作者：王 婧１ ，丁 伟２ ，王 鹏２ ，田 军３ ，常 青４ ，林坤华５ （１． 长庆油田公司 第八采油厂地质研究所，陕西 西安 ７１８６９９； ２． 长庆油田分公司 第七采油厂，甘肃 庆阳 ７４５７０８； ３． 西安庆港洁能科技有限公司，陕西 西安 ７１００７５； ４． 长庆采油一厂伴生气第一项目部，陕西 延安 ７１６００９； ５． 成都苏坤环保科技有限公司，四川 成都 ６１１５３４）

摘要：闭式冷却塔采用水蒸发时吸热、再由冷却液冷却的原理。 喷淋循环水（冷却水）储存在闭式冷却 塔的底部，工作流体（软化水或其他液体）在闭式冷却塔的冷却盘管中循环。 喷淋水由喷淋系统泵通 过配水系统和喷淋喷嘴喷淋在盘管表面，降低管道内工作流体的温度。 在实际运行过程中，由于喷淋 水（冷却水）为深井水，盐含量、硬度、碱度及硫酸根含量较高，经蒸发浓缩后，喷淋循环水水质恶化，出 现严重结垢的现象，严重影响生产装置的安全平稳运行。 形成的水垢主要以硫酸钙为主，清洗及清除 难度较大，且频繁的清洗对设备也造成了一定的损伤。 基于补水水质数据及运行工况条件，对结垢的 原因和机理进行了分析讨论，筛选具有针对性的水质稳定处理剂，进行有效的水质稳定处理，加强水 质检测管理，制定合理的水质控制指标，定期对填料进行人工清理，确保通风口通畅。 经过上述处理 后，闭式冷却塔喷淋循环水水质明显好转。 浓缩倍数由原来的 ３０ 倍降到了 ８ 倍；循环水 Ｃａ ２ ＋ ＋ 碱度 为从 ３ ８２０ ｍｇ ／ Ｌ 降至１ ７７３ ｍｇ ／ Ｌ；硫酸钙的 ＬＳＩ 指数从３． ８ 降到了２． ３；换热盘管较为干净，无明显水 垢产生；循环水总铁为 ０． ０３７ ｍｇ ／ Ｌ，远低于国家标准要求的小于 ２． ０ ｍｇ ／ Ｌ，即通过有效的水质稳定处 理，喷淋循环水系统结垢和腐蚀的趋势均得到了有效的控制，提高了喷淋装置的换热效率，为循环水 系统的长周期平稳运行创造了有利的条件。

关键词：闭式冷却塔；喷淋循环水；水质稳定处理；结垢和腐蚀；稳定指数

敞开式系统的循环水不断蒸发使水中固形物、 钙、镁离子等浓度逐渐增加，并容易滋生细菌和藻 类，造成水质恶化，换热设备结垢和腐蚀倾向明显， 影响换热设备的换热效果，缩短设备使用寿命并影 响生产过程安全性及平稳性。 据统计，炼厂水冷器 ８０％ 以上的腐蚀是由水侧造成的。 为了维持水质、 减少水中结垢物。 通常采取加药和排污的措施。 当 浓缩倍率为 ３． ０ 倍时，大约 ０． ６％ 的循环水会作为 污水被排放，高排污量也增加了系统耗水量及污水 处理费用［１］ 。 闭式系统用除盐水作为热媒载体，水质优异，有 效减缓了换热设备的结垢和腐蚀，提高了换热设备 传热效率和使用周期，降低了设备的检维修费用，保 证了生产的稳定性。 采用干湿复合式闭式冷却塔 时，冬季气温在 ０ ℃ 以下时，停止使用外循环水，通 过风机引流，用自然界的冷源将换热管内的软水冷 却；当夏季温度较高时，使用外循环喷淋水系统，用 水蒸发来带走热量，达到降温目的。 和传统方式相 比，节水效率可达 ５０％ 以上［２⁃３］ ，节省了用水量和污 水处理费用。 另外，闭式系统喷淋水的持液量远小 于开式系统循环水的持液量，在维持相同水质的条 件下，水处理的药剂费用仅为原来的 ２０％ ～ ３０％ ， 有利于降低系统的运行成本［３⁃５］ 。 在实际运行过程中，由于闭式冷却塔喷淋系统 的保有水量较小，仅为喷淋水循环水量 １ ／ １５，从而 导致喷淋循环水系统浓缩速度较快。 采用干湿复合 闭式冷却塔，喷淋系统补水为深井水，盐含量、硬度、 碱度及硫酸根含量较高。 夏季运行时，喷淋循环水 系统运行 ２４ ｈ 浓缩倍数可达 １０ 倍以上，最终导致 喷淋循环水水质恶化，填料及换热盘管结垢严重，导 致内循环水温差达下降，影响换热效率，对生产装置 的长周期安全平稳运行带来了不利影响。 本文针对闭式冷却塔喷淋循环水结垢的问题， 分别从喷淋循环水系统补水水质、水质稳定判断、水 质稳定处理剂选型、水质稳定处理、喷淋水水质运行 管理、定期清理填料水垢等入手，从根本上解决喷淋 循环水系统结垢的问题。 １ 循环水系统概况 采用密闭式循环水系统，循环水介质为除盐水， 系统设计压力 ０. ８ ＭＰａ，运行压力 ０. ６ ＭＰａ，循环水 量 ６ ４０４. ６ ｍ ３ ／ ｈ，设计规模 ７ ８００ ｍ ３ ／ ｈ，系统容积为 １ ６００ ｍ ３ 。 循环水系统由除盐水装置、干湿复合闭 式冷却塔、隔膜式气压罐、篮式过滤器、循环水泵组 成，向工艺装置区水冷器、压缩机电机及变频器、空 氮站空压机、供热系统热媒循环泵和蒸汽冷凝器等 提供循环冷却水，以达到对换热介质进行降温的目 的［４］ 。 闭式循环水系统流程如图 １ 所示。

