MVC 工藝在高鹽稠油采出水資源化工程中的研究及應用

趙桂龍 陳艷萍

1中石化石油工程設計有限公司水處理及熱力工程設計所

2新疆油田公司新港公司

MVC 工藝技術（Mechanical Vapor Compression）首先應用于遠洋輪船上的海水淡化方面，目前已經在缺水國家的海水淡化、油氣田廢水處理及水的脫鹽等領域得到廣泛應用。國內多采用熱采方式進行稠油開采（蒸汽驅），在消耗大量清水資源的同時，也產生了大量的高溫稠油采出水。若將這些高溫稠油采出水進行深度處理后回注注汽鍋爐，既可節約清水，又能緩解注水壓力，同時能夠充分利用采出水的余熱資源，最終達到油田污水資源化的目的。

1 項目背景

國內某稠油油田目前建有兩座聯合站，站內建有含油采出水處理及回注系統。運行期間，污水回注面臨如下問題：

（1）地方環保部門對現有生產方式提出限制要求。

（2）采出水回注量增大，富余采出水無法容納，面臨竄流風險。

由于環保政策不允許污水外排，富余水目前只能通過回注地層處置。然而，采出水回注地層容量有限，且浪費了大量熱能。因此，將富余采出水資源化處理后替代清水回用注汽鍋爐[1]，是油田可持續發展的需要，也符合油田循環注采理念。

2 預處理工藝選擇

目前國內外高鹽稠油采出水資源化處理后主要用于注汽鍋爐補水，其工藝核心主要是脫鹽除硬，為使脫鹽除硬裝置正常運行，系統前端需要先除油、除懸浮物及除硅。

該稠油油田的來水水質及注汽鍋爐用水水質如表1、表2 所示。

表1 來水水質檢測Tab.1 Inlet water quality inspection

表2 注汽鍋爐用水水質對比Tab.2 Water quality comparison of steam injection boiler

2.1 除油及除懸浮物工藝

采出水處理過程中，除油及除懸浮物常用的工藝組合主要有以下幾種：

（1）重力除油+過濾工藝。處理流程：來水→一次除油罐→混凝沉降罐→緩沖罐→提升泵→過濾器（圖1）。

優點：處理水質平穩，效果好，操作簡單、運行能耗低，抗負荷沖擊強。

缺點：占地面積大，排泥困難。

（2）壓力除油+過濾工藝。處理流程：來水→接收罐→提升泵→壓力除油罐→混凝沉降罐→過濾器（圖2）。

圖1 重力除油+過濾流程Fig.1 Flow of gravity oil removal+filtration

圖2 壓力除油+過濾流程Fig.2 Flow of pressure oil removal+filtration

優點：設備體積小、停留時間短、產泥少、不曝氧、操作管理方便。

缺點：抗沖擊負荷能力弱。

（3）除油+氣浮+過濾工藝。處理流程：來水→一次除油罐→氣浮機→緩沖罐→提升泵→過濾器（圖3）。

圖3 除油+氣浮+過濾流程Fig.3 Flow of oil removal+air flotation+filtration

優點：處理水質平穩，占地面積小，效果好，操作簡單，排泥含水量少。

缺點：能耗高，投資較重力除油+過濾工藝高。

本次研究的采出水來自于稠油熱采油田淺層超稠油油藏采出液的大罐分水，稠油黏度3 000～9 000 mPa·s，礦化度1.5×104～4.2×104mg/L，來水工作溫度72～80 ℃，屬于典型的高鹽稠油采出水。考慮到該油田為稠油油田，采用氣浮能夠有效去除油水密度差小的稠油、特稠油和超稠油采出水，同時對粒徑較小、乳化嚴重的水中原油也有一定的去除作用，因此在本段采用了“除油+氣浮+過濾”[2]的除油、除懸浮物預處理工藝。

2.2 除硅工藝

目前除硅工藝主要是在罐體或池體內投加MgO，使之生成MgSiO3沉淀。

除硅原理[3]：采出水中投加NaOH、混凝劑及MgO 時，會形成Mg(OH)2沉淀顆粒，該顆粒表面能吸附水中大部分硅化合物，然后逐漸變成難溶的MgSiO3，還有一些膠態硅化合物在混凝過程中生成難溶的CaSiO3而被除掉。

