海上热采锅炉给水系统脱盐工艺的比选与评估

田 莉，陈 赞，刘宗园，李 阳，王林江，苗世举，李鸿宇，张树友

（中海油天津化工研究设计院有限公司，天津 300131）

海上稠油资源丰富，仅渤海地区已探明必须采用热采方式开发的稠油地质储量近6.3×108t，超过渤海储量一半以上，将稠油储量变产量是实现我国海洋石油事业高质量发展的重要保障。然而由于稠油高黏度、高凝点、流动性差等特点，常规的开采技术难以满足要求，因此开发海上稠油热采技术是必须攻克的难题[1，2]。

相对于陆地稠油热采开发，海上稠油热采风险高、投资大，采油平台空间小、承重能力有限、寿命短，面临的条件更加恶劣。故热采锅炉水处理系统工艺应综合考虑占地、质量、处理规模及效果等多重因素，还要兼顾工程投资和运行成本的合理性，确保设备运维管理工作的稳定性、可靠性和便捷性。同时，热采锅炉给水的水质指标要求需遵循《稠油注气系统设计规范》（SY0027-2014）标准，尤其对离子含量、硬度等各项指标均要求非常高[3]。常规而言，热采锅炉水处理系统工艺包括预处理工艺、脱盐工艺和除氧工艺等[4-9]。

脱盐工艺作为海上稠油热采锅炉给水系统的关键工艺单元，主要去除有机物、无机物、离子等，其处理性能对锅炉用水水质起到关键性作用。海上热采锅炉给水的水源通常选用水源井水，针对这种水源特性对脱盐工艺的比选与评估鲜有报道。本研究以渤海水源井水为研究对象，进行脱盐工艺优选与经济评估，为海上热采锅炉水处理系统脱盐系统的工业化应用提供技术指导。

1 进出水设计要求

1.1 进水水质

渤海水源井水首先经过海上热采锅炉给水处理系统的预处理工艺，去除大量的悬浮颗粒物，然后进入脱盐工艺，水质指标（见表1）。

表1 经预处理工艺后水源井水的水质指标

1.2 出水水质

根据渤海某稠油油田热采锅炉给水的水质指标要求，得到脱盐工艺的出水水质要求（见表2）。

表2 出水水质指标要求

1.3 产水量确定

据了解，目前渤海某平台单套热采锅炉用水量为30 t/h。依据单套热采锅炉用水量，推算出单套脱盐装置产水量为30 m3/h，需求进水量需要通过不同脱盐工艺的回收率计算得到。

2 工艺比选

2.1 主体工艺框架

脱盐工艺的作用是有效地去除水中有机物、无机物、离子等物质，工业上常用的脱盐装置包括反渗透、EDI、离子交换器等[10-16]。根据出水的水质指标要求，如硬度≤0.1 mg/L、TDS≤1 000 mg/L，单独的脱盐装置无法满足技术要求，需要采用组合脱盐工艺，目前具有硬度、TDS 去除能力高的组合脱盐工艺有“反渗透+EDI”、“阴离子交换器+阳离子交换器”、“反渗透+钠离子交换器”等。阴、阳离子交换器需要采用大量的酸液和碱液进行树脂再生，而酸、碱液一旦出现泄漏情况对海上平台甲板会造成严重腐蚀影响，因此不采用阴、阳离子交换器，可选用“反渗透+EDI”和“反渗透+钠离子交换器”。

2.2 工艺比较

现将“反渗透+EDI”和“反渗透+钠离子交换器”两种脱盐工艺的技术参数进行比较（见表3）。

表3 脱盐工艺对比

根据工艺整体要求，两种脱盐工艺均满足产水水质技术要求，而在产水量同为30 m3/h 时，“反渗透+EDI”工艺的需求进水量（72 m3/h）高于“反渗透+钠离子交换器”工艺的需求进水量（56 m3/h），因此，“反渗透+EDI”工艺会增加前段预处理规模和占地面积，增加工程投资成本。这是因为“反渗透+EDI”工艺采用一级反渗透+二级反渗透+EDI，回收率分别为55%、85%和90%，得出整体工艺回收率为42%，回收率较低。而“反渗透+钠离子交换器”工艺为一级反渗透+一级钠离子交换器+二级钠离子交换器，二级钠离子交换器的回收率为99%，整个工艺收率为54%。

