油田加热炉空穴水力射流除垢技术

大庆油田采油九厂

油田加热炉空穴水力射流除垢技术

刘洪花

大庆油田采油九厂

由于水质等因素的影响，几乎所有工质为水的加热炉都会出现不同程度的结垢现象。盘管管壁结垢降低了加热炉的传热能力和系统效率，同时大量的热损失也造成了能源的浪费。针对以上问题，开展了空穴水力射流除垢技术研究。该技术是运用流体力学中的空穴效应原理，将清洗器投放在盘管中，在水流和压缩空气的推动下其快速向前移动，清洗器上的叶片高频率、剧烈振颤，产生的急速旋转涡流将清洗器包围形成了连续移动的低压区，这个区域的水流始终呈汽化状态，产生的细微汽泡又迅速被压缩直至崩裂，瞬间激射出强力的微射流，无数的微射流汇聚成冲击波，彻底粉碎了物体表面的沉积物。对大庆油田采油七厂葡四联3#、4#真空加热炉进行了空穴水力射流除垢，2台真空加热炉在除垢后的半年时间里，加热炉效率得到了明显的提升。

加热炉；空穴射流；除垢；冲击压力；结构改造

由于水质等因素的影响，几乎所有工质为水的加热炉都会出现不同程度的结垢现象。盘管管壁结垢降低了加热炉的传热能力和系统效率，同时大量的热损失也造成了能源的浪费。若垢层厚度达到4 mm，耗气至少要增加26.6%，全油田每年将有1.05×108m3气被垢质消耗掉，并且结垢还会造成加热炉烧损。近3年，因烧损大修的加热炉占全油田加热炉总数的1/4，大修改造费用近1.2亿元。加强加热炉的防垢、清垢工作迫在眉睫。

1 空穴水力射流除垢技术

加热炉空穴水力射流除垢技术[1-2]是运用流体力学中的空穴效应原理，将清洗器投放在盘管中，在水流和压缩空气的推动下其快速向前移动，清洗器上的叶片高频率、剧烈振颤，产生的急速旋转涡流将清洗器包围形成了连续移动的低压区，这个区域的水流始终呈汽化状态，产生的细微汽泡又迅速被压缩直至崩裂，瞬间激射出强力的微射流，无数的微射流汇聚成冲击波，彻底粉碎了物体表面的沉积物。该技术清洗效果好，工作效率高，能顺利通过“U”型弯与蛇形弯；清洗器运行速度为1.6 km/h，清洗行程长；动力水流从清洗器的缝隙中激射而出，扫清了前面被清洗下来的污垢；通过能力强，弹性变形大，直径收缩比可达30%以上。

2 清洗器工作原理

叶片可张型清洗器工作原理：射流在其内部诱使生成充满水蒸汽的空穴泡，适当调节与冲击物体表面距离，使这些空穴泡有长大、压缩的过程。当射流冲击到物体表面时，空穴泡破裂产生超声波、微射流和激波冲击，在物体表面或其附近形成高压区，由于空穴泡破裂时产生的巨大能量集中作用在许多非常小的面积内，从而在许多局部区域产生极高的应力集中，破坏被冲击物体的表面。

射流所产生的空穴泡每次溃灭时，近壁处微射流速度可达70～180 m/s，在物体表面产生的冲击压力高达140～170 MPa。微射流直径约为2～3μm，物体表面受到微射流冲击次数约为100～1000次/ (s·cm2)，冲击脉冲作用时间每次只有几微秒。空泡溃灭的冲击压力不断作用到物体表面，微射流的冲击作用将像锤击一样连续打击着固体壁面，且短时空穴射流不会对基体产生破坏，达到清洗除垢的目的。

3 加热炉结构改造

真空相变加热炉内盘管长，结构复杂，有多处“U”型弯，结垢严重，采用简单的化学除垢方法（如酸洗）难以达到理想效果，且对盘管腐蚀较大。因此对该加热炉结构进行了改造[3]，具体改造内容如下：

（1）将封头后面板割开，将盘管进、出口汇集器割断，把盘管接长引出炉体外部。预制后封头，根据单根盘管位置情况，在后封头开孔，将盘管进、出口伸出筒体外部。

（2）预制盘管汇集器和清洗接头，并组装成整体。

（3）根据现场进、出口管线位置确定汇集器的尺寸和弯头位置；根据现场情况适当调节汇集器的长度；由于进、出口位置的改变，相应改造进出口工艺管线位置。进、出口集箱示意图见图1。

图1 进、出口集箱示意图

（4）当筒体后封头与盘管进、出口汇集器清洗接头焊接完成后，分别对壳程和管程进行水压试验，试验无任何异常时进行管线进、出口连接。

（5）如果需要清洗，打开进、出口清洗接头，接上清洗设备管线即可对单组盘管进行清洗。清洗接头改造见图2。

图2 清洗接头改造

4 应用效果

2013年12月3日，对大庆油田采油七厂葡四联3#、4#真空加热炉进行了空穴水力射流除垢，具体操作如下：

（1）在加热炉掺水进口集箱处投入清管器，集箱接管与水泥车相连接，水泥车与水罐车连接。

（2）在加热炉掺水出口集箱处连接清管器接收装置；连接排污管线至空罐车内；启动水泥车推动清管器在盘管中前进。

（3）当清管器进入接收装置后，水泥车停止工作，取出清管器，至此单根管线清洗完成。

本次除垢盘管弯头多，垢质最厚达2 cm，垢质坚硬。除垢后管壁无损伤及腐蚀现象发生，垢质清除彻底。

清洗后，每月对葡四联3#、4#加热炉热效率、排烟温度、空气系数进行跟踪测试（结果见表1），并对录取数据进行分析总结。

表1 真空加热炉节能监测评价

由表1可以看出，2台真空加热炉在空穴水力射流除垢后的半年时间里，加热炉效率得到了明显的提升。其主要原因是加热炉结垢得到有效抑制，受热面的热传导率有所提升[4]，从而提高了系统效率。

5 结语

（1）应用空穴射流除垢技术避免了化学除垢等技术对管线的腐蚀和损伤，保证了管线的使用寿命。

（2）射流除垢效率高，用时短，垢质被击成粉末状，直接被水带走，不会发生堵管现象，生产恢复快。

（3）安全环保。空穴射流除垢属于纯物理清洗技术，对管道无损伤；污垢收集后定点排放，减少环境污染，无任何安全隐患。

[1]何治武，杨全安，李应军，等．水力空穴射流在油田输油管线清垢中的应用[J]．当代化工，2011，40（10）：1 051-1 053．

[2]张振东，张伟哲．空穴射流清洗技术在加热炉上的应用[J]．油气田地面工程，2011，30（12）：80-81.

[3]左景栾，任韶然，于洪敏．油田防垢技术研究与应用进展[J]．试油工程建设，2000，3（2）：7-17．

[4]李涛，张莉．项目管理[M]．北京：中国人民大学出版社，2005：90-106.

（栏目主持 樊韶华）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.11.030

刘洪花：大学本科，工程师，从事油田生产管理工作。

2015-04-03

18945976368、Liuhonghua@petrochina.com.cn