注汽鍋爐給水除氧技術(shù)在新疆油田的應(yīng)用

秦金霞 朱新建 唐努爾卡依·馬爾丹 李曉艷

1新疆油田工程技術(shù)研究院

2中國石油新疆油田分公司采油一廠

新疆油田稠油占原油總產(chǎn)量約40%，稠油主要采用注汽開發(fā)，稠油凈化水回用濕蒸汽鍋爐已有近20 年歷史。為了高效開發(fā)稠油，近年來，行業(yè)內(nèi)致力于推廣應(yīng)用過熱鍋爐和流化床鍋爐。目前新疆油田注汽鍋爐主要有濕蒸汽鍋爐（23 t/h）、過熱鍋爐（23 t/h）、循環(huán)流化床鍋爐（130 t/h）以及活動(dòng)鍋爐（9.2 t/h），鍋爐水源以稠油采出水為主，清水為輔，注氣系統(tǒng)的給水管線及鍋爐存在氧腐蝕和硫腐蝕問題，而氧腐蝕又是影響注汽系統(tǒng)安全運(yùn)行和使用壽命的關(guān)鍵因素。水中的溶解氧在高溫、高壓條件下具有很強(qiáng)的的腐蝕性，會(huì)導(dǎo)致爐管迅速被腐蝕，易發(fā)生事故[1]。油田的注汽鍋爐長期運(yùn)行在高溫（350 ℃左右）、高壓（12 MPa 左右）環(huán)境下，若鍋爐給水中含氧量超標(biāo)，會(huì)對(duì)給水管線、鍋爐爐管等造成嚴(yán)重的腐蝕，尤其是在鹽垢、縫隙以及應(yīng)力不平衡處[2]。為了保證注汽鍋爐的安全運(yùn)行，根據(jù)各種鍋爐設(shè)備需求，制定了不同的溶解氧指標(biāo)，要使給水水質(zhì)溶解氧達(dá)標(biāo)，必須結(jié)合爐型和實(shí)際情況，選擇經(jīng)濟(jì)、適用的除氧技術(shù)。

本文分析了各種除氧技術(shù)的適用性，根據(jù)各種鍋爐的熱力參數(shù)、水質(zhì)、噸位、負(fù)荷變化、經(jīng)濟(jì)條件等情況綜合考慮，因地制宜地選用適當(dāng)?shù)某跫夹g(shù)，確保給水溶解氧達(dá)標(biāo)，為油田注汽鍋爐安全運(yùn)行和稠油穩(wěn)產(chǎn)保駕護(hù)航。

1 鍋爐供水溶解氧控制指標(biāo)

1.1 給水溶解氧指標(biāo)

新疆油田注汽用鍋爐主要有4 種：23 t/h 濕蒸汽鍋爐，供汽半徑為750 m；23 t/h 過熱蒸汽鍋爐，供汽半徑為750 m；130 t/h 循環(huán)流化床鍋爐，供汽半徑為4 000 m；9.2 t/h活動(dòng)鍋爐，供汽半徑為50 m。濕蒸汽鍋爐水源全部是稠油凈化水；過熱鍋爐水源是凈化水與清水的摻混水；流化床鍋爐水源主要以清水為主，摻少量凈化水；活動(dòng)鍋爐水源全部是稠油凈化水。給水的溶解氧含量及控制指標(biāo)見表1。

表1 新疆油田鍋爐給水溶解氧含量及控制指標(biāo)Tab.1 Dissolved oxygen content and control index of boiler feed water in Xinjiang Oilfield

1.2 結(jié)垢物成分分析

對(duì)新疆某油田鍋爐進(jìn)口過濾器的剝落物、已腐蝕穿孔的鍋爐給水管線1 及給水管線2 的腐蝕結(jié)垢產(chǎn)物進(jìn)行定量分析，數(shù)據(jù)見表2。軟化水分析數(shù)據(jù)見表3，軟化水水質(zhì)室內(nèi)靜態(tài)試片腐蝕情況見圖1。

圖1 試片室內(nèi)靜態(tài)腐蝕情況Fig.1 Static corrosion of test pieces in the laboratory

表2 垢樣組分定量擬合結(jié)果Tab.2 Quantitative fitting results of scale sample components %

