工業循環冷卻水系統運行控制措施

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

某敞開式循環水系統保有水量10000m3，由一個1500m3/h小涼水塔和三個5000m3/h涼水塔組成，合計設計循環量16500m3/h，目前循環量在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℃。循環水系統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 水質控制

循環水質在冬季運行時波動較大?；どa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備增設蒸汽伴熱線，因此在冬季運行期間會產生大量的富余凝液，很多化工生產裝置考慮經濟效益，會將富余的凝液代替新水作為循環水系統的補水，某循環水場各水質分析如下：

該循環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水系統的補水，循環水水質受到一定的影響，水質分析如表1所示。

表1 水質分析

由圖1可以看出，因富余凝液中鈣離子和總堿度非常低，使循環水系統運行的鈣離子和總堿度同步降低，水質明顯變軟，而冷卻水設計規范中循環水水質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。從運行數據上看，伴隨著鈣離子和總堿度均降至130mg/L時，循環水中的鐵離子快速上升，運行數據如圖2所示。

圖1 冬季凝液補水對循環水軟化的影響

圖2 同期鐵離子和鋅離子變化趨勢

從運行現象上看鈣離子和總堿度過低會導致循環水質偏向軟水腐蝕，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，反而對循環水的抑制結垢傾向控制更有利，但現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，無法形成膠溶狀態的以聚磷酸鈣為主的絡合離子，進而無法與水中的亞鐵離子結合成聚磷酸亞鐵鈣離子，無法再經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，加速系統管線及換熱器表面的均勻電化學腐蝕，表現為鐵離子指標快速上升，同時水中的多孢泉發菌、赭色纖發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。

從該循環水場運行數據上看，當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致破損失效，因此日?？刂蒲h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，隔絕金屬與循環水溶解氧的直接接觸，抑制腐蝕發生。

根據運行經驗，當循環水因水質變軟腐蝕加劇，總鐵含量長期呈明顯上升趨勢時，在超出約0.8mg/L時就應將緩蝕劑量迅速加大，循環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，才能在兩周內恢復循環水質。

該循環水場冬季運行方案采用補加氯化鈣粉末維持系統鈣離子含量在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，保證了冬季平穩運行。

另循環水系統夏季蒸發量增大，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濟性，日常排污置換量僅在10m3/h左右，循環水長期濃縮，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垢現象，一般采取連續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

循環水冷器作為循環水大系統的終端用戶，往往涉及各生產裝置，換熱條件及工藝物料非常復雜，一旦發生泄漏，油品通過水冷器漏點進入循環水系統中，便會不同程度的影響循環水水質，該循環水場采取余氯分析、VOC日常監測、濁度聯合CODcr化驗分析及TOC快速排查三種方法協同排查，保證及時發現水冷器漏點，避免大量工藝物料進入水系統，提供碳源而引起細菌滋生。

余氯分析一般由循環水藥劑服務廠商定期監測，當含有硫化氫、二氧化硫、氨、汽油類物料泄漏至循環水系統中，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，因此針對循環水總池的余氯值監控也能及時發現系統有無較大泄漏。該廠VOC日常監測由各生產裝置對所用的循環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，確認是否有揮發性有機化合物。循環水雖添加日常藥劑，但其一般不含有揮發性有機化合物，因此一旦VOC檢測出數據，基本可以確定存在泄漏，應立即針對性采取濁度聯合CODcr化驗分析，經驗上看發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果，為了更好的定位泄漏水冷器，該循環水場增加了便攜式TOC檢測儀檢測，即同時對水冷器進出口取水樣分析，根據數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

根據現場檢測經驗，循環水系統正常情況下一般K值不會超過1%，當K>2%時可斷定存在泄漏，當K>6%時可判斷存在較大泄漏。

循環水系統的排查，基本都是從各裝置界區開始，逐一追溯定位至泄漏換熱器，該循環水場通過以上三種方法協同監測水冷器，可在泄漏初期及時發現并查找到漏點，通過應急處理保證了循環水水質的長期平穩運行

4 水冷器反沖洗

在周期性的大檢修期間，各裝置循環水冷器進行了抽芯作業，觀察現場情況，發現腐蝕嚴重部分基本在地理高點的殼程換熱器、存在冷負荷頻繁調整的成套設備換熱器、設計余量過大的換熱器以及工藝溫度超100℃的水冷器，同時發現由于是敞開式循環水系統，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，該循環水場在保證調整優化各水冷器循環水管程流速大于1.0m/s，殼程循環水流速大于0.3m/s的運行標準前提下，采用在現換熱器循環水進口線上增加適當大小的導淋排口，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及防止堵塞結垢腐蝕效果非常明顯。

5 結語

循環水作為化工生產裝置關鍵的換熱系統，對各生產裝置的連續平穩運行起著決定性作用，但由于循環水自身性質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變時，往往會造成較大的經濟損失，因此關注水質控制及系統用戶換熱器運行情況非常重要，提前預防及時診斷異常問題，采取應對措施以減少和避免大的泄漏腐蝕，對整個循環水系統延長使用壽命有著顯著的幫助，進而可大大降低企業的整體運行成本。