用等8 項(xiàng)內(nèi)容[3]。

Figure 2.Correlation diagram of water quality compliance rate factors of circulating cooling water system圖2.循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率底因素關(guān)聯(lián)圖

為了從上述8 項(xiàng)末端因素中找出導(dǎo)致循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)綜合達(dá)標(biāo)率低的要因，我們制定了要因驗(yàn)證表(如表2)，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了要因驗(yàn)證。通過(guò)驗(yàn)證得出，導(dǎo)致循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)綜合達(dá)標(biāo)率低的主要因素有兩個(gè)：一、循環(huán)水池結(jié)構(gòu)有缺陷；二、循環(huán)水加藥方式不適用。

Table 2.Principal verification form表2.要因驗(yàn)證表

2.2.1.循環(huán)水池結(jié)構(gòu)有缺陷導(dǎo)致水質(zhì)綜合達(dá)標(biāo)率低

通過(guò)查閱設(shè)計(jì)資料，發(fā)現(xiàn)循環(huán)水池集水池和吸水池之間的連通口(規(guī)格為1000 mm × 1000 mm)靠近水池的東側(cè)，經(jīng)冷卻塔冷卻之后的循環(huán)水大部分從連通口直接進(jìn)入吸水池東側(cè)的泵吸入口，導(dǎo)致集水池、吸水池西側(cè)大部分循環(huán)水處于不流動(dòng)狀態(tài)，長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有新鮮水置換，可能形成欠流動(dòng)區(qū)、死水區(qū)(見(jiàn)圖3) [4]。

Figure 3.Schematic diagram of structural defects of circulating pool圖3.循環(huán)水池結(jié)構(gòu)缺陷示意圖

死水區(qū)的水體基本不流動(dòng)，沒(méi)有新鮮水補(bǔ)充置換，會(huì)導(dǎo)致以下問(wèn)題：

1) 淤泥沉積：由于水體不流動(dòng)，進(jìn)入該區(qū)域的懸浮物、固體顆粒等在重力作用下緩慢沉積下來(lái)，形成淤泥層；

2) 微生物繁殖：淤泥沉積后形成溫床，微生物大量繁殖；

3) 循環(huán)水質(zhì)惡化：由于死水區(qū)水體沒(méi)有流動(dòng)，化學(xué)藥劑作用不到，微生物繁殖越來(lái)越嚴(yán)重，大量微生物滋生污染循環(huán)水質(zhì)；

4) 換熱設(shè)備結(jié)垢、腐蝕：隨著循環(huán)水水質(zhì)持續(xù)惡化，循環(huán)水循環(huán)過(guò)程中在換熱設(shè)備處因通經(jīng)變小，流態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致細(xì)菌、懸浮物等在換熱設(shè)備處聚積，導(dǎo)致?lián)Q熱設(shè)備結(jié)垢，并產(chǎn)生泥下厭氧腐蝕，嚴(yán)重影響設(shè)備換熱效率，并導(dǎo)致設(shè)備腐蝕穿孔。

為了檢測(cè)水體流動(dòng)性的影響，我們實(shí)施了以下幾項(xiàng)工作：

1) 在死水區(qū)、欠流動(dòng)區(qū)水面放置泡沫塊，觀(guān)察其移動(dòng)情況。經(jīng)過(guò)小組成員一天的觀(guān)察，發(fā)現(xiàn)泡沫基本沒(méi)有移動(dòng)，充分說(shuō)明死水區(qū)、欠流動(dòng)區(qū)的假設(shè)成立；

2) 用自制的打撈工具對(duì)死水區(qū)和欠流動(dòng)區(qū)的池底進(jìn)行打撈，發(fā)現(xiàn)池底堆積很厚的淤泥，探測(cè)淤泥厚度大約在50 cm 左右；

3) 對(duì)吸水池東側(cè)流動(dòng)區(qū)和西側(cè)的死水區(qū)水體分別取樣化驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)西側(cè)死水區(qū)水體的濁度、細(xì)菌水量均大于東側(cè)流動(dòng)區(qū)；