循环水系统回水通过闭式冷却塔冷却，出水经 循环泵加压后循环使用，系统采用隔膜式气压罐稳 定系统压力，并在管线上设有电动阀（与循环泵入 口压变连锁，超压自动打开泄压） 等措施保证系统 平稳运行。

２ 循环水系统设计参数 闭式冷却塔设计参数见表 １，其中内循环补水 为软水，喷淋循环水系统补水为深井水。

３ 补水水质数据 深井水水质分析数据见表 ２。 由表 ２ 分析数据可以看出，不同深水井水质差 别较大，其中 ２０２１ 年 ７ 月深井水水质明显比 ２０２０ 年 １１ 月要好，主要体现在硬度由 ４３５ ｍｇ ／ Ｌ 下降至 ２２０ ｍｇ ／ Ｌ，硫酸根由 ６４３ ｍｇ ／ Ｌ 下降至 ３７１ ｍｇ ／ Ｌ。 为了更准确地计算补水水质的稳定指数，将 ２ 次取 样的水质数据进行了平均。

４ 补水稳定指数 循环冷却水投入运行后，要进行结垢腐蚀性判 断。 通常采用碳酸钙饱和指数（ ＬＳＩ） 及稳定指数 （ＲＳＩ）来判断。 在循环水运行中，饱和指数只能说 明一种倾向，是一个定性趋势故存在较大的局限性。 稳定指数是在饱和指数基础上发展起来的指数，计 算方法根据化学分析测出循环水系统中，钙硬度、碱 度、ｐＨ 值、固形物以及现场实际温度来计算。 许多 水处理工作者仍采用它作为生产现场的一个控制指 标［６⁃７］ 。 水质稳定性判断计算见表 ３。


