超聲波技術(shù)在加熱爐防垢中的應(yīng)用

代國臣大慶油田采油二廠

超聲波技術(shù)在加熱爐防垢中的應(yīng)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(shù)應(yīng)用評價(jià)研究。2008年，先后在薩南油田9座轉(zhuǎn)油站32臺(tái)加熱爐上完成了超聲波防垢技術(shù)的推廣應(yīng)用，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。從近5年加熱爐大修數(shù)據(jù)對比看出，在應(yīng)用超聲波防垢技術(shù)后，實(shí)現(xiàn)加熱爐大修率平均降低6%。應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)的94臺(tái)加熱爐，每年減少大修6.64臺(tái)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(dá)到了9.9%，按大慶油田采油二廠平均每站日耗氣4 000 m3計(jì)算，29座轉(zhuǎn)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(yàn)

為篩選高效的防垢措施，有效解決加熱爐結(jié)垢嚴(yán)重問題，自2007年開始，薩南油田開展了地面防垢技術(shù)應(yīng)用評價(jià)研究，通過室內(nèi)機(jī)理研究與現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合，歷經(jīng)多年時(shí)間，總結(jié)出超聲波防垢是油田現(xiàn)有條件下較為經(jīng)濟(jì)有效的區(qū)域性物理防垢技術(shù)。結(jié)垢問題的解決，不僅可為生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能降耗提供有力措施，同時(shí)也大大降低生產(chǎn)設(shè)備、管道的更新維護(hù)費(fèi)用，對于降低油田基建投資、保證安全生產(chǎn)具有特殊的意義。

1 超聲波防垢技術(shù)原理

超聲波防垢裝置主要由控制箱和換能器兩部分組成?？刂葡鋵㈦娔苻D(zhuǎn)化為電脈沖，將電能由信號(hào)電纜傳輸至換能器，換能器中的磁致伸縮合金將電磁能轉(zhuǎn)化成一定頻率的超聲波。通過與被保護(hù)金屬的硬性連接，換能器產(chǎn)生的超聲波作用于介質(zhì)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(jìn)而凝聚成顆粒團(tuán)，減少在金屬表面聚集成垢，實(shí)現(xiàn)防垢作用；另一方面，在機(jī)械震動(dòng)作用下，造成已經(jīng)沉積垢的破裂、膨脹及脫落，對金屬表面形成的垢質(zhì)進(jìn)行去除。

2 試驗(yàn)及推廣情況

2.1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)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(shí)驗(yàn)、單超聲波實(shí)驗(yàn)、雙超聲波實(shí)驗(yàn)）進(jìn)行實(shí)時(shí)水質(zhì)分析，確定超聲波防垢技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)。

模仿加熱爐制作超聲波實(shí)驗(yàn)主平臺(tái)，在容器的一段安裝有超聲波換能器接口2個(gè)，一只加熱棒安裝在容器中心反應(yīng)桶內(nèi)，另一只直接安裝在鋼質(zhì)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(zhì)變化規(guī)律。

通過空白、單超聲波、雙超聲波實(shí)驗(yàn)，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(shí)增強(qiáng)成垢離子的絮凝作用，兩方面作用能夠?qū)崿F(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(jìn)離子快速向微晶轉(zhuǎn)化，成核后漂浮及沉積，降低成垢離子結(jié)合的幾率，有助于防垢能力的增強(qiáng)；③在35及60℃時(shí)超聲波實(shí)驗(yàn)中陰離子大幅度下降，總體溶解能力大幅提高，故產(chǎn)生大量絮凝現(xiàn)象。此工況符合當(dāng)前油田生產(chǎn)過程中常溫集油以及摻水熱洗過程生產(chǎn)溫度。

2.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

超聲波防垢技術(shù)現(xiàn)場實(shí)施效果主要通過生產(chǎn)運(yùn)行分析、加熱爐裝置內(nèi)檢、加熱爐效率監(jiān)測三部分進(jìn)行綜合評價(jià)。