4) 對(duì)換熱不佳且存在穿孔的設(shè)備進(jìn)行拆檢，查看換熱設(shè)備內(nèi)部腐蝕狀況，發(fā)現(xiàn)換熱設(shè)備內(nèi)部存在大量污垢，將垢樣送至國(guó)家工業(yè)水處理工程技術(shù)研究中心使用X 射線(xiàn)熒光儀進(jìn)行檢測(cè)，分析結(jié)果見(jiàn)表3 [2]。

從表3 可以看出，換熱器垢樣的主要成分是鐵的腐蝕產(chǎn)物，并含部分Ca 的沉積物，主要成因?yàn)槲⑸锎x之后產(chǎn)生大量粘泥附著于管壁，導(dǎo)致泥下厭氧腐蝕，粘泥嚴(yán)重影響設(shè)備換熱效率，泥下腐蝕導(dǎo)致設(shè)備穿孔。

Table 3.Fluorescence detection and analysis results of scale samples表3.垢樣熒光檢測(cè)分析結(jié)果

此外，還將循環(huán)水樣送至工業(yè)水處理研究中心進(jìn)行鐵細(xì)菌、硫酸鹽還原菌、異養(yǎng)菌定性檢測(cè)。

定性檢測(cè)結(jié)果如下表4 所示：

Table 4.Bacteria test results in water samples表4.水樣細(xì)菌檢測(cè)結(jié)果

以上分析表明：因循環(huán)水池結(jié)構(gòu)有缺陷，水體流動(dòng)不暢，導(dǎo)致水體微生物和藻類(lèi)大量繁殖，而微生物代謝會(huì)產(chǎn)生大量有機(jī)物，在水體中與膠體顆粒物粘附于管道、設(shè)備及填料上形成生物粘泥，生物粘泥影響了藥劑的殺菌效果，并為細(xì)菌進(jìn)一步繁殖提供了庇護(hù)所，并在泥層下形成垢下腐蝕，不僅導(dǎo)致循環(huán)水系統(tǒng)持續(xù)惡化，還嚴(yán)重影響設(shè)備換熱效率及運(yùn)行安全[5]。

2.2.2.循環(huán)水加藥方式不適用導(dǎo)致水質(zhì)綜合達(dá)標(biāo)率低

該終端廠(chǎng)循環(huán)水系統(tǒng)日常運(yùn)營(yíng)需加注緩蝕阻垢劑、粘泥剝離劑、氧化殺菌劑、高效分散劑等藥劑。其中氧化殺菌劑、非氧化殺菌劑為塊狀或者粉末狀，主要采用直接投加的方式加注[6][7]。緩蝕阻垢劑、高效分散劑為液態(tài)，設(shè)計(jì)加注方式為計(jì)量泵連續(xù)加注，但是由于計(jì)量泵的最小額定流量比加注量還大、加藥罐為碳鋼儲(chǔ)罐易腐蝕，因而，終端采取的是傾倒式加注。

對(duì)上述加注方式，我們針對(duì)藥劑循環(huán)水中總磷及余氯指標(biāo)進(jìn)行了跟蹤檢測(cè)，并形成了藥劑濃度趨勢(shì)圖4。

從圖中可以看出，總磷濃度和余氯濃度均不達(dá)標(biāo)，且在剛加注時(shí)藥劑濃度高，加注之后藥劑濃度很快降低。

Figure 4.Trend chart of total phosphorus concentration and residual chlorine concentration in circulating pool圖4.循環(huán)水池總磷濃度和余氯濃度趨勢(shì)圖

3.循環(huán)冷卻水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)對(duì)策研究

從前文研究可以得出，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)綜合達(dá)標(biāo)率低的主要因素有兩個(gè)：一、循環(huán)水池結(jié)構(gòu)有缺陷；二、循環(huán)水加藥方式不合理。

3.1.循環(huán)水池結(jié)構(gòu)缺陷對(duì)策

針對(duì)循環(huán)水池結(jié)構(gòu)缺陷問(wèn)題，通過(guò)在西側(cè)冷卻水集水池與泵池之間增加連通口，并在原有連通口和新增連通口處安裝控水閘板，控制水流從集水池西側(cè)(欠流動(dòng)區(qū))進(jìn)入吸水池西側(cè)(死水區(qū))之后，再進(jìn)入泵的吸入口，建立強(qiáng)制流動(dòng)，改造示意圖如圖5 所示[8][9][10]。