表3 水質(zhì)分析Tab.3 Water quality analysis

由表2可知，熱力除氧前端的清水給水管線主要是鐵的腐蝕產(chǎn)物；凈化水腐蝕結(jié)垢產(chǎn)物成分以Fe3O4為主，其次是FeS，同時(shí)存在硅垢及鹽垢，這說明清水給水管線腐蝕主要因素是氧，凈化水給水管線腐蝕的主要因素是氧，且同時(shí)存在硫腐蝕。從表3 可看出，熱力除氧前端軟化水溶解氧嚴(yán)重超標(biāo)，凈化軟化水溶解氧超標(biāo)，且含有二價(jià)硫，驗(yàn)證了腐蝕主要因素。

2 氧腐蝕機(jī)理及其危害

注汽系統(tǒng)中，造成腐蝕最嚴(yán)重的因素是給水中的溶解氧。氧腐蝕是一種電化學(xué)腐蝕，氧具有強(qiáng)烈的去極化作用，即使含量很少也會(huì)對(duì)注汽系統(tǒng)中的鍋爐鋼產(chǎn)生腐蝕，同時(shí)氧的存在會(huì)加速CO2等酸性氣體的腐蝕作用[3]。氧腐蝕的電化學(xué)反應(yīng)如下：

陽極反應(yīng)：Fe=Fe2++2e

陰極反應(yīng)：O2+2H2O+4e=4OH-

總的電池反應(yīng)：2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2

腐蝕的二次過程：若兩級(jí)間的擴(kuò)散作用強(qiáng)烈，給水中又不斷有氧進(jìn)入，腐蝕產(chǎn)物Fe(OH)2可以繼續(xù)被氧化成Fe(OH)3和Fe3O4[4]。

4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3↓（棕色沉淀）

Fe(OH)2+2Fe(OH)3=Fe3O4+4H2O

鐵被水中溶解氧腐蝕時(shí)，常常在其表面形成很多直徑為1～30 mm不等小鼓包，顏色有黃褐色或磚紅色等，下層是黑色粉末狀物。當(dāng)把這些腐蝕產(chǎn)物除去時(shí)，金屬表面便出現(xiàn)陷坑，并且一旦金屬表面形成腐蝕點(diǎn)，此點(diǎn)便成為陰極，周圍鐵作為陽極，腐蝕會(huì)加劇，陷坑會(huì)變深。

氧腐蝕會(huì)降低注汽系統(tǒng)的使用性能，使設(shè)備及管網(wǎng)的金屬壁厚減小、強(qiáng)度下降，造成腐蝕點(diǎn)的應(yīng)力集中，縮短設(shè)備和管網(wǎng)的使用壽命。同時(shí)，腐蝕產(chǎn)物進(jìn)入介質(zhì)中會(huì)使汽水品質(zhì)惡化、熱力設(shè)備及管網(wǎng)結(jié)垢，加速腐蝕，造成爐管蠕變甚至爆管等事故。因此，為了保證鍋爐安全運(yùn)行，給水除氧是非常關(guān)鍵和必要的環(huán)節(jié)。

3 除氧技術(shù)的應(yīng)用

3.1 濕蒸汽鍋爐除氧技術(shù)

目前，新疆油田稠油開發(fā)供汽以23 t/h 濕蒸汽鍋爐為主，濕蒸汽鍋爐用水為稠油凈化水（礦化度＜7 000 mg/L，水溫60～80 ℃），其額定壓力17.2 MPa，蒸汽干度80%。鍋爐要求給水控制溶解氧≤0.05 mg/L。

給水除氧采用亞硫酸鈉化學(xué)除氧技術(shù)。亞硫酸鈉是一種較強(qiáng)的還原劑，與水中的氧反應(yīng)生成硫酸鈉，使水中的氧消失[5]。化學(xué)反應(yīng)式如下：