根據來水中二氧化硅濃度（210 mg/L）及注汽鍋爐用水對硅含量的要求，采出水流程需考慮除硅。通過調研及資料查閱，除硅主要在池體或罐體內進行，通過調pH 值及加藥反應，在除硅的同時，鈣、鎂等離子亦得到一定的去除。

在理論計算除硅裝置及裝置內藥劑投加量的同時，對澄清器進口采出水進行了連續取樣，單次試驗共6 組，在室內通過六聯攪拌器模擬澄清器的操作條件，投加pH 調節劑[4]將pH 值調至10.8，通過調整加藥種類、試驗原水的溫度以及藥劑的供貨廠家等，進行混凝沉降對比試驗，以確定化學藥劑的最佳投加種類及藥劑量（表3）。

表3 室內試驗投加藥劑種類統計Tab.3 Statistics of the types of chemicals added in the laboratory test

室內試驗攪拌開始、攪拌20 min 效果、攪拌30 min 效果如圖4、圖5、圖6 所示。

室內試驗結束后，按照試驗確定的最佳藥劑投加量和投加種類，對現場澄清器進行連續加藥。經過數天的試驗檢測，采出水來水二氧化硅濃度平均在160 mg/L 左右，除硅后二氧化硅濃度平均在5 mg/L 左右，達到了預期的效果。

現場調試期間除硅前后二氧化硅含量曲線如圖7 所示。

圖4 攪拌開始Fig.4 Start of stirring

圖5 攪拌20 min 效果Fig.5 Effect of stirring for 20 min

圖6 攪拌30 min 效果Fig.6 Effect of stirring for 30 min

圖7 現場調試期間除硅前后二氧化硅含量曲線Fig.7 Silicon dioxide content curve before and after silicon removal during site commissioning

現場試驗期間，澄清器除硅排泥為間歇排放，產生污泥量約為水量的2%（含固率4%～6%），由于前端控制了含油，污泥中主要成分為碳酸鈣及硅酸鎂，通過污泥輸送泵輸送至污泥濃縮罐后，污泥極易沉降，需通過刮泥機運轉防止罐底淤堵。

3 脫鹽除硬工藝選擇

稠油采出水資源化處理過程中，油和懸浮物去除工藝較成熟，工程一次投資和處理成本較低，技術難題主要在脫鹽、軟化、阻垢等方面。國外對于稠油采出水資源化處理技術研究和工程應用主要集中在美國和加拿大。常用的脫鹽除硬工藝對比如表4 所示。

由于油田采出水水質、水性復雜多變，膜法工藝在含油污水處理上存在含油、腐蝕結垢、溫度過高等問題，而采用機械蒸汽壓縮工藝可充分利用采出水溫度高的特點，進而降低能耗。

根據來水含鹽量、硬度、水溫等水質條件，以及處理工藝中需蒸發脫鹽、蒸發后產品水（用于注汽）及濃水（回注）用途等，最終選擇了機械壓縮蒸發工藝進行脫鹽除硬。

針對稠油熱采油田淺層超稠油油藏的水質特點，前期進行了“預處理+豎管降膜MVC“工藝的現場試驗，采用豎管降膜蒸發工藝在技術上是可行的，產水率可達80%，高溫污水的熱能得到了充分利用。但該工藝存在裝置能耗高、水質硬度高、易結垢等問題。

水平管降膜蒸發裝置與豎管降膜蒸發裝置[6]的工藝選擇對比，如表5 所示。

表4 常用脫鹽除硬工藝對比Tab.4 Comparison of common desalting and havdness removing processes

表5 MVC 蒸發裝置的工藝選擇Tab.5 Process selection of MVC evaporation device

4 水平管降膜MVC 工藝技術

水平管降膜MVC 工藝目前在國外及國內均有應用。國外主要是在加拿大、德國等煉化企業的污水處理中應用，包括德國Wintershall 采油廠煉化項目及加拿大Alberta（阿爾伯塔）SAGD 采油公司，均采用了水平管降膜MVC 工藝；國內的天津東疆電廠，采用了以色列的水平管降膜MVC 蒸發裝置，用于含水淡化處理。另外，國內公司在煉化、醫藥行業應用過MVC 蒸發裝置，但主要采用了高轉速的壓縮機，能耗較高。

