采用蒸汽輔助重力泄油技術汽包爐的給水水質研究

楊 建 平

（中國石油遼河油田公司SAGD開發項目管理部，遼寧 盤錦 124010）

蒸汽輔助重力泄油技術（steam-assisted gravity drainage，SAGD）是開發超稠油的一項前沿技術。蒸汽干度是影響SAGD 生產的重要因素，蒸汽干度越高，SAGD 生產效果越好。目前使用的直流鍋爐產生的蒸汽干度僅為75%～80%，不能滿足SAGD的技術要求。汽包爐可以滿足SAGD的蒸汽品質要求，但目前SAGD汽包爐給水水質要求并沒有相應的國家標準。目前行業內采用的相關水質標準如表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準，也不適用于SAGD汽包爐。電站鍋爐給水標準GB/T 12145—1999，不僅僅針對鍋爐的安全運行，同時也納入了對汽輪機安全運行的影響因素。此標準相對于SAGD汽包爐會過于嚴格，增加水處理的費用，影響系統的經濟性。

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

影響鍋爐運行效果的進水水質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，以上污染物超標后主要會造成鍋爐的腐蝕和結垢，進而影響鍋爐的正常運行[5]。本文作者利用高溫反應釜模擬鍋爐受熱面在高溫高壓條件下的工作環境，研究水的硬度及金屬離子（鐵、銅）含量對鍋爐管內結垢的影響、水中含油量對鍋爐汽水共騰的影響以及水中pH值、O2和CO2含量對鍋爐管內腐蝕的影響，根據實驗結果并結合相關的研究分析，初步確定了SAGD汽包爐的給水水質指標要求。

表1 國內相關給水水質指標對比

1 實 驗

1.1 實驗方法

實驗材料采用鍋爐水冷壁常用鋼材T22作為研究對象，其化學成分如表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，用分析天平進行稱重，實驗方法與文獻[6]中所述一致。為了模擬SAGD汽包爐的水質，實驗過程中利用分析純化學藥品按一定比例配制而成。

1.2 實驗設備

高溫反應釜的容積為0.5 L，材質為316 L不銹鋼，設計壓力 32 MPa，設計溫度 600 ℃，電加熱功率3.5～4 kW。

本研究選用德國生產的Spectroquant?多參數水質分析儀NOVA60對溶液成分及指標進行分析。

2 數據處理方法

用高溫反應釜模擬鍋爐受熱面在高溫高壓條件下的工作環境。把實驗用水倒入潔凈的釜體內，用鎳鉻絲將預先處理好的試片分別懸掛在水中，充氮氣除盡水中溶解氧，緩慢升溫至設定溫度，恒溫一定時間后冷卻到室溫。

實驗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量。因而可以通過測重，并結合污垢的密度，預計出年結垢厚度。然后把實驗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為實驗周期，h；w0為試樣原始質量，g；w2為實驗后不含腐蝕產物的試樣質量，g；w3為清除腐蝕產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，可以將試片的失重換算為腐蝕深度，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 結果與分析

3.1 結垢因素指標的確定

3.1.1 硬度的影響

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

實驗溶液以分析純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，設定的工作環境為壓力10 MPa，溫度300 ℃，在持續運行48 h后，用稱重法測量其試片質量變化，并結合污垢的密度，計算預測出金屬表面的年結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垢的主要因素。GB/T 12145—1999規定：當汽包爐過熱蒸汽壓力范圍為5.9～12.6 MPa時，硬度標準為≤2 μmol/L；當汽包爐過熱蒸汽壓力范圍為12.7～15.6 MPa時，硬度標準為≤1 μmol/L；直流鍋爐水質的硬度標準為0。而 SY 0027—94注汽鍋爐的硬度標準為＜0.1 mg/L（以CaCO3計），可以換算為2 μmol/L，與電站鍋爐相差不大。

由于 SAGD汽包爐預定的運行壓力為 10～14 MPa，因而根據實驗結果，并結合鍋爐運行的相關理論經驗，可以初步確定SAGD汽包爐水質的硬度指標為≤2 μmol/L。

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

3.1.2 Fe含量的影響

當鍋爐水中的Fe含量過高時，會在熱負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垢速度關系如式（3）[7]。

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

允許的年結垢量為8～10 mg/cm2，因此，熱負荷為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際運行情況比較接近。預定SAGD汽包爐的運行壓力范圍為10～14 MPa，且SAGD汽包爐產生的蒸汽只要略微過熱即可，因而過熱器的熱負荷要小于電站鍋爐。通過對表1中國內不同鍋爐水質標準對Fe含量限制的對比分析，SAGD汽包爐的水質標準可以參考GB/T 12145—1999中比其壓力低一級的鍋爐指標，因此，初步確定SAGD汽包爐給水的鐵含量指標為≤30 μg/L。

3.1.3 Cu含量的影響

在局部熱負荷很高的爐管內可能會有銅垢生成，尤其是經常超負荷運行的鍋爐或者更爐膛內燃燒工況變化引起局部熱負荷過高的鍋爐，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；當給水Cu濃度上升到0.04 mg/L時，鍋爐中的沉積量可達到0.036 mg/L。

