量子防垢技術(shù)在油田加熱爐的防垢應(yīng)用研究

蔣濤

大慶油田有限責(zé)任公司第十采油廠

國(guó)內(nèi)大多數(shù)油田已到開(kāi)發(fā)中后期，原油含水率越來(lái)越高，稠油比例越來(lái)越大，大部分油田聯(lián)合站、轉(zhuǎn)油站使用加熱爐提高原油溫度以保證外輸和脫水效果。目前大慶油田在運(yùn)加熱爐2 000 余臺(tái)，在使用過(guò)程中，加熱爐管壁結(jié)垢現(xiàn)象嚴(yán)重，不僅影響傳熱效率、能源消耗，還加速煙火管壁的垢下腐蝕，需通過(guò)酸洗、液氣壓動(dòng)力清洗、加藥清洗等技術(shù)方法，對(duì)加熱爐進(jìn)行定期清洗、除垢，以此保證加熱爐的正常運(yùn)行和傳熱效率。加熱爐除垢主要采取酸洗技術(shù)措施，一般采用鹽酸、磷酸、氫氟酸清洗[1]，在酸洗過(guò)程中，存在對(duì)難溶水垢清洗不徹底的問(wèn)題；經(jīng)常酸洗影響加熱爐機(jī)械性能和使用壽命；廢液容易造成環(huán)境污染。某采油廠集輸系統(tǒng)在運(yùn)脫水站3 座，加熱爐144 臺(tái)。每年用于加熱爐維修和清垢的投資達(dá)上百萬(wàn)元，既影響油田安全生產(chǎn)[2]，也增加了管理成本。該采油廠針對(duì)上述問(wèn)題，研究新型加熱爐除防垢技術(shù)，以降低生產(chǎn)管理成本，實(shí)現(xiàn)安全清潔生產(chǎn)[3]。為此，結(jié)合該采油廠科研項(xiàng)目，首次將量子防垢技術(shù)應(yīng)用到油田加熱爐的除防垢研究中。

1 轉(zhuǎn)油站加熱爐運(yùn)行情況

A轉(zhuǎn)油站隸屬該采油廠第一作業(yè)區(qū)，1988年10月投產(chǎn)，現(xiàn)有摻水真空爐3 臺(tái)，外輸真空爐2 臺(tái)；B 轉(zhuǎn)油站隸屬該采油廠第二作業(yè)區(qū)，1988 年10 月投產(chǎn)，現(xiàn)有摻水真空爐3 臺(tái)，外輸真空爐2 臺(tái)；C轉(zhuǎn)油站隸屬該采油廠第二作業(yè)區(qū)，始建于1989 年，現(xiàn)有摻水真空爐4 臺(tái)，外輸真空爐2 臺(tái)。從投產(chǎn)至今，隨著年限的增加，結(jié)垢給加熱爐的平穩(wěn)運(yùn)行帶來(lái)熱效率降低、故障率升高[4]，酸洗清淤除垢次數(shù)連年增加等諸多問(wèn)題。

2 量子環(huán)防垢器除防垢技術(shù)

量子環(huán)防垢器由硅鋁記憶合金制成。通過(guò)檢測(cè)水中各種物質(zhì)的分子振動(dòng)特性，記錄并開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的干擾和共振生物能量波，利用量子力學(xué)和激光技術(shù)，通過(guò)生物能量轉(zhuǎn)換儀，在一定的溫度和磁場(chǎng)環(huán)境條件下，約束硅鋁記憶合金材料的晶格結(jié)構(gòu)至臨界狀態(tài)并固化，將開(kāi)發(fā)的生物能量波存儲(chǔ)在硅鋁記憶合金材料中。當(dāng)量子環(huán)防垢器從周圍環(huán)境接收能量時(shí)（主要是細(xì)微的溫度變化），組成量子環(huán)防垢器的硅鋁記憶合金材料就會(huì)發(fā)生晶格位移，產(chǎn)生壓電感應(yīng)，形成方向、頻率、相位一致的超精微振動(dòng)波。

