超聲波技術在加熱爐防垢中的應用

代國臣大慶油田采油二廠

超聲波技術在加熱爐防垢中的應用

代國臣大慶油田采油二廠

自2007年開始，薩南油田開展了地面防垢技術應用評價研究。2008年，先后在薩南油田9座轉油站32臺加熱爐上完成了超聲波防垢技術的推廣應用，取得了明顯的經濟效益。從近5年加熱爐大修數(shù)據對比看出，在應用超聲波防垢技術后，實現(xiàn)加熱爐大修率平均降低6%。應用該項技術的94臺加熱爐，每年減少大修6.64臺次。安裝超聲波防垢裝置后加熱爐熱效率平均降低8.32%，節(jié)氣率達到了9.9%，按大慶油田采油二廠平均每站日耗氣4 000 m3計算，29座轉油站年節(jié)氣419×104m3，年節(jié)約改造投資約199萬元。

薩南油田；超聲波防垢；加熱爐；節(jié)氣；現(xiàn)場試驗

為篩選高效的防垢措施，有效解決加熱爐結垢嚴重問題，自2007年開始，薩南油田開展了地面防垢技術應用評價研究，通過室內機理研究與現(xiàn)場試驗相結合，歷經多年時間，總結出超聲波防垢是油田現(xiàn)有條件下較為經濟有效的區(qū)域性物理防垢技術。結垢問題的解決，不僅可為生產系統(tǒng)節(jié)能降耗提供有力措施，同時也大大降低生產設備、管道的更新維護費用，對于降低油田基建投資、保證安全生產具有特殊的意義。

1 超聲波防垢技術原理

超聲波防垢裝置主要由控制箱和換能器兩部分組成。控制箱將電能轉化為電脈沖，將電能由信號電纜傳輸至換能器，換能器中的磁致伸縮合金將電磁能轉化成一定頻率的超聲波。通過與被保護金屬的硬性連接，換能器產生的超聲波作用于介質中，一方面在超聲波“空化”作用下干擾水中成垢離子，快速形成穩(wěn)晶核，進而凝聚成顆粒團，減少在金屬表面聚集成垢，實現(xiàn)防垢作用；另一方面，在機械震動作用下，造成已經沉積垢的破裂、膨脹及脫落，對金屬表面形成的垢質進行去除。

2 試驗及推廣情況

2.1 室內實驗

室內實驗重點對過飽和碳酸鈣溶液（人為配制、含油污水）在不同條件下（空白實驗、單超聲波實驗、雙超聲波實驗）進行實時水質分析，確定超聲波防垢技術的應用特點。

模仿加熱爐制作超聲波實驗主平臺，在容器的一段安裝有超聲波換能器接口2個，一只加熱棒安裝在容器中心反應桶內，另一只直接安裝在鋼質管壁上，以掌握在不同換能器狀態(tài)下，超聲波作用下的水質變化規(guī)律。

通過空白、單超聲波、雙超聲波實驗，超聲波對飽和碳酸鈣溶液反映出以下三方面特性：①在超聲波作用下，可有效提高溶液中成垢陽離子的溶解度，同時增強成垢離子的絮凝作用，兩方面作用能夠實現(xiàn)較好的防垢效果；②在相同頻率下，多換能發(fā)射器形成了波能量的疊加，促進離子快速向微晶轉化，成核后漂浮及沉積，降低成垢離子結合的幾率，有助于防垢能力的增強；③在35及60℃時超聲波實驗中陰離子大幅度下降，總體溶解能力大幅提高，故產生大量絮凝現(xiàn)象。此工況符合當前油田生產過程中常溫集油以及摻水熱洗過程生產溫度。

2.2 現(xiàn)場試驗

超聲波防垢技術現(xiàn)場實施效果主要通過生產運行分析、加熱爐裝置內檢、加熱爐效率監(jiān)測三部分進行綜合評價。

2.2.1 生產運行分析（水套爐）

南2—3轉油站屬于泵后加熱轉油站，該站加熱裝置由于水質結垢嚴重，摻水、熱洗提溫速度較慢，熱洗爐需升溫12 h才能對所轄區(qū)域油井進行熱洗（70℃），加熱盤管進出口壓差最高達0.8MPa，平均在0.35 MPa，每年都至少進行一次加熱爐酸洗解堵。自2008年安裝超聲波防垢儀后，熱洗爐升溫時間減少至6～8 h（70℃），加熱爐均無大修和酸洗記錄。根據2011年12月監(jiān)測數(shù)據，該站熱洗加熱爐進出口壓差為0.1MPa，且至2014年，該站無酸洗維護。

