工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運行控制措施

王偉龍 趙建武 徐文博 刁晶晶 劉英明

(新疆天利石化控股集團有限公司，新疆 克拉瑪依 833699)

1 項目背景

某敞開式循環(huán)水系統(tǒng)保有水量10000m3，由一個1500m3/h小涼水塔和三個5000m3/h涼水塔組成，合計設(shè)計循環(huán)量16500m3/h，目前循環(huán)量在13000m3/h。送水和回水溫度分別為≤28℃和≤38℃，實際運行溫差5℃。循環(huán)水冷卻器的工藝物料的最高溫度為180℃，絕大部分溫度小于110℃。循環(huán)水系統(tǒng)在旁濾投用時最大瞬時排污量200m3/h，受下游污水處理限制，旁濾長期關(guān)閉。夏季正常排污量約30m3/h，冬季正常排污量約10m3/h。補水由新水和凝液共同組成，原則上全部使用凝液后仍不夠時補加新水，冬季補水凝液150m3/h且基本無新水，夏季補水凝液90m3/h且新水80m3/h。

2 水質(zhì)控制

循環(huán)水質(zhì)在冬季運行時波動較大。化工生產(chǎn)裝置由于換熱器加熱的需求，往往會使用到蒸汽，加之冬季運行各易凍凝的管道設(shè)備增設(shè)蒸汽伴熱線，因此在冬季運行期間會產(chǎn)生大量的富余凝液，很多化工生產(chǎn)裝置考慮經(jīng)濟效益，會將富余的凝液代替新水作為循環(huán)水系統(tǒng)的補水，某循環(huán)水場各水質(zhì)分析如下：

該循環(huán)水場隨著冬季的到來，凝液量增加，采用150m3/h的凝液完全替代新水作為循環(huán)水系統(tǒng)的補水，循環(huán)水水質(zhì)受到一定的影響，水質(zhì)分析如表1所示。

表1 水質(zhì)分析

由圖1可以看出，因富余凝液中鈣離子和總堿度非常低，使循環(huán)水系統(tǒng)運行的鈣離子和總堿度同步降低，水質(zhì)明顯變軟，而冷卻水設(shè)計規(guī)范中循環(huán)水水質(zhì)指標一般僅有鈣離子和總堿度的上限值，如總堿度≤400mg/L，鈣硬≤800mg/L，總硬度≤1100mg/L，但未對下限值進行約束和要求。從運行數(shù)據(jù)上看，伴隨著鈣離子和總堿度均降至130mg/L時，循環(huán)水中的鐵離子快速上升，運行數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖1 冬季凝液補水對循環(huán)水軟化的影響

圖2 同期鐵離子和鋅離子變化趨勢

從運行現(xiàn)象上看鈣離子和總堿度過低會導(dǎo)致循環(huán)水質(zhì)偏向軟水腐蝕，鐵離子含量加速上升。理論上本身鈣離子過低并沒有太大影響，反而對循環(huán)水的抑制結(jié)垢傾向控制更有利，但現(xiàn)在市面上藥劑處理廠家的阻垢緩蝕劑中，有一些需要鈣離子達到一定程度才能形成足夠完整的膜，原理上主要是水鈣離子偏低，無法形成膠溶狀態(tài)的以聚磷酸鈣為主的絡(luò)合離子，進而無法與水中的亞鐵離子結(jié)合成聚磷酸亞鐵鈣離子，無法再經(jīng)腐蝕電流作用在金屬表面形成致密的電沉積膜，因此軟水有利于溶解氧向金屬表面擴散，加速系統(tǒng)管線及換熱器表面的均勻電化學(xué)腐蝕，表現(xiàn)為鐵離子指標快速上升，同時水中的多孢泉發(fā)菌、赭色纖發(fā)菌和含鐵嘉利翁氏菌等絲狀鐵細菌迅速滋生，吸收水中的亞鐵鹽并催化二價鐵氧化成三價鐵后促使系統(tǒng)金屬表面更多的鐵離子溶入水中，造成均勻腐蝕加劇。

從該循環(huán)水場運行數(shù)據(jù)上看，當(dāng)水中鈣離子低于臨界值130mg/L時，因沉積膜無法及時形成和補充而導(dǎo)致破損失效，因此日常控制循環(huán)水硬度不能過低的目的就是為了使水垢在金屬表面形成一個保護層，隔絕金屬與循環(huán)水溶解氧的直接接觸，抑制腐蝕發(fā)生。

根據(jù)運行經(jīng)驗，當(dāng)循環(huán)水因水質(zhì)變軟腐蝕加劇，總鐵含量長期呈明顯上升趨勢時，在超出約0.8mg/L時就應(yīng)將緩蝕劑量迅速加大，循環(huán)水緩蝕劑一般采用氯化鋅，將鋅離子含量控制在2.0mg/L以上，對較高鐵離子的抑制效果才會比較明顯。輔助加大排污置換，才能在兩周內(nèi)恢復(fù)循環(huán)水質(zhì)。

該循環(huán)水場冬季運行方案采用補加氯化鈣粉末維持系統(tǒng)鈣離子含量在150mg/L以上，同時增加緩蝕劑注入量，控制鋅離子1.9～2.5mg/L，以抑制鐵離子腐蝕，保證了冬季平穩(wěn)運行。