超精微振動(dòng)波透過(guò)管壁傳入水中，以水作為傳輸和存儲(chǔ)介質(zhì)，使水中相關(guān)離子的振動(dòng)特性發(fā)生改變，離子間的結(jié)合力減弱，不易結(jié)晶析出；同時(shí)，水分子的活性得到加強(qiáng)，溶解、滲透和包含垢的能力增強(qiáng)，原有老垢和銹蝕物在超精微振動(dòng)波的作用下，分子的振動(dòng)能級(jí)及振動(dòng)幅度不斷增強(qiáng)，容易擺脫晶體變軟脫落；超精微振動(dòng)波還可有效激發(fā)水中的氧原子和金屬表面的金屬原子，使其產(chǎn)生定向結(jié)合，在金屬表面形成保護(hù)膜，有效保護(hù)設(shè)備及管道，起到防腐緩蝕的作用。

3 量子環(huán)防垢器應(yīng)用

3.1 安裝方案

基于效果對(duì)比、現(xiàn)場(chǎng)施工、方便跟蹤及員工經(jīng)驗(yàn)等為優(yōu)選條件，選擇B 轉(zhuǎn)油站1 號(hào)摻水加熱爐、C 轉(zhuǎn)油站1 號(hào)和2 號(hào)摻水加熱爐、A 轉(zhuǎn)油站1 號(hào)摻水加熱爐的進(jìn)液管線分別安裝量子環(huán)防垢器，進(jìn)行除防垢研究。

3.2 試驗(yàn)方法

3.2.1 結(jié)垢速率

通過(guò)在量子環(huán)防垢器安裝點(diǎn)前后端安裝測(cè)試掛片，分析掛片的外形、重量等參數(shù)變化，對(duì)結(jié)垢速率進(jìn)行檢測(cè)。

2019 年11 月5 日、7 日分別在B 轉(zhuǎn)油站量子環(huán)防垢器安裝點(diǎn)的前端匯管（加熱爐進(jìn)口）和后端管道（加熱爐出口）上安裝結(jié)垢腐蝕檢測(cè)掛片，采用的掛片型號(hào)為A3 鋼Ⅱ型。2020 年5 月19 日取出掛片，安裝時(shí)長(zhǎng)分別為194天、196天。

掛片表面差異較大，后端掛片編號(hào)清晰可見(jiàn)，表面完整，沒(méi)有減薄，基本上沒(méi)有結(jié)垢現(xiàn)象；前端掛片編號(hào)已不可見(jiàn)，沒(méi)有完整表面，結(jié)垢嚴(yán)重。掛片表面對(duì)比如圖1所示。

圖1 清洗后掛片表面對(duì)比Fig.1 Comparison of the surface of the hanging piece after cleaning

該采油廠地質(zhì)大隊(duì)中心化驗(yàn)室對(duì)取回的掛片進(jìn)行了精細(xì)處理和分析。

根據(jù)GB 50050—2007 工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范粘附速率的要求[5]，結(jié)垢速率（粘附速率）的計(jì)算公式為

式中：P為月結(jié)垢速率，mg/cm2；ΔQ為檢測(cè)試片的增重，g；A為檢測(cè)試片的有效換熱面積，cm2；ΔT為檢測(cè)的時(shí)間，月。

本次檢測(cè)使用的掛片是A3 鋼Ⅱ型掛片，根據(jù)以上計(jì)算公式，以及掛片稱重?cái)?shù)據(jù)，可計(jì)算出結(jié)垢速率，如表1 所示。通過(guò)計(jì)算可以得出量子環(huán)防垢器的防垢率為79.93%。

表1 B轉(zhuǎn)油站掛片數(shù)據(jù)Tab.1 Hanging piece data of Oil Transfer Station B

同樣的方法，分別檢測(cè)A 轉(zhuǎn)油站1 號(hào)摻水爐安裝防垢器前、后的結(jié)垢速率，數(shù)據(jù)如表2 所示。通過(guò)計(jì)算得出A 轉(zhuǎn)油站量子環(huán)防垢器的防垢率為80.82%。

表2 A轉(zhuǎn)油站掛片數(shù)據(jù)Tab.2 Hanging piece data of Oil Transfer Station A

綜合A、B 兩個(gè)轉(zhuǎn)油站量子環(huán)防垢器的平均防垢率為80.375%。

3.2.2 排煙溫度和爐效

摻水加熱爐應(yīng)用量子環(huán)防垢器安裝前后加熱爐排煙溫度和爐效對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 安裝量子環(huán)防垢器前后加熱爐排煙溫度和爐效對(duì)比Tab.3 Comparison of exhaust gas temperature and furnace efficiency of heating furnace before and after installing the quantum ring scale inhibitor

