楊 建 平

（中國石油遼河油田公司SAGD開發(fā)項目管理部，遼寧 盤錦 124010）

蒸汽輔助重力泄油技術(shù)（steam-assisted gravity drainage，SAGD）是開發(fā)超稠油的一項前沿技術(shù)。蒸汽干度是影響SAGD 生產(chǎn)的重要因素，蒸汽干度越高，SAGD 生產(chǎn)效果越好。目前使用的直流鍋爐產(chǎn)生的蒸汽干度僅為75%～80%，不能滿足SAGD的技術(shù)要求。汽包爐可以滿足SAGD的蒸汽品質(zhì)要求，但目前SAGD汽包爐給水水質(zhì)要求并沒有相應(yīng)的國家標準。目前行業(yè)內(nèi)采用的相關(guān)水質(zhì)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(tǒng)的經(jīng)濟性。

采油過程中會產(chǎn)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(guān)注[1-4]，如果在滿足鍋爐正常水質(zhì)要求的前提下將部分軟化污水進行處理后進行循環(huán)利用，可以大大降低整個采油成本。因此，合理的水質(zhì)指標是主要限制因素。

影響鍋爐運行效果的進水水質(zhì)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(jié)垢，進而影響鍋爐的正常運行[5]。本文作者利用高溫反應(yīng)釜模擬鍋爐受熱面在高溫高壓條件下的工作環(huán)境，研究水的硬度及金屬離子（鐵、銅）含量對鍋爐管內(nèi)結(jié)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(nèi)腐蝕的影響，根據(jù)實驗結(jié)果并結(jié)合相關(guān)的研究分析，初步確定了SAGD汽包爐的給水水質(zhì)指標要求。

表1 國內(nèi)相關(guān)給水水質(zhì)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(xué)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(zhì)，實驗過程中利用分析純化學(xué)藥品按一定比例配制而成。

1.2 實驗設(shè)備

高溫反應(yīng)釜的容積為0.5 L，材質(zhì)為316 L不銹鋼，設(shè)計壓力 32 MPa，設(shè)計溫度 600 ℃，電加熱功率3.5～4 kW。

本研究選用德國生產(chǎn)的Spectroquant?多參數(shù)水質(zhì)分析儀NOVA60對溶液成分及指標進行分析。

2 數(shù)據(jù)處理方法

用高溫反應(yīng)釜模擬鍋爐受熱面在高溫高壓條件下的工作環(huán)境。把實驗用水倒入潔凈的釜體內(nèi)，用鎳鉻絲將預(yù)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(shè)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(zhì)量。因而可以通過測重，并結(jié)合污垢的密度，預(yù)計出年結(jié)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(zhì)量，g；w2為實驗后不含腐蝕產(chǎn)物的試樣質(zhì)量，g；w3為清除腐蝕產(chǎn)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(jié)果與分析

3.1 結(jié)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(dǎo)致鍋爐系統(tǒng)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(shè)定的工作環(huán)境為壓力10 MPa，溫度300 ℃，在持續(xù)運行48 h后，用稱重法測量其試片質(zhì)量變化，并結(jié)合污垢的密度，計算預(yù)測出金屬表面的年結(jié)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(jié)垢的主要因素。GB/T 12145—1999規(guī)定：當(dāng)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(dāng)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(zhì)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(yù)定的運行壓力為 10～14 MPa，因而根據(jù)實驗結(jié)果，并結(jié)合鍋爐運行的相關(guān)理論經(jīng)驗，可以初步確定SAGD汽包爐水質(zhì)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(nèi)可能與實際工業(yè)運行過程中結(jié)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(jié)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(zhì)會促進鍋爐結(jié)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(jié)垢的影響。

3.1.2 Fe含量的影響

當(dāng)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(jié)垢速度關(guān)系如式（3）[7]。