4.1 工作原理

水平管降膜MVC 蒸發裝置的工作原理如圖8 所示。該裝置利用渦輪增壓原理，通過壓縮機將高鹽污水蒸發產生的蒸汽增壓升溫后，再作為熱源供高鹽污水蒸發使用，同時蒸汽冷凝后轉化為脫鹽后的產品水，高鹽污水中的鹽分得以濃縮后作為濃水排放或進一步結晶制鹽。

4.2 工藝流程

該系統由2 套水平管降膜MVC 蒸發裝置組成，用于處理經過預處理的脫油采出水。每套機械式蒸發裝置設有3 效，1 臺蒸汽壓縮機和多個配套系統。

圖8 水平管降膜MVC 蒸發裝置工作原理Fig.8 Working principle of horizontal tube falling film MVC evaporation device

水平管降膜MVC 蒸發裝置的工藝流程如圖9所示。

工藝水首先進入脫氣裝置（冷凝器）去除不凝結氣體，蒸發裝置內置的噴淋系統以降膜流的形式將入料水均勻噴淋在頂層水平布置的換熱管外表面，并形成連續薄膜狀水流至整個管束，管外吸收潛熱產生蒸發，而管內釋放潛熱后產生冷凝。

圖9 水平管降膜MVC 蒸發裝置工藝流程Fig.9 Process flow of horizontal tube falling film MVC evaporation device

在管外側蒸發后的蒸汽經過一個雙層鹽霧分離器排掉夾帶的水滴進入到第二效段中去，在熱交換管內側作為動力驅動源。第一效段中未蒸發的濃水，一股繼續在本效段循環，另一股經循環泵打入第二效段并作為入料水噴淋在換熱管外側產生蒸發；第二效段產生的蒸汽通過除霧器后進入第三效段中。第二效段中未蒸發的濃水經循環泵打入第三效段中并作為入料水噴淋在換熱管外側蒸發。最后，從第三效段產生的蒸汽通過除霧器后進入到壓縮機內，通過壓縮增壓升溫后進入到第一效段體內的換熱管束內側。

4.3 系統工藝

水平管降膜MVC 蒸發裝置主要由不凝氣（NCG）處理系統、蒸發系統、蒸汽壓縮系統組成。

4.3.1 蒸發系統

蒸發裝置內循環的濃水一部分從圓管的外表面蒸發出來，而壓縮機壓縮蒸汽則進入圓管內，并在圓管內冷凝。濃水通過多根在管束上方組裝完成的平行縱集流管進入蒸發裝置內。集流管裝有噴嘴，利用噴嘴將濃水分布在最上面一排的圓管上。

給水以降膜的形式噴灑至管束外表面進入降膜中的管束中形成液膜[8]，一部分給水急驟蒸發成蒸汽。然后蒸汽縱向流入效段的后部，出現在管束之間的通路以及沿管束側面的通路位置。

蒸汽通過百葉式蒸汽除霧器，然后在下一個效的管道內冷凝，或轉到壓縮機吸風口。未蒸發的剩余濃水流經一個管道接口從筒體的底部進入循環或濃水外排管道。

壓縮機通過抽吸使殼程腔體形成負壓，從而使工藝水在低于70 ℃時達到沸點而產生蒸發。其中絕壓、真空度與沸點之間關系如表6 所示。

表6 絕壓、真空度與沸點之間關系Tab.6 Relationship among absolute pressure，vacuum degree，and boiling point

蒸發熱的計算公式如下：

式中：Q1為蒸發熱，W；G1為飽和蒸汽量，kg/h，取34 800 kg/h；G2為濃縮水量，kg/h，取110 000 kg/h；h1為66 ℃飽和水焓值（即預熱后的進料飽和水焓值），kJ/kg，取278 kJ/kg（查表）；h2為63.5 ℃飽和水焓值（即換熱管外的蒸發飽和水焓值），kJ/kg，取266 kJ/kg（查表）；h3為70.8 ℃飽和蒸汽焓值（即換熱管內的飽和蒸汽焓值），kJ/kg，取2 628 kJ/kg（查表）。