Figure 5.Schematic diagram of defect modification of circulating pool圖5.循環(huán)水池缺陷改造示意圖

3.2.循環(huán)水加藥方式不合理的改進(jìn)措施

固體藥劑加注方式調(diào)整，主要是通過(guò)制作藥劑溶解槽實(shí)現(xiàn)，將塊狀或者粉狀固體化學(xué)藥劑置于溶解槽中，從循環(huán)水池中或外部引水溶解藥劑，溶解藥劑之后的溶解槽排水直接接入循環(huán)水池，如圖6所示[11][12][13]。

Figure 6.Schematic diagram of solid medicament filling scheme圖6.固體藥劑加注方案示意圖

液態(tài)加藥裝置改造主要利用原有的加藥裝置橇塊，將原來(lái)的碳鋼加藥罐更換為塑料加藥桶，并更換加藥泵為小流量計(jì)量泵。改造后加藥裝置的控制柜及控制線(xiàn)路依舊沿用原有加藥裝置配置的控制系統(tǒng)。液態(tài)藥劑加藥裝置，更換前后設(shè)備信息如表5 所示：

Table 5.Equipment parameter table before and after the reconstruction of the liquid medicine filling device表5.液態(tài)藥劑加注裝置改造前后設(shè)備參數(shù)表

4.效果分析

對(duì)循環(huán)水池結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造和加藥方式進(jìn)行調(diào)整后，該終端處理廠(chǎng)對(duì)整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行了池底清淤、剝離清洗、鈍化預(yù)膜等工作，并重新投用整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)。運(yùn)行穩(wěn)定之后，對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析[14][15]。

加藥裝置改造之后，固態(tài)藥劑溶解充分，液態(tài)藥劑能夠持續(xù)加注，循環(huán)水系統(tǒng)藥劑濃度能夠長(zhǎng)時(shí)間維持在正常水平(如圖7)，藥效明顯。

除了藥劑濃度能長(zhǎng)時(shí)間維持在較高水平外，整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)也上維持在正常水平，水質(zhì)達(dá)標(biāo)率高達(dá)99%，見(jiàn)表6。

除了這些日常關(guān)注的指標(biāo)，我們還重點(diǎn)跟蹤了整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)的細(xì)菌變化情況，經(jīng)過(guò)跟蹤觀(guān)察，在循環(huán)水系統(tǒng)改造之后系統(tǒng)細(xì)菌數(shù)長(zhǎng)期維持在1 × 102個(gè)以下，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求的1 × 105個(gè)。說(shuō)明循環(huán)水系統(tǒng)細(xì)菌數(shù)得到了有效控制，系統(tǒng)水質(zhì)沒(méi)有再次惡化。

Figure 7.Concentration trend graph of the drug after modification of the dosing device圖7.加藥裝置改造后藥劑濃度趨勢(shì)圖

Table 6.Index comparison of circulating water cooling water system before and after transformation表6.循環(huán)水冷卻水系統(tǒng)改造前后指標(biāo)對(duì)比

5.結(jié)論與認(rèn)識(shí)

因循環(huán)水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)缺陷、藥劑加注方式不合理等原因會(huì)導(dǎo)致循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)惡化、水質(zhì)綜合達(dá)標(biāo)率低，長(zhǎng)期帶病運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱設(shè)備結(jié)垢、堵塞、腐蝕穿孔等問(wèn)題，嚴(yán)重影響換熱效率，還可能導(dǎo)致工藝介質(zhì)泄漏進(jìn)入循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，影響生產(chǎn)安全。

通過(guò)帕累托圖和因素關(guān)聯(lián)圖，找到了導(dǎo)致循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率低的要因，并有針對(duì)性地進(jìn)行了改造，提升了循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率，有效解決了換熱設(shè)備換熱效率低的問(wèn)題，保障了生產(chǎn)安全，為工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)疑難問(wèn)題處理提供了新思路。