為使反應(yīng)完全，必須使用過量的亞硫酸鈉藥劑，使水中保持一定的亞硫酸根離子。

亞硫酸鈉除氧技術(shù)具有裝置和操作簡單、投資少的優(yōu)勢(shì)。其缺點(diǎn)是：亞硫酸鈉加入過剩量越多，除氧效果越好，但過多的亞硫酸鈉在高溫下會(huì)分解，造成鍋爐硫腐蝕；溫度對(duì)除氧效果影響大，常溫下不加催化劑，僅加亞硫酸鈉，殘留含氧量較高，除氧效率最高僅達(dá)75%左右，若加入少量催化劑后，除氧效率可達(dá)98.8%[6]。

新疆油田濕蒸汽鍋爐采用亞硫酸鈉化學(xué)除氧技術(shù)10 余年，濕蒸汽鍋爐進(jìn)口水質(zhì)溶解氧在0.04～0.07 mg/L 之間，水質(zhì)有時(shí)超標(biāo)，主要是由于現(xiàn)場加藥系統(tǒng)的管理不到位造成的。

3.2 過熱鍋爐除氧技術(shù)

目前，新疆油田23 t/h 過熱鍋爐用水為稠油凈化水（水溫60～80℃）與清水（水溫10～25 ℃）的摻混水（礦化度≤2 500 mg/L），其額定壓力14 MPa，蒸汽溫度360 ℃，鍋爐給水要求控制溶解氧≤0.05 mg/L。

凈化水除氧采用亞硫酸鈉化學(xué)除氧技術(shù)，清水除氧主要采用“真空+亞硫酸鈉化學(xué)藥劑”除氧技術(shù)。新疆油田采用注汽鍋爐分散布置、短半徑注汽的模式，注汽站主要以1～2臺(tái)鍋爐為一個(gè)單元，半露天布置，這種模式下主要采用低位真空除氧鍋爐（規(guī)格主要有50 m3/h、75 m3/h）對(duì)給水進(jìn)行處理。

低位真空除氧器由除氧水主系統(tǒng)和真空系統(tǒng)兩部分組成。真空系統(tǒng)一般由循環(huán)水箱、離心水泵及射流真空泵組成。除氧水箱中達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的水經(jīng)引射器和給水泵送入鍋爐用戶，引射器是為給水泵無法直接從負(fù)壓的除氧水箱中抽吸除氧水而設(shè)置的[7]。

低位真空除氧器優(yōu)勢(shì)是設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小，方便搬遷。缺點(diǎn)是低位真空除氧器引射泵長期工作在極限真空狀態(tài)下，工作噪音較大，其給水泵不僅要保持向鍋爐用戶供水，而且還要為引射泵提供工作動(dòng)力，故其動(dòng)力消耗很大；新疆冬季氣溫低，水溫甚至低至10 ℃以下，引射器易結(jié)冰，導(dǎo)致除氧效果差，出口含氧不穩(wěn)定[8-11]。

除氧技術(shù)應(yīng)用結(jié)果表明，過熱鍋爐（摻混水）給水質(zhì)溶解氧在0.04～0.1 mg/L 之間，主要是清水溶解氧含量不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致?lián)交焖荒軡M足給水要求。

3.3 循環(huán)流化床鍋爐除氧技術(shù)

3.3.1 供汽站水汽系統(tǒng)流程

130 t/h循環(huán)流化床鍋爐是新疆油田為適應(yīng)鍋爐燃料結(jié)構(gòu)調(diào)整而使用的新型注汽鍋爐，額定蒸汽壓力14 MPa，鍋爐蒸汽溫度366 ℃，鍋爐用水主要為清水軟化除氧水，給水要求控制溶解氧≤0.007 mg/L。工藝流程大致為：軟化后的清水經(jīng)給水泵進(jìn)入熱力除氧器除氧，除氧后的軟化水由高壓給水泵加壓后進(jìn)入流化床，產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)注汽管網(wǎng)進(jìn)入油井驅(qū)油（圖2）。

圖2 流化床鍋爐水汽工藝流程Fig.2 Boiler water-steam process flow of fluidized bed

3.3.2 熱力除氧技術(shù)

