超頻振動膜過濾技術在油田導熱油凈化中的應用分析

于浩

（中海石油（中國）有限公司秦皇島32-6/渤中作業公司，天津 300450）

某油田導熱油系統主要由3 臺鍋爐、10 臺熱油循環泵、1 個膨脹罐和眾多熱油換熱器組成的閉式循環系統，運行時間超過15年。換熱器加熱介質和被加熱介質之間的密封圈老化，導致原油多次混入熱油系統，造成熱油品質下降，換熱效果大大降低，鍋爐帶載能力降低。

某油田率先在行業內組織開展對油田導熱油應用超頻振動膜過濾技術，將導熱油中的丙酮不溶物的含量由實施前的3516mg/100ml 降低至實施后的19mg/100ml；將導熱油的運動黏度由實施前的100 ℉，34.2cst 降低至100 ℉，21.3cst；鍋爐帶載能力提升14%，效果顯著。

1 實施背景

1.1 導熱油化驗值嚴重超標

首諾導熱油公司化驗結果顯示，導熱油丙酮不溶物的含量達到3516mg/100ml（遠超首諾導熱油有限公司的標準規定值：125mg/100ml），反映出熱介質油變質嚴重，影響換熱。化驗結果如圖1。

圖1 過濾前的化驗結果

1.2 導熱油鍋爐性能降低

導熱油性能的下降使得換熱效率降低，從而增大了鍋爐的負荷，3 臺額定負荷為10MW 的直燃式熱介質鍋爐，運行過程中實際最大負荷僅能達到6.1MW，熱負荷僅能達到額定負荷的60%。此時，熱介質油出口溫度為210℃，排煙溫度為235℃，熱介質油的進出口溫差為37℃，煙氣含氧量為7.70%。根據此鍋爐的原始計算書，分析認為該鍋爐沒有達到最佳運行效率，有40%左右的負荷提升空間。

1.3 其他凈化措施效果不佳

2011年，油田利用現有條件，流程改造創新，設計出一套在線離心凈化熱油裝置。

最終使運行黏度達到21.2mm2/s（40℃），逐步接近THERMINOL? 55 指標19.0mm2/s（40℃），殘炭值：1.3%（m/m），接近了指標的要求。雖然，在線離心凈化對熱油品質有一定的改善，但是，仍然沒有達到標準值。

2 導熱油凈化技術研究

2.1 導熱油凈化技術對比研究

目前，在線凈化導熱油的方法主要分為化學凈化和物理凈化兩種，其中化學凈化主要以丙酮萃取技術為主，物理凈化主要以離心凈化、新油置換舊油、物理吸附凈化、靜態膜過濾、動態膜過濾方法為主。

（1）丙酮萃取技術。2016年，油田組織對萃取導熱油的丙酮溶劑的研究，對正庚烷（密度681.55kg/m3）和配比特制溶劑（786.40kg/m3）兩種溶劑做了實驗對比，結果顯示，特制溶劑萃取丙酮溶物的效果明顯。但是，丙酮無論是對人體還是生產流程都存在一定的影響。

（2）離心凈化技術。上文已經提到，離心凈化技術對導熱油的凈化有一定的效果，但是效果不明顯。

（3）新油置換舊油技術。存在置換時間長，效果不明顯，費用高的缺點。

（4）物理吸附凈化技術。通過白土的脫色能力和珍珠巖對油品中雜質微粒的物理吸附作用，將熱油中的雜質清除出來，降低熱油的油泥漆膜指數，從而降低熱油污染度指數。但是，該方法效率低，浪費熱油。

（5）“靜態”膜過濾技術。“靜態”膜過濾技術為單純依賴壓力達到過濾分離的錯流操作方式，容易造成膜污染和堵塞問題。堵塞的原因是進料液與膜之間的剪切力不足，使料液中的微粒、凝膠等積聚和吸附于膜表面，造成膜孔徑的堵塞，以致通量的急劇衰減，甚至完全堵塞膜孔而終止過濾。

（6）“動態”膜分離技術（又稱超頻振動膜過濾技術）。超頻振動膜過濾從增加膜剪切力角度出發，消除了錯流過濾靠增加流動速度增加剪切力的制約。

該系統由兩大部分組成，分別為膜包和振動器，膜包中安裝濾膜組件，在外加振動作用下能夠以較大幅度振動，振動器提供系統所需的振動作用，兩部分通過連接桿聯系起來。超頻振動膜過濾能夠有效提高膜面剪切力，阻礙膜表面凝膠層的形成，從而減輕膜污染，提高了膜過濾通量。同時，由于污染減輕，膜清洗周期延長，不僅節約了成本，同時避免了頻繁的設備清洗導致的人力、物力的消耗；超頻振動膜過濾的純物理分離方式，不會引入二次污染；超頻振動膜過濾具有占地面積小、能耗低的特點，對海上平臺等空間要求嚴格的場合具有較高的適應性；超頻振動膜過濾的振動系統和過濾系統的獨立性決定了該過濾方式很容易實現對現有膜過濾設備的改造。