Cu的沉積主要與管壁熱負荷相關，而 SAGD鍋爐管壁受熱情況與電站汽包爐基本相同，并且預定 SAGD汽包爐的運行壓力范圍大約為 10～14 MPa，因而通過分析國內各個鍋爐水質標準對比，SAGD汽包爐 Cu含量的標準可以參考 GB/T 12145—1999的規定，可以初步確定SAGD汽包爐給水的銅含量指標為≤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鍋爐運行中較常見的事故。這主要是由于水中的油含量較高引起的。實驗用水采用純水與遼河油田的軟化水進行配比，在熱負荷一定的條件下，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。

可以看出當水中含油量達到5 mg/L時，汽水分界面處有形成輕微的泡沫層，而當含油量到達 60 mg/L時，水中的形成的泡沫比較嚴重，可能造成嚴重的汽水共騰。在鍋爐運行中，由于水的不斷蒸發濃縮，鍋爐爐水中的油含量要遠高于給水含量，而SAGD汽包爐設計濃縮倍率取20倍左右，因而根據實驗結果，給水的含油量要小于0.25 mg/L就不會生成泡沫層。

結合國內外鍋爐的實際運行經驗可以得知，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、汽包結構等與電站鍋爐相近，汽包內的水處理也相同，根據實驗結果水中含油量要求也和電站鍋爐相差不大，考慮到實驗室試驗情況并不一定完全反映鍋爐實際運行情況，而電站鍋爐水質標準是多年鍋爐運行經驗的總結，因而SAGD汽包爐的水質標準可參考GB/T 12145—1999的規定，由于預定SAGD汽包爐的運行壓力為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，金屬腐蝕越嚴重，因此亟需確定鍋爐給水中的溶解氧含量標準。

實驗通過把氧氣通入純水中，利用水質分析儀測定水中的含氧量，用NaOH溶液調節水的pH值為9，然后在高溫反應釜中調節實驗水溫，運行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，金屬的腐蝕就越嚴重，這是因為隨著溫度的升高，各種物質在水溶液中的擴散速度加快，電解質水溶液的電阻降低，就會加速腐蝕電池陰陽兩極的擴散速度。在一定條件下，金屬的腐蝕速度隨著含氧量的升高而增加，如當溫度為200 ℃時，當含氧從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果，因而最終SAGD水質指標中的含氧量的確定要參考國內外鍋爐運行的實際情況，并對比相關水質標準，綜合分析而得出。

對SAGD汽包爐來說，預定運行壓力為10～14 MPa，蒸汽溫度不超過420 ℃，鍋爐整體結構和運行參數與電站鍋爐都比較接近，水中溶氧對SAGD鍋爐產生腐蝕的主要部位也應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，而且當溶液中同時存在 O2和 CO2時，兩者會加劇爐管的腐蝕。實驗通過在一定條件下，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。研究發現CO2對腐蝕有著明顯的促進作用，當溫度為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，就可以減少金屬的腐蝕。所以GB/T 12145—1999的給水指標中并沒有規定CO2的范圍。

在電站鍋爐熱力系統中，最容易發生CO2腐蝕的部位是凝結水系統，對鍋爐其它部位的腐蝕影響不大。由于SAGD汽包爐的水循環系統與電站鍋爐不同，該系統沒有凝結水系統，因此，CO2腐蝕的影響不大，并且只要保證給水的pH值符合水質標準，就可以避免CO2腐蝕，因而給水中CO2含量的標準可以放寬，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致腐蝕速度加快。

為了確定SAGD汽包爐水質標準中的pH值參數指標，實驗利用HCl和NaOH調節水質，利用水質分析儀測定水的pH值，然后在高溫反應釜中調節實驗水溫，運行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pH值為9左右時，金屬的腐蝕最輕；當pH＜7時，隨著pH值的減小，金屬腐蝕速度迅速增加。當pH值降到4時，金屬腐蝕速度是pH值為9時的3倍；當pH＞11時，隨著pH值的增大，金屬的腐蝕速度迅速增加，當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行。

通過實驗數據和國內鍋爐運行經驗可知，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規定，有銅系統的pH值應該在 8.8～9.3。這是因為電站鍋爐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行水處理，所以可以給水的pH值的上限要求可以適當放寬，初步可定為8.8～10。

4 結 論

（1）基于在高溫高壓反應釜內對注汽鍋爐的模擬研究以及對現有的水質標準的分析，確定了SAGD汽包爐的水質指標中影響鍋爐管內結垢的硬度、鐵、銅含量指標，影響鍋爐管內腐蝕的pH值、Cl?、O2和 CO2等因素的指標以及影響鍋爐汽水共騰的水中含油量指標。確定的SAGD汽包爐的初步水質指標要求如表4所示。

表4 SAGD汽包爐的給水水質指標

（2）預定SAGD汽包爐的運行壓力約為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一致；由于無需納入汽輪機安全運行的影響，SAGD汽包爐水質指標中 pH值、CO2含量、鐵含量以及硬度可以在電站鍋爐水質指標的基礎上進行適當的放寬。

（3）本研究基于高溫高壓反應釜內的實驗無法完全模擬SAGD汽包爐的實際運行情況，因此，針對初步制定出的SAGD汽包爐的水質指標，需要進行進一步的驗證和修正。接下來的工作需要針對初步制定的水質指標，在中試實驗裝置中進行現場的實驗研究和綜合分析，得出最終的SAGD汽包爐安全運行水質指標。

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