量子環(huán)在紅壓深冷裝置壓縮機(jī)油冷卻器的節(jié)能應(yīng)用

黃學(xué)慶（大慶油田有限責(zé)任公司天然氣分公司）

紅壓深冷裝置壓縮機(jī)的油冷卻器采用循環(huán)水作為冷卻介質(zhì)，設(shè)計(jì)為2臺(tái)，正常運(yùn)行時(shí)一開一備。大慶地區(qū)水質(zhì)硬度較高，隨著裝置的運(yùn)行，冷卻器結(jié)垢嚴(yán)重[1-2]，冷卻效果差，油溫較高影響壓縮機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。為了確保潤滑油溫度符合要求，目前2臺(tái)油冷卻器并聯(lián)使用，氣溫高時(shí)需使用直流水噴淋降溫，每年冷卻水用量和循環(huán)泵的電量消耗較高。

量子環(huán)防垢技術(shù)在國內(nèi)很多領(lǐng)域的循環(huán)水系統(tǒng)都有應(yīng)用[3-10]。針對(duì)紅壓深冷裝置壓縮機(jī)油冷卻器結(jié)垢嚴(yán)重，換熱效果差這一情況，開展了量子環(huán)防垢技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。

1 量子環(huán)技術(shù)原理

量子環(huán)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(jí)穩(wěn)定儲(chǔ)存、記憶及釋放量子信息（超精微振動(dòng)波）的記憶合金材料。量子管持續(xù)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?biāo)鞣较騻鞑?，傳播的振?dòng)波作用于流體中不同物質(zhì)的分子、原子，使這些物質(zhì)的物理性質(zhì)發(fā)生改變，其作用涵蓋水及水中幾乎所有各種鹽類雜質(zhì)。振動(dòng)波打破了水分子團(tuán)結(jié)垢，使其變?yōu)樾〉乃肿訄F(tuán)，使水的活性得到增強(qiáng)，溶解水垢的能力得到增強(qiáng)。同時(shí)，超精微振動(dòng)波作用于水中的鈣、鐵、鎂等相關(guān)物質(zhì)，使其物理性質(zhì)發(fā)生改變。使晶體的微觀結(jié)構(gòu)從針晶狀（容易插擠成團(tuán)形成致密的硬垢）變?yōu)閳A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(tài)的水中呈軟絮狀沉淀于容器底部，而不易形成硬垢。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

裝置的2臺(tái)油冷卻器并聯(lián)使用，選擇其中一臺(tái)油冷卻器安裝量子環(huán)，另一臺(tái)不安裝，通過對(duì)比考察量子環(huán)防垢效果，現(xiàn)場(chǎng)安裝位置示意圖見圖1。

圖1 量子環(huán)安裝位置示意圖

通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量2臺(tái)油冷卻器出、入口循環(huán)水溫度和壓力，潤滑油出入口溫度變化情況，研究量子環(huán)防垢效果。

3 量子環(huán)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(duì)比可以看出，安裝初期2臺(tái)油冷卻器出口油溫基本一致，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，安裝量子環(huán)的油冷卻器出口油溫明顯低于未安裝量子環(huán)的油冷卻器。安裝量子環(huán)的油冷卻器出口平均油溫32.5℃，未安裝量子環(huán)的油冷卻器出口平均油溫38.1℃，溫差5.6℃，可見安裝量子環(huán)的油冷卻器防垢效果明顯，管束結(jié)垢的情況有一定的緩解，冷卻效果好于未安裝量子環(huán)的油冷卻器。

圖2 油冷卻器出口潤滑油溫度對(duì)比

3.2 傳熱系數(shù)變化

通過傳熱系數(shù)的變化可以定量評(píng)價(jià)油冷卻器的防垢效果，目前循環(huán)水和油管線上都沒有流量表，不能準(zhǔn)確計(jì)算出傳熱系數(shù)。研究中采用傳熱系數(shù)的比值評(píng)防垢效果，具體計(jì)算方法如下：

循環(huán)水熱負(fù)荷：

式中：Q水——循環(huán)水熱負(fù)荷，kJ/h；

q水——循環(huán)水流量，m3/h；

cp——循環(huán)水比熱，kJ/(kg·℃)；

T1——循環(huán)水入口溫度，℃；

T2——循環(huán)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(shù)，W/(m2·K)；

A換——油冷卻器換熱面積，m2；

ΔTM——對(duì)數(shù)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(huán)水入口溫度，℃；

T2——循環(huán)水出口溫度，℃。

其中：ΔT1=t1-T2，℃；

ΔT2=t2-T1，℃。

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

式中：q水——流量，m3/h；

μ——流量系數(shù)，與閥門或管子的形狀有關(guān)，m3/(Pa·s)；

A——管道橫截面積面積，m2；

P——通過設(shè)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(huán)水的密度、比熱、油冷卻器的換熱面積為固定值；保持循環(huán)水的壓力和閥的開度不變，始態(tài)和終態(tài)的循環(huán)水流量通過壓力差進(jìn)行校正，則得到換熱系數(shù)比的公式。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)2臺(tái)油冷卻器的傳熱系數(shù)比進(jìn)行了計(jì)算，其變化情況見圖3。

圖3 傳熱系數(shù)比的對(duì)比

由圖3可以看出，安裝量子環(huán)的油冷卻器，傳熱系數(shù)比由原來的1增加到1.16，油冷卻器的傳熱系數(shù)增加了16%；未安裝量子環(huán)的油冷卻器，傳熱系數(shù)比由原來的1減低到0.79，油冷卻器的傳熱系數(shù)比減低了21%?？梢?，量子環(huán)有較好的防垢效果，減少了結(jié)垢，提高了換熱效果，同等條件下，安裝量子環(huán)的油冷卻器與不安裝量子環(huán)的換熱相比，傳熱系數(shù)提高37%。安裝量子環(huán)后，潤滑油溫度能滿足壓縮機(jī)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(yùn)行2臺(tái)循環(huán)水泵，降低了電量的消耗。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

安裝量子環(huán)后，潤滑油溫度能滿足壓縮機(jī)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(jīng)濟(jì)效益為0.397 5萬元；不需要常年運(yùn)行2臺(tái)循環(huán)水泵，循環(huán)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(jīng)濟(jì)效益為7.896萬元；每年減少了換熱器的清洗次數(shù)和相應(yīng)的費(fèi)用4萬元；降低了因潤滑油溫度高導(dǎo)致的輕烴減產(chǎn)損失30 t，年經(jīng)濟(jì)效益11.25萬元，合計(jì)年經(jīng)濟(jì)效益23.5萬元。

4 結(jié)論

研究表明，安裝量子環(huán)的油冷卻器與未安裝量子環(huán)的油冷卻器比，潤滑油溫度降低了5.6℃，換熱系數(shù)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(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，每年減少了冷卻水用量1 060 m3，每年減少循環(huán)泵的電量消耗12×104kWh，減少了換熱器的清洗次數(shù)和相應(yīng)的費(fèi)用，降低了因潤滑油溫度高導(dǎo)致的輕烴減產(chǎn)，年經(jīng)濟(jì)效益23.5萬元，具有較好的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。