根據(jù)排煙溫度和爐效對(duì)比分析，在3 座轉(zhuǎn)油站摻水爐上應(yīng)用量子環(huán)防垢器后，排煙溫度平均下降20.8 ℃，效率平均提升3.4%，換熱效率明顯提高[6]，充分說(shuō)明量子環(huán)防垢器起到了防垢阻垢的作用，減少了水垢的堆積和形成[7-8]。

3.2.3 提溫速率

選取相同進(jìn)口匯管、相同時(shí)期、不同加熱爐，對(duì)安裝量子環(huán)防垢器的加熱爐采取分次停爐方式，對(duì)比C 轉(zhuǎn)油站加熱爐從冷水提溫至設(shè)定溫度的時(shí)間，摻水加熱爐應(yīng)用量子環(huán)后提溫時(shí)間見(jiàn)表4。

表4 摻水加熱爐應(yīng)用量子環(huán)后提溫時(shí)間統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistics of temperature rising time after the application of quantum rings in water mixing heating furnaces

1 年內(nèi)，C 轉(zhuǎn)油站1 號(hào)摻水爐相比未安裝量子環(huán)的3 號(hào)摻水爐，提溫效率提高了6.72%，說(shuō)明量子環(huán)防垢器起到了防垢阻垢作用[9-10]。

4 效益分析

該采油廠現(xiàn)有24 座站庫(kù)（轉(zhuǎn)油站、聯(lián)合站），共144臺(tái)加熱爐，不計(jì)燃?xì)獬杀荆?4座站庫(kù)匯管處全部安裝量子環(huán)防垢器。

量子環(huán)除垢器的單價(jià)為21.92 萬(wàn)元，24 座站庫(kù)匯管各安裝1 個(gè)，總投入成本為526.13 萬(wàn)元。該采油廠每年加熱爐維修費(fèi)用約460 萬(wàn)元，更換盤管費(fèi)用約70 萬(wàn)元，每臺(tái)加熱爐清洗費(fèi)用約為2.4 萬(wàn)元，全廠144 臺(tái)加熱爐年清洗費(fèi)用約為331 萬(wàn)元。該采油廠144臺(tái)加熱爐每年維護(hù)費(fèi)用合計(jì)約為861萬(wàn)元。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，量子環(huán)除垢器的防垢率僅按70%計(jì)算，該采油廠每年加熱爐維修費(fèi)用約為138 萬(wàn)元，年節(jié)約維修成本約為322 萬(wàn)元。年節(jié)約更換盤管費(fèi)用約70 萬(wàn)元。每臺(tái)加熱爐按照每?jī)赡隃p少一次清洗計(jì)算，單臺(tái)加熱爐每年節(jié)約清洗成本約為1.2 萬(wàn)元，合計(jì)年節(jié)約清洗成本約為173 萬(wàn)元。累計(jì)年節(jié)約總成本約為565萬(wàn)元。

按一年期計(jì)算，經(jīng)濟(jì)效益等于節(jié)約成本減去安裝成本，約為39 萬(wàn)元。按兩年期計(jì)算，經(jīng)濟(jì)效益約為604萬(wàn)元。計(jì)算周期越長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)效益越大。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，安裝量子環(huán)除垢器后，加熱爐的平均防垢率為80.375%，提溫效率提高6.72%，排煙溫度平均下降20.8 ℃，效率平均提升3.4%，說(shuō)明量子環(huán)防垢器在加熱爐的安裝使用中起到了明顯的除防垢作用。

（2）通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，確定了量子環(huán)防垢器的除防垢功效，該項(xiàng)技術(shù)能夠廣泛應(yīng)用于加熱爐等易結(jié)垢設(shè)備，建議在各站點(diǎn)的結(jié)垢設(shè)備上采用，具有推廣應(yīng)用前景。

（3）結(jié)合量子環(huán)防垢器的防垢效果、作用機(jī)理及使用條件，可以以站為單位，從摻輸爐—摻輸匯管—計(jì)量間—單井管線—回油管線分別安裝量子環(huán)防垢器，加強(qiáng)源頭控制及后續(xù)管線管理，系統(tǒng)解決站內(nèi)結(jié)垢問(wèn)題。