2.2.1 生產(chǎn)運(yùn)行分析（水套爐）

南2—3轉(zhuǎn)油站屬于泵后加熱轉(zhuǎn)油站，該站加熱裝置由于水質(zhì)結(jié)垢嚴(yán)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(jìn)行熱洗（70℃），加熱盤管進(jìn)出口壓差最高達(dá)0.8MPa，平均在0.35 MPa，每年都至少進(jìn)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(shí)間減少至6～8 h（70℃），加熱爐均無大修和酸洗記錄。根據(jù)2011年12月監(jiān)測數(shù)據(jù)，該站熱洗加熱爐進(jìn)出口壓差為0.1MPa，且至2014年，該站無酸洗維護(hù)。

2.2.2 加熱爐裝置內(nèi)檢（二合一）

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

通過加熱爐內(nèi)部結(jié)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(rèn)識(shí)：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(jié)垢現(xiàn)象；②由于超聲波機(jī)理中高頻振蕩作用，機(jī)械力產(chǎn)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(gè)很嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娜?，也很守信的，他失蹤前一天還答應(yīng)對我的論文進(jìn)行指導(dǎo)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(gè)星期的日程安排，他還親自提筆改了幾處的。”

根據(jù)超聲波在加熱爐上應(yīng)用運(yùn)行方案，分別對南2—3站5臺(tái)水套爐及聚南2—3轉(zhuǎn)油站2臺(tái)二合一加熱效率進(jìn)行監(jiān)測。通過各項(xiàng)檢測數(shù)據(jù)對比看出，南2—3及聚南2—3轉(zhuǎn)油站共計(jì)4臺(tái)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(tái)加熱爐運(yùn)行1年后，加熱爐熱效率平均降低8.32%。

超聲波可產(chǎn)生防垢除垢作用，加熱爐煙火管結(jié)垢量減少，黏結(jié)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(dāng)沉積有所減緩時(shí)，加熱效率仍然會(huì)呈現(xiàn)上升趨勢。

2.3 推廣規(guī)模及經(jīng)濟(jì)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(zhuǎn)油站32臺(tái)加熱爐上完成了超聲波防垢技術(shù)的推廣應(yīng)用，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。2010年，繼續(xù)擴(kuò)大推廣范圍，先后在11座轉(zhuǎn)油站30臺(tái)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(tái)加熱爐安裝超聲波防垢裝置，運(yùn)行較為平穩(wěn)。

由于超聲波技術(shù)對加熱爐結(jié)垢嚴(yán)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(jù)對比可看出，在應(yīng)用超聲波防垢技術(shù)后，實(shí)現(xiàn)加熱爐大修率平均降低6%，如表1所示。應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)的94臺(tái)加熱爐，每年減少大修6.64臺(tái)次。

2.3.2 經(jīng)濟(jì)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(dá)到了9.9%，按二廠平均每站日耗氣4 000 m3計(jì)算，29座轉(zhuǎn)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(tái)次(加熱爐大修30萬元/臺(tái))，年節(jié)約改造投資約199萬元。超聲波技術(shù)產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益387.6萬元/年。

表1 采油二廠加熱爐大修數(shù)量統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

（1）超聲波防垢技術(shù)具有防垢效率高、安裝簡便、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，能夠?qū)Ω黝惣訜嵫b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(jìn)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(zhì)連接處能量大幅度衰減的弱點(diǎn)，不適應(yīng)當(dāng)前站庫內(nèi)全面的防垢保護(hù)，但適合對加熱裝置等獨(dú)立設(shè)備進(jìn)行區(qū)域性防垢保護(hù)。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(qū)加熱爐內(nèi)聚集物質(zhì)迅速飄移，絮凝后物質(zhì)將在三合一內(nèi)沉積，因此需要加大對轉(zhuǎn)油站三合一的清淤力度；而聚合物驅(qū)，絮凝聚結(jié)產(chǎn)物與聚合物膠結(jié)，快速沉積大于漂移能力，加熱爐內(nèi)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