量子環在紅壓深冷裝置壓縮機油冷卻器的節能應用

黃學慶（大慶油田有限責任公司天然氣分公司）

紅壓深冷裝置壓縮機的油冷卻器采用循環水作為冷卻介質，設計為2臺，正常運行時一開一備。大慶地區水質硬度較高，隨著裝置的運行，冷卻器結垢嚴重[1-2]，冷卻效果差，油溫較高影響壓縮機的平穩運行。為了確保潤滑油溫度符合要求，目前2臺油冷卻器并聯使用，氣溫高時需使用直流水噴淋降溫，每年冷卻水用量和循環泵的電量消耗較高。

量子環防垢技術在國內很多領域的循環水系統都有應用[3-10]。針對紅壓深冷裝置壓縮機油冷卻器結垢嚴重，換熱效果差這一情況，開展了量子環防垢技術現場試驗研究。

1 量子環技術原理

量子環是由硅、鋁為主要成分合成的特種信息記憶材料，是一種能夠在亞原子級穩定儲存、記憶及釋放量子信息（超精微振動波）的記憶合金材料。量子管持續釋放由特定干擾波形和共振波形組成的超精微能量波，可以透過管壁傳到管道中的流體，順水流方向傳播，傳播的振動波作用于流體中不同物質的分子、原子，使這些物質的物理性質發生改變，其作用涵蓋水及水中幾乎所有各種鹽類雜質。振動波打破了水分子團結垢，使其變為小的水分子團，使水的活性得到增強，溶解水垢的能力得到增強。同時，超精微振動波作用于水中的鈣、鐵、鎂等相關物質，使其物理性質發生改變。使晶體的微觀結構從針晶狀（容易插擠成團形成致密的硬垢）變為圓球狀（晶體之間不容易吸附），在有水流的情況下被帶走，在靜態的水中呈軟絮狀沉淀于容器底部，而不易形成硬垢。

2 現場試驗

裝置的2臺油冷卻器并聯使用，選擇其中一臺油冷卻器安裝量子環，另一臺不安裝，通過對比考察量子環防垢效果，現場安裝位置示意圖見圖1。

圖1 量子環安裝位置示意圖

通過現場測量2臺油冷卻器出、入口循環水溫度和壓力，潤滑油出入口溫度變化情況，研究量子環防垢效果。

3 量子環防垢效果

3.1 油冷卻器出口油溫

裝置油冷卻器出口潤滑油溫度的變化情況見圖2。通過油冷卻器出口潤滑油溫度對比可以看出，安裝初期2臺油冷卻器出口油溫基本一致，隨著運行時間的延長，安裝量子環的油冷卻器出口油溫明顯低于未安裝量子環的油冷卻器。安裝量子環的油冷卻器出口平均油溫32.5℃，未安裝量子環的油冷卻器出口平均油溫38.1℃，溫差5.6℃，可見安裝量子環的油冷卻器防垢效果明顯，管束結垢的情況有一定的緩解，冷卻效果好于未安裝量子環的油冷卻器。

圖2 油冷卻器出口潤滑油溫度對比

3.2 傳熱系數變化

通過傳熱系數的變化可以定量評價油冷卻器的防垢效果，目前循環水和油管線上都沒有流量表，不能準確計算出傳熱系數。研究中采用傳熱系數的比值評防垢效果，具體計算方法如下：

循環水熱負荷：

式中：Q水——循環水熱負荷，kJ/h；

q水——循環水流量，m3/h；

cp——循環水比熱，kJ/(kg·℃)；

T1——循環水入口溫度，℃；

T2——循環水出口溫度，℃。

油冷卻器交換的熱量：

式中：Q換——油冷卻器交換的熱量，kJ/h；

k——傳熱系數，W/(m2·K)；

A換——油冷卻器換熱面積，m2；

ΔTM——對數平均溫差，℃。

由式（1）和式（2）可得：

式中：t1——潤滑油入口溫度，℃；

t2——潤滑油出口溫度，℃；

T1——循環水入口溫度，℃；

T2——循環水出口溫度，℃。

其中：ΔT1=t1-T2，℃；

ΔT2=t2-T1，℃。

從式（3）可見，計算傳熱系數需要循環水流量，目前潤滑油冷卻器的循環水管線上都沒有流量表。流量q水與截面積、水壓之間的關系式：

式中：q水——流量，m3/h；

μ——流量系數，與閥門或管子的形狀有關，m3/(Pa·s)；

A——管道橫截面積面積，m2；

P——通過設備前后的壓力差，Pa；

ρ——流體的密度，kg/m3。

將公式（4）代入公式（3），循環水的密度、比熱、油冷卻器的換熱面積為固定值；保持循環水的壓力和閥的開度不變，始態和終態的循環水流量通過壓力差進行校正，則得到換熱系數比的公式。根據試驗數據，對2臺油冷卻器的傳熱系數比進行了計算，其變化情況見圖3。

圖3 傳熱系數比的對比

由圖3可以看出，安裝量子環的油冷卻器，傳熱系數比由原來的1增加到1.16，油冷卻器的傳熱系數增加了16%；未安裝量子環的油冷卻器，傳熱系數比由原來的1減低到0.79，油冷卻器的傳熱系數比減低了21%。可見，量子環有較好的防垢效果，減少了結垢，提高了換熱效果，同等條件下，安裝量子環的油冷卻器與不安裝量子環的換熱相比，傳熱系數提高37%。安裝量子環后，潤滑油溫度能滿足壓縮機的要求，不需要外加冷卻水降溫，降低了冷卻水的用量，不需要常年運行2臺循環水泵，降低了電量的消耗。

3.3 經濟效益分析

安裝量子環后，潤滑油溫度能滿足壓縮機的要求，不需要外加冷卻水降溫，降低了冷卻水的用量，冷卻水用量由每年149 400 m3減少到148 340 m3，每年減少了冷卻水用量1 060 m3，年經濟效益為0.397 5萬元；不需要常年運行2臺循環水泵，循環泵的電量消耗由28×104kWh下降到16×104kWh，降低了電量的消耗12×104kWh，經濟效益為7.896萬元；每年減少了換熱器的清洗次數和相應的費用4萬元；降低了因潤滑油溫度高導致的輕烴減產損失30 t，年經濟效益11.25萬元，合計年經濟效益23.5萬元。

4 結論

研究表明，安裝量子環的油冷卻器與未安裝量子環的油冷卻器比，潤滑油溫度降低了5.6℃，換熱系數提高了37%，防垢效果較好，有效地降低了潤滑油的溫度，保證了壓縮機平穩運行，每年減少了冷卻水用量1 060 m3，每年減少循環泵的電量消耗12×104kWh，減少了換熱器的清洗次數和相應的費用，降低了因潤滑油溫度高導致的輕烴減產，年經濟效益23.5萬元，具有較好的節能效果和經濟效益。