工业循环冷却水系统运行控制措施

王伟龙 赵建武 徐文博 刁晶晶 刘英明

(新疆天利石化控股集团有限公司，新疆 克拉玛依 833699)

1 项目背景

某敞开式循环水系统保有水量10000m3，由一个1500m3/h小凉水塔和三个5000m3/h凉水塔组成，合计设计循环量16500m3/h，目前循环量在13000m3/h。送水和回水温度分别为≤28℃和≤38℃，实际运行温差5℃。循环水冷却器的工艺物料的最高温度为180℃，绝大部分温度小于110℃。循环水系统在旁滤投用时最大瞬时排污量200m3/h，受下游污水处理限制，旁滤长期关闭。夏季正常排污量约30m3/h，冬季正常排污量约10m3/h。补水由新水和凝液共同组成，原则上全部使用凝液后仍不够时补加新水，冬季补水凝液150m3/h且基本无新水，夏季补水凝液90m3/h且新水80m3/h。

2 水质控制

循环水质在冬季运行时波动较大。化工生产装置由于换热器加热的需求，往往会使用到蒸汽，加之冬季运行各易冻凝的管道设备增设蒸汽伴热线，因此在冬季运行期间会产生大量的富余凝液，很多化工生产装置考虑经济效益，会将富余的凝液代替新水作为循环水系统的补水，某循环水场各水质分析如下：

该循环水场随着冬季的到来，凝液量增加，采用150m³/h的凝液完全替代新水作为循环水系统的补水，循环水水质受到一定的影响，水质分析如表1所示。

表1 水质分析

由图1可以看出，因富余凝液中钙离子和总碱度非常低，使循环水系统运行的钙离子和总碱度同步降低，水质明显变软，而冷却水设计规范中循环水水质指标一般仅有钙离子和总碱度的上限值，如总碱度≤400mg/L，钙硬≤800mg/L，总硬度≤1100mg/L，但未对下限值进行约束和要求。从运行数据上看，伴随着钙离子和总碱度均降至130mg/L时，循环水中的铁离子快速上升，运行数据如图2所示。

图1 冬季凝液补水对循环水软化的影响

图2 同期铁离子和锌离子变化趋势

从运行现象上看钙离子和总碱度过低会导致循环水质偏向软水腐蚀，铁离子含量加速上升。理论上本身钙离子过低并没有太大影响，反而对循环水的抑制结垢倾向控制更有利，但现在市面上药剂处理厂家的阻垢缓蚀剂中，有一些需要钙离子达到一定程度才能形成足够完整的膜，原理上主要是水钙离子偏低，无法形成胶溶状态的以聚磷酸钙为主的络合离子，进而无法与水中的亚铁离子结合成聚磷酸亚铁钙离子，无法再经腐蚀电流作用在金属表面形成致密的电沉积膜，因此软水有利于溶解氧向金属表面扩散，加速系统管线及换热器表面的均匀电化学腐蚀，表现为铁离子指标快速上升，同时水中的多孢泉发菌、赭色纤发菌和含铁嘉利翁氏菌等丝状铁细菌迅速滋生，吸收水中的亚铁盐并催化二价铁氧化成三价铁后促使系统金属表面更多的铁离子溶入水中，造成均匀腐蚀加剧。

从该循环水场运行数据上看，当水中钙离子低于临界值130mg/L时，因沉积膜无法及时形成和补充而导致破损失效，因此日常控制循环水硬度不能过低的目的就是为了使水垢在金属表面形成一个保护层，隔绝金属与循环水溶解氧的直接接触，抑制腐蚀发生。

根据运行经验，当循环水因水质变软腐蚀加剧，总铁含量长期呈明显上升趋势时，在超出约0.8mg/L时就应将缓蚀剂量迅速加大，循环水缓蚀剂一般采用氯化锌，将锌离子含量控制在2.0mg/L以上，对较高铁离子的抑制效果才会比较明显。辅助加大排污置换，才能在两周内恢复循环水质。

该循环水场冬季运行方案采用补加氯化钙粉末维持系统钙离子含量在150mg/L以上，同时增加缓蚀剂注入量，控制锌离子1.9～2.5mg/L，以抑制铁离子腐蚀，保证了冬季平稳运行。