循壞流化床鍋爐除氧主要采用“熱力+丙酮肟化學(xué)輔助”除氧技術(shù)。每臺(tái)鍋爐配一臺(tái)150 t/h大氣式熱力除氧器，除氧器工作壓力1.04 MPa，工作溫度104 ℃。為了抑制給水系統(tǒng)的氧腐蝕、降低給水的鐵含量，在除氧器出水中加入3%～5%丙酮肟溶液。熱力除氧原理基于亨利定律，即氣體在水中溶解度與該氣體在汽水界面上的分壓力成正比。大氣式熱力除氧器就是用蒸汽加熱的方式把水加熱到相應(yīng)壓力下的飽和溫度，水中氧氣因溶解度減少而逸出，從而達(dá)到除氧目的[12]。

“熱力+丙酮肟化學(xué)輔助”除氧技術(shù)的優(yōu)勢(shì)不僅是除氧效果穩(wěn)定可靠，而且還能除去CO2等腐蝕氣體，除氧后的水不會(huì)增加含鹽量，也不會(huì)增加其他氣體溶解量，操作控制相對(duì)容易。丙酮肟化學(xué)除氧作為熱力除氧的輔助手段，在較寬的溫度和壓力范圍內(nèi)具有良好的除氧性能，同時(shí)具有緩蝕和金屬鈍化性能，丙酮肟與氧的反應(yīng)產(chǎn)物不增加鍋爐給水溶解固形物，進(jìn)一步保證了鍋爐的進(jìn)口水質(zhì)[13]。

“熱力+丙酮肟化學(xué)輔助”除氧技術(shù)的缺點(diǎn)是對(duì)啟停頻繁的小型注汽鍋爐并不適用，因?yàn)闀?huì)影響蒸汽品質(zhì)，且丙酮肟價(jià)格高，用于小型注汽鍋爐費(fèi)用高。

“熱力+丙酮肟化學(xué)輔助”除氧結(jié)果表明，流化床鍋爐進(jìn)口水質(zhì)溶解氧≤0.007 mg/L，滿足給水要求。但熱力除氧器前端的給水管線均為金屬管線，因清水未采取除氧措施，隨溫度、氯離子等因素影響，其溶解氧濃度在1.0～8.0 mg/L之間，造成熱力除氧器前端的給水管線、給水泵甚至除氧器腐蝕嚴(yán)重。建議對(duì)熱力除氧器前端的給水采用真空除氧技術(shù)，以降低氧腐蝕。

3.4 活動(dòng)鍋爐除氧技術(shù)

活動(dòng)鍋爐（9.2 t/h）主要用于油田試采井及個(gè)別無依托井的注汽，井位大多離油田開發(fā)中心較遠(yuǎn)，注汽時(shí)間也較短。鍋爐用水主要采取從較近的集中水處理站拉取軟化水，采用亞硫酸鈉藥劑除氧，投資不大，操作簡單，搬遷方便。

4 結(jié)論

給水中的溶解氧超標(biāo)是造成油田鍋爐注汽系統(tǒng)氧腐蝕的重要原因，在注汽系統(tǒng)前端降低給水溶解氧可以有效降低鍋爐腐蝕爆管及給水管線穿孔等事故的發(fā)生，從而保證整個(gè)稠油注汽系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

新疆油田循環(huán)流化床鍋爐采用“熱力+丙酮肟藥劑輔助”除氧技術(shù)，使鍋爐進(jìn)口水質(zhì)溶解氧≤0.007 mg/L；濕蒸汽鍋爐采用“亞硫酸鈉化學(xué)”除氧技術(shù)，給水水質(zhì)溶解氧≤0.05 mg/L；過熱鍋爐采用“低位真空+亞硫酸鈉”除氧技術(shù)，可以使給水水質(zhì)溶解氧≤0.05 mg/L；9.2 t/h 活動(dòng)鍋爐采用亞硫酸鈉藥劑除氧技術(shù)，投資小，操作簡單，搬遷方便。

目前雖然除氧方法較多，但在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)油田鍋爐的特點(diǎn)和對(duì)水質(zhì)的要求，綜合考慮油田不同的供汽模式、熱力參數(shù)、水源水質(zhì)情況、負(fù)荷變化、經(jīng)濟(jì)條件等因素，因地制宜地使用合適的除氧方式，才能發(fā)揮應(yīng)有的功能，產(chǎn)生相應(yīng)的效益。