2.2.2 加熱爐裝置內檢（二合一）

根據對安裝及未安裝超聲波除垢防垢系統(tǒng)的轉油站二合一煙火管結垢情況，進行防垢效果直觀檢測。對南2—16轉油站1#二合一安裝超聲波防垢裝置前后煙火管結垢狀況進行對比。

通過加熱爐內部結垢狀況直觀觀測，對使用超聲波除垢防垢系統(tǒng)有階段性認識：①由于雙超聲波的協(xié)同作用，大量成垢離子分子化加快，大幅度減緩塊狀垢的形成，表現(xiàn)為加熱爐煙管和局部火管無明顯結垢現(xiàn)象；②由于超聲波機理中高頻振蕩作用，機械力產生垢“破碎”現(xiàn)象的發(fā)生，具有了除垢的作用。

2.2.3 加熱爐效率監(jiān)測

女助手說：“我真沒有發(fā)現(xiàn)有什么不對的地方，以前的警察也來過幾次，我都這么說，毛老師是一個很嚴謹?shù)娜耍埠苁匦诺模й櫱耙惶爝€答應對我的論文進行指導的，可是他那天晚上下班后就沒有再回來了，我還幫他草擬了接下來一個星期的日程安排，他還親自提筆改了幾處的。”

根據超聲波在加熱爐上應用運行方案，分別對南2—3站5臺水套爐及聚南2—3轉油站2臺二合一加熱效率進行監(jiān)測。通過各項檢測數(shù)據對比看出，南2—3及聚南2—3轉油站共計4臺安裝超聲波防垢裝置加熱爐加熱效率較前一年（未安裝超聲波）平均提高0.092 5%；而未安裝超聲波防垢裝置的3臺加熱爐運行1年后，加熱爐熱效率平均降低8.32%。

超聲波可產生防垢除垢作用，加熱爐煙火管結垢量減少，黏結的垢大面積脫落，因此反映出加熱效率的上升，即使存在加熱效率的降低，這也是加熱爐垢沉積大于剝離的一種反映，當沉積有所減緩時，加熱效率仍然會呈現(xiàn)上升趨勢。

2.3 推廣規(guī)模及經濟效益

2.3.1 推廣規(guī)模及效果

2008年，先后在薩南油田9座轉油站32臺加熱爐上完成了超聲波防垢技術的推廣應用，取得了明顯的經濟效益。2010年，繼續(xù)擴大推廣范圍，先后在11座轉油站30臺加熱爐上安裝超聲波防垢裝置。目前薩南油田已有29座站94臺加熱爐安裝超聲波防垢裝置，運行較為平穩(wěn)。

由于超聲波技術對加熱爐結垢嚴重問題能起到遏制作用，加熱爐大修率大幅度降低。從近5年加熱爐大修數(shù)據對比可看出，在應用超聲波防垢技術后，實現(xiàn)加熱爐大修率平均降低6%，如表1所示。應用該項技術的94臺加熱爐，每年減少大修6.64臺次。

2.3.2 經濟效益分析

安裝超聲波防垢裝置后加熱爐熱效率平均降低8.32%，節(jié)氣率達到了9.9%，按二廠平均每站日耗氣4 000 m3計算，29座轉油站年節(jié)氣419×104m3。

已安裝防垢裝置加熱爐大修頻率平均降低6.64臺次(加熱爐大修30萬元/臺)，年節(jié)約改造投資約199萬元。超聲波技術產生的直接經濟效益387.6萬元/年。

表1 采油二廠加熱爐大修數(shù)量統(tǒng)計

3 結論

（1）超聲波防垢技術具有防垢效率高、安裝簡便、性能穩(wěn)定等特點，能夠對各類加熱裝置起到明顯防垢作用，不僅對系統(tǒng)效率的提高有積極的促進作用，節(jié)氣效果明顯，而且可大幅度延長加熱爐使用壽命，降低基建投資。

（2）由于超聲波具有在彈性體以及非硬質連接處能量大幅度衰減的弱點，不適應當前站庫內全面的防垢保護，但適合對加熱裝置等獨立設備進行區(qū)域性防垢保護。其換能裝置需要直接作用在金屬表面，避免彈性體的阻隔。

（3）在超聲波作用下，水驅加熱爐內聚集物質迅速飄移，絮凝后物質將在三合一內沉積，因此需要加大對轉油站三合一的清淤力度；而聚合物驅，絮凝聚結產物與聚合物膠結，快速沉積大于漂移能力，加熱爐內淤泥將大量增加，也需要加大清淤力度。

（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.4.009