而蒸發裝置各效的換熱面積，則可根據蒸發熱、傳熱系數[9]和傳熱溫差（即換熱管外蒸汽溫度與換熱管內水的蒸發溫度差）計算得出。

4.3.2 蒸汽壓縮系統

離心式蒸汽壓縮機作為主要設備，需要在真空環境下運行。風機的運轉需借助變頻器調節。

離心式蒸汽壓縮機的轉速為3 000 r/min 左右，溫度升高約7 ℃。

根據壓縮機過氣量、進口溫度、進口壓力、出口溫度、出口壓力等，可得出壓縮機的壓縮比。

蒸汽壓縮風機為系統運行提供動力。風機作為一個重要且靈敏部件，應配備適當的儀表對其進行監測和控制。風機中徑流式風扇是用于運送空氣、與空氣相似的氣體或氣體混合物的設備。徑流式風扇由離心力驅動，風扇中的氣流方向與旋轉軸平行，氣流以垂直于葉輪的方向進入，隨后在離心力的作用下排放出去。

4.4 內構及布管

水平管降膜蒸發裝置共有3 臺內徑為4.80 m，長度為6.60 m 的蒸發裝置筒體。每臺筒體均含有11 500 余根換熱管。借助專用管板將換熱管安裝在蒸發裝置的兩側，并利用專用的氟橡膠墊圈將其密封至管板上。

蒸發裝置筒體內換熱管的高潤濕率（換熱管的截面上，單位長度的管壁上的液體體積流量）最大程度上防止了腐蝕和結垢，換熱管之間足夠大的間隙避免了結垢搭橋；另外，通過加大間距，在流速增大的情況下，使得降膜更加平滑，換熱管上不會產生液體飛濺。

蒸發裝置換熱管的上述特點保證了降膜蒸發的穩定性。

5 MVC 工藝應用

5.1 建設概況

根據前期預處理及脫鹽除硬等研究成果，在該油田新建了一座產品水規模達5 000 m3/d 的稠油熱采采出水資源化處理站，項目采用了“預處理+MVC 多效蒸發+深度處理”的工藝，用油田采出含油污水作為原水，深度處理達到注汽鍋爐用水標準，產品水全部回用油田開發注汽。

含油污水資源化處理站工藝主流程如下：

污水處理站來水→接收緩沖罐→進水提升泵→進料罐→IGF 氣浮裝置→氣浮出料泵→核桃殼過濾器→澄清器→溢流罐→后過濾器給水泵→后過濾器→蒸發裝置進料罐→蒸發裝置進料泵→MVC 蒸發裝置→脫離子水罐→離子交換裝置→外輸緩沖罐→清水外輸泵→外輸注汽。

站內應用了2 套水平管降膜MVC 蒸發裝置，3效蒸發，產水規模5 000 m3/d，回收率60%～75%，設備年利用率≥96%。

新建的采出水資源化處理站如圖10 所示。

圖10 采出水資源化處理站站場全景Fig.10 Panoramic view of produced water resource utilization station

5.2 應用效果

該項目于2017 年5 月上旬完成工程建設，8 月底成功產出合格產品水，完全滿足預期要求，實現了水平管降膜低溫多效蒸發工藝在國內含油污水行業應用零的突破。含油污水經油田污水站預處理后進入本站，經氣浮及核桃殼除油、軟化除硬后進入MVC 蒸發裝置系統進行脫鹽處理，產出合格的脫鹽水，經離子交換深度除硬后回用注汽鍋爐。

系統運行過程中，藥劑投加種類及對應加藥點如表7 所示。

表7 藥劑投加種類及對應加藥點Tab.7 Dosing type and corresponding dosing point

裝置的進出水水質指標如表8 所示。

表8 MVC 蒸發裝置進出水水質指標Tab.8 Water quality index of inlet and outlet water of MVC evaporation device

系統運行期間，采出水經過氣浮及核桃殼除油后控制含油濃度不超過2 mg/L，軟化除硬后的二氧化硅濃度在10 mg/L 內；出水經后過濾器過濾后的懸浮物濃度達到了2 mg/L；進入MVC 蒸發裝置系統進行脫鹽處理后，脫鹽水含鹽量≤2 mg/L；總硬度≤0.5 mg/L，脫鹽水經離子交換深度除硬[10]后，總硬度控制在了0.1 mg/L 以內。由于預處理把控嚴格，各構筑物尤其是脫鹽除硬裝置運行效果較好。

截至目前，2 套MVC 蒸發裝置在含油采出水資源化處理站已平穩運行了近兩年時間，產水率[11]（69.5%）和產水水質均達到了理想的效果，產品水電耗不超過10 kWh/m3，完全滿足了注汽用水的水質要求。