式中，A為氧化鐵垢的結(jié)垢程度，mg/(cm2·h)；K為系數(shù)，(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(jié)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(yù)定SAGD汽包爐的運行壓力范圍為10～14 MPa，且SAGD汽包爐產(chǎn)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(nèi)不同鍋爐水質(zhì)標準對Fe含量限制的對比分析，SAGD汽包爐的水質(zhì)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(nèi)可能會有銅垢生成，尤其是經(jīng)常超負荷運行的鍋爐或者更爐膛內(nèi)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(dāng)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(dāng)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(guān)，而 SAGD鍋爐管壁受熱情況與電站汽包爐基本相同，并且預(yù)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(nèi)各個鍋爐水質(zhì)標準對比，SAGD汽包爐 Cu含量的標準可以參考 GB/T 12145—1999的規(guī)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(yè)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(dāng)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(dāng)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(fā)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(shè)計濃縮倍率取20倍左右，因而根據(jù)實驗結(jié)果，給水的含油量要小于0.25 mg/L就不會生成泡沫層。

結(jié)合國內(nèi)外鍋爐的實際運行經(jīng)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(jié)構(gòu)等與電站鍋爐相近，汽包內(nèi)的水處理也相同，根據(jù)實驗結(jié)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(zhì)標準是多年鍋爐運行經(jīng)驗的總結(jié)，因而SAGD汽包爐的水質(zhì)標準可參考GB/T 12145—1999的規(guī)定，由于預(yù)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(zhì)分析儀測定水中的含氧量，用NaOH溶液調(diào)節(jié)水的pH值為9，然后在高溫反應(yīng)釜中調(diào)節(jié)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(zhì)在水溶液中的擴散速度加快，電解質(zhì)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(dāng)溫度為200 ℃時，當(dāng)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(jié)果，因而最終SAGD水質(zhì)指標中的含氧量的確定要參考國內(nèi)外鍋爐運行的實際情況，并對比相關(guān)水質(zhì)標準，綜合分析而得出。

對SAGD汽包爐來說，預(yù)定運行壓力為10～14 MPa，蒸汽溫度不超過420 ℃，鍋爐整體結(jié)構(gòu)和運行參數(shù)與電站鍋爐都比較接近，水中溶氧對SAGD鍋爐產(chǎn)生腐蝕的主要部位也應(yīng)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(dāng)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(fā)現(xiàn)CO2對腐蝕有著明顯的促進作用，當(dāng)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(nèi)，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(guī)定CO2的范圍。

在電站鍋爐熱力系統(tǒng)中，最容易發(fā)生CO2腐蝕的部位是凝結(jié)水系統(tǒng)，對鍋爐其它部位的腐蝕影響不大。由于SAGD汽包爐的水循環(huán)系統(tǒng)與電站鍋爐不同，該系統(tǒng)沒有凝結(jié)水系統(tǒng)，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(zhì)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(dǎo)致腐蝕速度加快。

為了確定SAGD汽包爐水質(zhì)標準中的pH值參數(shù)指標，實驗利用HCl和NaOH調(diào)節(jié)水質(zhì)，利用水質(zhì)分析儀測定水的pH值，然后在高溫反應(yīng)釜中調(diào)節(jié)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(dāng)pH值為9左右時，金屬的腐蝕最輕；當(dāng)pH＜7時，隨著pH值的減小，金屬腐蝕速度迅速增加。當(dāng)pH值降到4時，金屬腐蝕速度是pH值為9時的3倍；當(dāng)pH＞11時，隨著pH值的增大，金屬的腐蝕速度迅速增加，當(dāng)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(shù)據(jù)和國內(nèi)鍋爐運行經(jīng)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(guī)定，有銅系統(tǒng)的pH值應(yīng)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(tǒng)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(dāng)放寬，初步可定為8.8～10。

4 結(jié) 論

（1）基于在高溫高壓反應(yīng)釜內(nèi)對注汽鍋爐的模擬研究以及對現(xiàn)有的水質(zhì)標準的分析，確定了SAGD汽包爐的水質(zhì)指標中影響鍋爐管內(nèi)結(jié)垢的硬度、鐵、銅含量指標，影響鍋爐管內(nèi)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(zhì)指標要求如表4所示。

表4 SAGD汽包爐的給水水質(zhì)指標

（2）預(yù)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(zhì)指標中 pH值、CO2含量、鐵含量以及硬度可以在電站鍋爐水質(zhì)指標的基礎(chǔ)上進行適當(dāng)?shù)姆艑挕?/p>

（3）本研究基于高溫高壓反應(yīng)釜內(nèi)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(zhì)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(zhì)指標，在中試實驗裝置中進行現(xiàn)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(zhì)指標。

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