另循環(huán)水系統(tǒng)夏季蒸發(fā)量增大，全部凝液(90m3/h)無法滿足補水，需增加新水用量90m3/h，但考慮于新水用量經(jīng)濟性，日常排污置換量僅在10m3/h左右，循環(huán)水長期濃縮，使總堿度及鈣硬同步上升，為了能更好的解決因鈣離子、總堿度上升引起的結(jié)垢現(xiàn)象，一般采取連續(xù)投加濃硫酸以降低總堿度，增加分散劑投加濃度(總磷控制≤4mg/L提高至≤6mg/L)，同時降低緩蝕劑注入量，控制鋅離子1.3～1.8mg/L，降低結(jié)垢離子濃度，以抑制垢下腐蝕，取得明顯效果。

3 泄漏排查

循環(huán)水冷器作為循環(huán)水大系統(tǒng)的終端用戶，往往涉及各生產(chǎn)裝置，換熱條件及工藝物料非常復(fù)雜，一旦發(fā)生泄漏，油品通過水冷器漏點進入循環(huán)水系統(tǒng)中，便會不同程度的影響循環(huán)水水質(zhì)，該循環(huán)水場采取余氯分析、VOC日常監(jiān)測、濁度聯(lián)合CODcr化驗分析及TOC快速排查三種方法協(xié)同排查，保證及時發(fā)現(xiàn)水冷器漏點，避免大量工藝物料進入水系統(tǒng)，提供碳源而引起細菌滋生。

余氯分析一般由循環(huán)水藥劑服務(wù)廠商定期監(jiān)測，當(dāng)含有硫化氫、二氧化硫、氨、汽油類物料泄漏至循環(huán)水系統(tǒng)中，二氧化氯的消耗量會明顯增加，在藥劑投加量不變的情況下，余氯值會下降甚至檢測不出，因此針對循環(huán)水總池的余氯值監(jiān)控也能及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)有無較大泄漏。該廠VOC日常監(jiān)測由各生產(chǎn)裝置對所用的循環(huán)水冷器回水進行取樣，一方面觀察顏色，另一方面使用便攜式VOC檢測儀進行檢測，確認是否有揮發(fā)性有機化合物。循環(huán)水雖添加日常藥劑，但其一般不含有揮發(fā)性有機化合物，因此一旦VOC檢測出數(shù)據(jù)，基本可以確定存在泄漏，應(yīng)立即針對性采取濁度聯(lián)合CODcr化驗分析，經(jīng)驗上看發(fā)生泄漏后水冷器進出口濁度差大于5NTU，CODcr>80mg/L時存在微量泄漏，CODcr>150mg/L存在較大泄漏，確認換熱器泄漏后必須立即將水冷器切出系統(tǒng)進行檢修。CODcr檢測需要時間一般為2小時，對于樣品較多時無法及時給出明確結(jié)果，為了更好的定位泄漏水冷器，該循環(huán)水場增加了便攜式TOC檢測儀檢測，即同時對水冷器進出口取水樣分析，根據(jù)數(shù)值變化率方可判斷泄漏情況：

K進出口TOC變化率＝(TOC出口－TOC進口)/TOC進口

根據(jù)現(xiàn)場檢測經(jīng)驗，循環(huán)水系統(tǒng)正常情況下一般K值不會超過1%，當(dāng)K>2%時可斷定存在泄漏，當(dāng)K>6%時可判斷存在較大泄漏。

循環(huán)水系統(tǒng)的排查，基本都是從各裝置界區(qū)開始，逐一追溯定位至泄漏換熱器，該循環(huán)水場通過以上三種方法協(xié)同監(jiān)測水冷器，可在泄漏初期及時發(fā)現(xiàn)并查找到漏點，通過應(yīng)急處理保證了循環(huán)水水質(zhì)的長期平穩(wěn)運行

4 水冷器反沖洗

在周期性的大檢修期間，各裝置循環(huán)水冷器進行了抽芯作業(yè)，觀察現(xiàn)場情況，發(fā)現(xiàn)腐蝕嚴重部分基本在地理高點的殼程換熱器、存在冷負荷頻繁調(diào)整的成套設(shè)備換熱器、設(shè)計余量過大的換熱器以及工藝溫度超100℃的水冷器，同時發(fā)現(xiàn)由于是敞開式循環(huán)水系統(tǒng)，許多水走管程的換熱器被雜物及涼水塔填料碎片堵塞，流速降低致使污泥沉積，垢下腐蝕嚴重。

為降低以上腐蝕情況，該循環(huán)水場在保證調(diào)整優(yōu)化各水冷器循環(huán)水管程流速大于1.0m/s，殼程循環(huán)水流速大于0.3m/s的運行標準前提下，采用在現(xiàn)換熱器循環(huán)水進口線上增加適當(dāng)大小的導(dǎo)淋排口，定期對水冷器進行在線反沖洗，將沉積在水冷器中的淤泥及堵塞在管束中的雜物排出，對改善換熱器換熱系數(shù)及防止堵塞結(jié)垢腐蝕效果非常明顯。

5 結(jié)語

循環(huán)水作為化工生產(chǎn)裝置關(guān)鍵的換熱系統(tǒng)，對各生產(chǎn)裝置的連續(xù)平穩(wěn)運行起著決定性作用，但由于循環(huán)水自身性質(zhì)不像化工物料那樣變化明顯，對換熱器及管線腐蝕均是緩慢作用，常被管理人員忽視。隨著腐蝕量變積累到質(zhì)變時，往往會造成較大的經(jīng)濟損失，因此關(guān)注水質(zhì)控制及系統(tǒng)用戶換熱器運行情況非常重要，提前預(yù)防及時診斷異常問題，采取應(yīng)對措施以減少和避免大的泄漏腐蝕，對整個循環(huán)水系統(tǒng)延長使用壽命有著顯著的幫助，進而可大大降低企業(yè)的整體運行成本。