圖2 超頻振動膜過濾技術工作原理圖

2.2 超頻振動膜過濾技術應用研究

超頻振動膜以其良好的性能，在醫藥衛生、生活污水凈化以及食品等行業得到了應用。超頻振動膜過濾對環境污染很小前提下實現污水的循環使用，對內陸缺水油田采出水的回用將具有極其重要的意義。因此，超頻振動膜過濾對油田導熱油的處理能力和處理效果成為現場研究的主要目標。

2.3 超頻振動膜過濾技術試驗研究

超頻振動膜過濾技術的特點：操作溫度范圍大，無相態變化，無化學變化，脫水、脫雜、除殘炭等，適應性強，能耗低，精度高、效果好，分子級選擇性高精度過濾。傳統的膜分離技術容易堵塞，難以連續運行。超頻振動膜過濾分離技術解決了這個難題。

在某油田正式開展熱油系統凈化前，施工方在某平臺開展了超頻振動膜過濾技術試驗。根據廠家化驗，處理前導熱油含水達到警告指標，丙酮不溶物已達到換油行動指標，并發現可能存在原油混入污染。

簡介如下：

圖3 受到污染的熱油化驗結果

通過試驗，最終將平臺導熱油中的水分含量由529ppm降至122ppm，下降77%；丙酮不溶物含量由686mg/100ml 降至47mg/100ml，下降93%。得出如下結論：實現了滲入原油去除，導熱油污染物去除率達到95%以上；相關檢測指標（國標與廠家指標）全部達標并有顯著改善，實現了油品的凈化再生，大幅節省換油費用；換熱系統換熱效率得到提高，實現了節能降耗。

圖4 超頻振動膜過濾技術工藝流程圖

2.4 超頻振動膜過濾技術實際應用研究

在超頻振動膜過濾技術試驗成功后，2017年2月，在某油田正式應用超頻振動膜過濾技術在線凈化導熱油。該系統由冷卻降溫模塊、循環處理模塊、超頻振動膜過濾模塊三大模塊組成，冷卻降溫模塊負責將系統內180℃的熱介質油降至85℃達到凈化設備的操作溫度，循環處理模塊負責熱介質油的初級過濾，超頻振動膜過濾模塊負責熱介質油的二級精細過濾。流程圖詳見圖5。

圖5 超頻振動膜過濾流程圖

從圖6 ～9 膜通量曲線可以看出，在不同過濾壓力下，始終存在一個振動頻率使動態通量曲線高于無振動工況下的動態通量曲線。振動頻率在30 ～40Hz 時膜通量比無振動條件下通量值高出近1 倍；過濾壓力可以提高膜通量、膜過濾效率。

圖6 過濾壓力為0.13MPa 時的膜通量

圖7 過濾壓力為0.15MPa 時的膜通量

圖8 過濾壓力為0.17MPa 時的膜通量

3 超頻振動膜過濾技術實際應用效果分析

3.1 導熱油各項化驗指標達到標準

該套凈化設備每天的處理量大約為15m3 左右，熱油凈化共耗時78 天，循環凈化熱油1047.98m3，濾除廢油54.96m3。最終使熱油的丙酮不溶物的含量降低至19mg/100ml，將導熱油的運動黏度降低至100 ℉，21.3cst。

3.2 鍋爐帶載能力提升

導熱油在線凈化完畢后，對鍋爐參數進行了檢查和記錄。凈化后，達到了最佳的燃燒尾氣，在最小負荷氧含量是7.6%，中間負荷氧含量是4.0%，最大負荷氧含量控制在2.4%。在凈化之前，鍋爐發出最大6100kW 熱量(熱油進出口溫差37℃)，經過凈化后，功率提升14%。

圖9 過濾壓力為0.20MPa 時的膜通量

圖10 過濾后的化驗報告

4 結語

油田熱油系統熱油含量多達400m3，如果考慮換油費用極高，按照23500 元/方來算，全部更換400m3熱油的費用為23500×400=9400000 元，而采用熱油凈化所產生的費用約為2000000 元，而400m3的熱油海陸之間船舶運輸，需要消耗大量的船舶和陸地運輸資源，耗費大量人力物力，會產生將近100 余萬的船舶運輸成本，這樣該項目的實施變相地節省熱油更換費用840 余萬元。

另外，熱油更換期間需要全油田停產至少2 天，這樣會造成至少14000m3的原油產量損失，總體綜合經濟效益會達到1000 萬余元。該項目的成功實施對其他行業應用此項技術具有較高的借鑒意義。