“反渗透+EDI”工艺抗冲击能力较低，主要原因在于EDI 进水水质要求很高，如达不到规定的水质要求会造成设备的停机或损坏。“反渗透+钠离子交换器”工艺抗冲击能力较强，主要是因为钠离子交换器能够在短时间内承受高负荷的水质条件，之后通过树脂再生后钠离子交换器还能够正常稳定运行。“反渗透+EDI”工艺产水水质（硬度0 mg/L、TDS 0.1 mg/L）更高，达到《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》（GB/T 12145）标准，适用于锅炉高蒸汽压力的火力发电机组及蒸汽动力设备[17]。鉴于本次热采锅炉给水的水质指标要求，脱盐工艺采用“反渗透+钠离子交换器”更具有适用性、可靠性和经济性。

2.3 具体工艺设计

“反渗透+钠离子交换器”工艺以进水水质为基础进行总体设计，设计年限一般为25 年。

（1）总体工艺流程（见图1）：经预处理后的水源井水经过反渗透增压泵、保安滤器、高压泵进入反渗透膜元件，膜产水进入RO 产水罐，膜浓水直接排海。RO 产水通过保安滤器和供水泵进入一级离子交换器和二级钠离子交换器，产水进入脱盐水罐。

图1 “反渗透+钠离子交换器”脱盐工艺流程图

（2）反渗透单元：反渗透单元主要包括增压泵、高压泵、RO 膜元件、RO 产水罐和清洗系统，主要去除水中大部分有机物、无机物和离子等。据相关工程经验，反渗透膜采用美国陶氏膜，膜元件的型号选用SW30HRLE-400i，具有高脱盐率和回收率，且运行压力低、能耗低。通过反渗透膜系统计算软件得到，该反渗透单元采用8 支膜元件，进膜压力选为3.2 MPa，反渗透单元进水量56 m3/h，膜产水量30.8 m3/h，膜浓水25.2 m3/h。反渗透单元产水水质（见表4）。

表4 反渗透单元产水水质

（3）钠离子交换器单元：钠离子交换器单元主要包括供水泵、一级钠离子交换器、二级钠离子交换器、脱盐水罐和再生系统，进行深度脱除Ca2+、Mg2+等二价离子。依据反渗透产水水质和工艺出水指标要求，离子交换器选用逆流再生固定床自动交换器，采用在线监测的控制方式，其型号表示为：NZT1200×2/30 型号，树脂选用强酸阳离子树脂（钠型），型号为001×7。根据《自动控制钠离子交换器技术条件》（GB/T 18300-2011）计算得到，钠离子交换器直径1 200 mm，高度3 000 mm，每台设备树脂填充体积2 300 L，钠离子交换器单元进水量30.8 m3/h，产水量30 m3/h，得出二级钠离子交换器产水水质（见表5）。

表5 二级钠离子交换器产水水质

3 经济评估

“反渗透+钠离子交换器”工艺设计处理量为30 m3/h，按年工作时长为6 000 h 计，年产水量为1.8×105m3，供于热采锅炉给水系统。该脱盐工艺生产1 t 淡水的成本计算方法见公式（1）。根据工艺运行成本的分析，对反渗透膜、树脂、再生盐及电耗等指标进行经济分析（见表6）。经核算，“反渗透+钠离子交换器”工艺生产每吨淡水的成本为1.4 元。

表6 “反渗透+钠离子交换器”工艺的技术经济指标

4 结论

通过比较“反渗透+EDI”和“反渗透+钠离子交换器”工艺，结果发现：

（1）“反渗透+钠离子交换器”工艺的产水回收率54%高于“反渗透+EDI”工艺的42%；

（2）“反渗透+钠离子交换器”工艺的前段预处理规模和占地面积均更小，工程投资成本较低，运行成本仅1.4 元/吨水；

（3）“反渗透+钠离子交换器”工艺的抗冲击能力更强；

（4）“反渗透+EDI”工艺的产水水质（硬度0 mg/L、TDS 0.1 mg/L）更优，但“反渗透+钠离子交换器”工艺的产水水质（硬度0.1 mg/L、TDS 920 mg/L）也能满足热采锅炉给水的水质指标要求。

综上，脱盐工艺采用“反渗透+钠离子交换器”更具有适用性、可靠性和经济性，是海上热采锅炉给水处理系统工业化应用宜采用的优选方案。