另循环水系统夏季蒸发量增大，全部凝液(90m3/h)无法满足补水，需增加新水用量90m3/h，但考虑于新水用量经济性，日常排污置换量仅在10m3/h左右，循环水长期浓缩，使总碱度及钙硬同步上升，为了能更好的解决因钙离子、总碱度上升引起的结垢现象，一般采取连续投加浓硫酸以降低总碱度，增加分散剂投加浓度(总磷控制≤4mg/L提高至≤6mg/L)，同时降低缓蚀剂注入量，控制锌离子1.3～1.8mg/L，降低结垢离子浓度，以抑制垢下腐蚀，取得明显效果。

3 泄漏排查

循环水冷器作为循环水大系统的终端用户，往往涉及各生产装置，换热条件及工艺物料非常复杂，一旦发生泄漏，油品通过水冷器漏点进入循环水系统中，便会不同程度的影响循环水水质，该循环水场采取余氯分析、VOC日常监测、浊度联合CODcr化验分析及TOC快速排查三种方法协同排查，保证及时发现水冷器漏点，避免大量工艺物料进入水系统，提供碳源而引起细菌滋生。

余氯分析一般由循环水药剂服务厂商定期监测，当含有硫化氢、二氧化硫、氨、汽油类物料泄漏至循环水系统中，二氧化氯的消耗量会明显增加，在药剂投加量不变的情况下，余氯值会下降甚至检测不出，因此针对循环水总池的余氯值监控也能及时发现系统有无较大泄漏。该厂VOC日常监测由各生产装置对所用的循环水冷器回水进行取样，一方面观察颜色，另一方面使用便携式VOC检测仪进行检测，确认是否有挥发性有机化合物。循环水虽添加日常药剂，但其一般不含有挥发性有机化合物，因此一旦VOC检测出数据，基本可以确定存在泄漏，应立即针对性采取浊度联合CODcr化验分析，经验上看发生泄漏后水冷器进出口浊度差大于5NTU，CODcr>80mg/L时存在微量泄漏，CODcr>150mg/L存在较大泄漏，确认换热器泄漏后必须立即将水冷器切出系统进行检修。CODcr检测需要时间一般为2小时，对于样品较多时无法及时给出明确结果，为了更好的定位泄漏水冷器，该循环水场增加了便携式TOC检测仪检测，即同时对水冷器进出口取水样分析，根据数值变化率方可判断泄漏情况：

K进出口TOC变化率＝(TOC出口－TOC进口)/TOC进口

根据现场检测经验，循环水系统正常情况下一般K值不会超过1%，当K>2%时可断定存在泄漏，当K>6%时可判断存在较大泄漏。

循环水系统的排查，基本都是从各装置界区开始，逐一追溯定位至泄漏换热器，该循环水场通过以上三种方法协同监测水冷器，可在泄漏初期及时发现并查找到漏点，通过应急处理保证了循环水水质的长期平稳运行

4 水冷器反冲洗

在周期性的大检修期间，各装置循环水冷器进行了抽芯作业，观察现场情况，发现腐蚀严重部分基本在地理高点的壳程换热器、存在冷负荷频繁调整的成套设备换热器、设计余量过大的换热器以及工艺温度超100℃的水冷器，同时发现由于是敞开式循环水系统，许多水走管程的换热器被杂物及凉水塔填料碎片堵塞，流速降低致使污泥沉积，垢下腐蚀严重。

为降低以上腐蚀情况，该循环水场在保证调整优化各水冷器循环水管程流速大于1.0m/s，壳程循环水流速大于0.3m/s的运行标准前提下，采用在现换热器循环水进口线上增加适当大小的导淋排口，定期对水冷器进行在线反冲洗，将沉积在水冷器中的淤泥及堵塞在管束中的杂物排出，对改善换热器换热系数及防止堵塞结垢腐蚀效果非常明显。

5 结语

循环水作为化工生产装置关键的换热系统，对各生产装置的连续平稳运行起着决定性作用，但由于循环水自身性质不像化工物料那样变化明显，对换热器及管线腐蚀均是缓慢作用，常被管理人员忽视。随着腐蚀量变积累到质变时，往往会造成较大的经济损失，因此关注水质控制及系统用户换热器运行情况非常重要，提前预防及时诊断异常问题，采取应对措施以减少和避免大的泄漏腐蚀，对整个循环水系统延长使用寿命有着显著的帮助，进而可大大降低企业的整体运行成本。