由表 ３ 可知，当浓缩倍数达到了 ３ 倍以后，循环 水为严重结垢水质，随着浓缩倍数的提高，结垢趋势 更为明显。 但 ＲＳＩ 指数并不能反映出硫酸钙的结垢 趋势，一般情况下投加水质稳定处理剂后，循环水中 硫酸钙的 ＬＳＩ 指数可达 ３． ０，由此可以计算出循环水 中硫酸根浓度为 ６ ０００ ｍｇ ／ Ｌ，钙离子浓度为 ６ ０００ ｍｇ ／ Ｌ，由此倒推可以计算出硫酸钙结垢可控的情况 下，喷淋循环水系统的极限浓缩倍数约为 １０ 倍。 因 此，建议喷淋循环水电导率控制在 １０ ０００ μｓ／ ｃｍ 以 下，通过投加缓蚀阻垢剂可以有效抑制硫酸钙的形 成。 ５ 结垢机理分析 《工业循环冷却水处理设计规范》（ＧＢ ５００５０— ２０１７），要求循环水 Ｃａ ２ ＋ ＋ 碱度小于 １ １００ ｍｇ ／ Ｌ（以 ＣａＣＯ３ 计） ［７］ ，但根据同类型闭式冷却塔的运行情 况及，在投加缓蚀阻垢剂，进行水质稳定处理后，循 环水钙离子浓度为 ４ ４００ ｍｇ ／ Ｌ，碱度为 ６５０ ｍｇ ／ Ｌ， Ｃａ ２ ＋ ＋ 碱度高达 ５ ０００ ｍｇ ／ Ｌ 的水质条件下，并未出 现明显碳酸钙沉积结垢的问题，这与理论计算相差 较大。 经现场勘查及对换热介质进行了测温发现，闭 式冷却塔内循环水温约为 ３８ ℃ ，喷淋水与换热盘管 的换热界面温度低于 ３８ ℃ ，经冷却后喷淋循环水的 温度基本维持在 ３０ ℃左右，喷淋循环水中的碱度主 要以碳酸氢根（ ＨＣＯ － ３ ） 的形式存在，碳酸氢钙 Ｃａ（ＨＣＯ３ ）的溶解度要比碳酸钙大的多，因此，喷淋循 环水系统并未出现明显的碳酸钙结垢沉积的现象。 综合分析，喷淋循环水系统结垢的主要因素是循环 水蒸发量较大，快速浓缩后出现过饱和结晶析盐，导 致水垢的沉积，并非因碳酸氢盐加热导致分解成碳 酸根后产生溶解度更小的碳酸钙垢。

６ 喷淋循环水浓缩速度 运行不同时间的喷淋循环水系统水质数据见表 ４。


由表 ４ 水质数据可以看出，不同塔随着运行时 间的延长，循环水浓缩倍数也随之增加。 运行 １ ｄ， 浓缩倍数高达 １０ 倍，ｐＨ 值为 ８. ６２，钙离子为 ４ ４００ ｍｇ ／ Ｌ，碱度为 ６２５ ｍｇ ／ Ｌ，Ｃａ ２ ＋ ＋ 碱度为 ５ ０２５ ｍｇ ／ Ｌ， 硫酸根为 ６ ５００ ｍｇ ／ Ｌ，循环水中硫酸钙的 ＬＳＩ 指数 已经达到了 ２. ２，说明投加缓蚀阻垢剂对抑制硫酸 钙垢的生成作用明显。 运行了 ２ ｄ，浓缩倍数约为 １４ 倍，ｐＨ 值为 ８. ７５，碱度为 ６５０ ｍｇ ／ Ｌ，Ｃａ ２ ＋ ＋ 碱度 为 ５ ０５０ ｍｇ ／ Ｌ，硫酸根为 ８ ２５０ ｍｇ ／ Ｌ，但钙离子和硫 酸根并未按比例增加，Ｃａ ２ ＋ ＋ 碱度也并未随之上升， 说明循环水达到浓缩倍数极限以后，循环水中硫酸 钙和碳酸钙已经达到了饱和，继续浓缩硫酸钙和碳 酸钙将以晶体的形式析出沉积，从而产生水垢，加入 阻垢剂可以改变水垢的结晶过程，使其产生畸变，不 易在换热列管上沉积。

７ 水质稳定处理剂选型 通过上述分析可以看出，喷淋循环水运行 １ ｄ 后浓缩倍数已经达到了 １０ 倍，浓缩较快，运行 ２ ｄ 后浓缩倍数为 １４ 倍，但钙离子和硫酸根并未成比例 增加，且 Ｃａ ２ ＋ ＋ 碱度趋于稳定，说明浓缩到 １０ 倍后 已经达到了目前补水水质条件下的极限，继续浓缩 结垢趋势明显，系统结垢风险较大。 因此，水质稳定 剂筛选参照上述水质极限条件进行。 ７． １ 硫酸钙阻垢性能 硫酸钙阻垢性能检测试验参照标准为《油田防 垢剂性能评价方法》（ＳＹ／ Ｔ ５６７３—１９９３ ），试验用水 模拟上述水质条件进行实验室配水，试验温度 ４０ ℃ ，时间 １０ ｈ。 参照补水水质条件，浓缩 １０ 倍后，配 水水质为：Ｃａ ２ ＋ 为 ４ ０００ ｍｇ ／ Ｌ，ＳＯ ２ － ４ 分别为 ７ ０００、 １０ ０００、２０ ０００、２５ ０００、３０ ０００ ｍｇ ／ Ｌ，缓蚀阻垢剂投 加浓度均为 ８０ ｍｇ ／ Ｌ，硫酸钙阻垢率变化曲线如图 ２ 所示。