6 MVC 蒸發裝置的受限因素分析

上述資源化站中應用的水平管降膜MVC 蒸發裝置設備罐體直徑5.3 m，最大高度9.8 m，單效凈質量47 t，3 效總長約30 m。經前期調研、現場安裝及運行效果發現，MVC 蒸發裝置在設備安裝周期、電耗及維護方面有一定的優勢，同時也存在局限性，尤其是設備加工、運輸、現場組裝及投資方面。

6.1 加工

據了解，MVC 蒸發裝置加工圖紙使用的是ASME（美國機械工程師協會標準）標準，除了對圖紙的專業理解，還要嚴格標準和材料的轉換。筒體是整個MVC 裝置的核心，加工精度非常高。

2 套MVC 裝置的筒體噸位質量達240 t，加工制造過程中涉及大型容器板材下料、組對、焊接、打磨、防腐、保溫、整體裝配，以及多材質、多工位復雜工藝管線的連接等大量工作。設備尺寸大、安裝、焊接、防腐等要求高，需在距離現場較近的有能力的加工廠進行組裝加工，由此對加工廠的能力及安裝團隊的水平提出了較高的要求。

6.2 運輸

由于設備高度及長度問題，MVC 蒸發裝置需分解運輸，由政府協調，提前跑線、修路并拆除運輸過程中的障礙等，協調復雜且運輸費用較高。

6.3 現場組裝

由于是拆解運輸到現場，需要重新對其進行組裝及安裝，耗時約3～4 周，時間較長。另外，從蒸發裝置上部筒體及下部配管的組裝精度上，對現場吊裝設備的起吊能力及人員的安裝水平提出了較高的要求，進而使組裝費用較高。

6.4 投資

由于該項目應用的MVC 蒸發裝置核心部件為以色列進口，安裝在新疆的室外，對嚴寒及酷暑的環境適應能力要求較高，因此設備整體費用（包括設備費、現場服務費、增值稅、關稅、設備運輸及吊裝費、安裝費、運輸保險費、匯率影響等）十分昂貴。

通過以上分析，在下一步選擇以該設備為核心裝置的工藝時，需重點考慮使用地點周邊的設備加工及組裝能力，以及運輸距離、道路情況等，以免造成過大的運輸等費用。

項目運行期間，系統運行費用主要包括電費、藥劑費、水費、污泥處置費等。電費主要是系統運行過程中裝置的電耗費用，約占運行費用的50%～60%，其中MVC 蒸發裝置為整個系統耗電最大的裝置，由于使用了低轉速壓縮機，產品水電耗不超過10 kWh/m3（各地工業用電費用不同，新疆地區較低），但仍占到整個系統電耗的70%左右；藥劑費主要是澄清器中投加的氫氧化鈉、氧化鎂、混凝劑、絮凝劑等藥劑投加費用，藥劑成本約2元/m3產品水，后期由于水質的變化，又增加了除硫、除氟、除鍶等藥劑，成本增加較多；水費主要是配藥用水產生的服務水費用，用水量在10～15 m3/h；污泥處置費主要是澄清器排泥產生的污泥處置費用，系統日產泥約20 t（含水50%）左右，處置費用約550 元/t。

7 結束語

目前，稠油開發大都采用熱采高壓注汽開發，耗用大量的地下水，對原油處理過程中脫出的大量污水回注地層，造成地下水位降低、富余污水量增大及地層壓力升高。隨著油田開發后期注水量的不斷增加，地層壓力隨之升高，達到極限時回注水沿斷層竄流將造成重大損失。

水平管降膜MVC 蒸發裝置在含油采出水資源化處理站工程上成功投產運行后，在節省鍋爐注汽用清水處理費、節省熱能、節約污水回注用電費的同時，將極大地緩解了開采新鮮水注汽消耗地下水資源與回注地層無法容納富余污水的雙重矛盾，有利于對當地地下水環境的管理和保護，降低區域水平衡影響，具有較大的節能及環保效益，并對油田的生產和生態保護具有重要意義。

由于該裝置電能消耗大，因此在后續工程應用中，預熱的利用和降低能耗顯得越來越重要。另外，改進和創新蒸發裝置結構，控制蒸發裝置的結垢，將會使以水平管降膜MVC 蒸發裝置為核心工藝的低溫脫鹽技術在后續海水淡化、氣田采出水深度處理、高純度脫鹽水、發電站、油田（鍋爐給水水源）等行業中得到更廣泛的應用。