超声波技术在加热炉防垢中的应用

代国臣大庆油田采油二厂

超声波技术在加热炉防垢中的应用

代国臣大庆油田采油二厂

自2007年开始，萨南油田开展了地面防垢技术应用评价研究。2008年，先后在萨南油田9座转油站32台加热炉上完成了超声波防垢技术的推广应用，取得了明显的经济效益。从近5年加热炉大修数据对比看出，在应用超声波防垢技术后，实现加热炉大修率平均降低6%。应用该项技术的94台加热炉，每年减少大修6.64台次。安装超声波防垢装置后加热炉热效率平均降低8.32%，节气率达到了9.9%，按大庆油田采油二厂平均每站日耗气4 000 m3计算，29座转油站年节气419×104m3，年节约改造投资约199万元。

萨南油田；超声波防垢；加热炉；节气；现场试验

为筛选高效的防垢措施，有效解决加热炉结垢严重问题，自2007年开始，萨南油田开展了地面防垢技术应用评价研究，通过室内机理研究与现场试验相结合，历经多年时间，总结出超声波防垢是油田现有条件下较为经济有效的区域性物理防垢技术。结垢问题的解决，不仅可为生产系统节能降耗提供有力措施，同时也大大降低生产设备、管道的更新维护费用，对于降低油田基建投资、保证安全生产具有特殊的意义。

1 超声波防垢技术原理

超声波防垢装置主要由控制箱和换能器两部分组成。控制箱将电能转化为电脉冲，将电能由信号电缆传输至换能器，换能器中的磁致伸缩合金将电磁能转化成一定频率的超声波。通过与被保护金属的硬性连接，换能器产生的超声波作用于介质中，一方面在超声波“空化”作用下干扰水中成垢离子，快速形成稳晶核，进而凝聚成颗粒团，减少在金属表面聚集成垢，实现防垢作用；另一方面，在机械震动作用下，造成已经沉积垢的破裂、膨胀及脱落，对金属表面形成的垢质进行去除。

2 试验及推广情况

2.1 室内实验

室内实验重点对过饱和碳酸钙溶液（人为配制、含油污水）在不同条件下（空白实验、单超声波实验、双超声波实验）进行实时水质分析，确定超声波防垢技术的应用特点。

模仿加热炉制作超声波实验主平台，在容器的一段安装有超声波换能器接口2个，一只加热棒安装在容器中心反应桶内，另一只直接安装在钢质管壁上，以掌握在不同换能器状态下，超声波作用下的水质变化规律。

通过空白、单超声波、双超声波实验，超声波对饱和碳酸钙溶液反映出以下三方面特性：①在超声波作用下，可有效提高溶液中成垢阳离子的溶解度，同时增强成垢离子的絮凝作用，两方面作用能够实现较好的防垢效果；②在相同频率下，多换能发射器形成了波能量的叠加，促进离子快速向微晶转化，成核后漂浮及沉积，降低成垢离子结合的几率，有助于防垢能力的增强；③在35及60℃时超声波实验中阴离子大幅度下降，总体溶解能力大幅提高，故产生大量絮凝现象。此工况符合当前油田生产过程中常温集油以及掺水热洗过程生产温度。

2.2 现场试验

超声波防垢技术现场实施效果主要通过生产运行分析、加热炉装置内检、加热炉效率监测三部分进行综合评价。

2.2.1 生产运行分析（水套炉）

南2—3转油站属于泵后加热转油站，该站加热装置由于水质结垢严重，掺水、热洗提温速度较慢，热洗炉需升温12 h才能对所辖区域油井进行热洗（70℃），加热盘管进出口压差最高达0.8MPa，平均在0.35 MPa，每年都至少进行一次加热炉酸洗解堵。自2008年安装超声波防垢仪后，热洗炉升温时间减少至6～8 h（70℃），加热炉均无大修和酸洗记录。根据2011年12月监测数据，该站热洗加热炉进出口压差为0.1MPa，且至2014年，该站无酸洗维护。

2.2.2 加热炉装置内检（二合一）

根据对安装及未安装超声波除垢防垢系统的转油站二合一烟火管结垢情况，进行防垢效果直观检测。对南2—16转油站1#二合一安装超声波防垢装置前后烟火管结垢状况进行对比。

通过加热炉内部结垢状况直观观测，对使用超声波除垢防垢系统有阶段性认识：①由于双超声波的协同作用，大量成垢离子分子化加快，大幅度减缓块状垢的形成，表现为加热炉烟管和局部火管无明显结垢现象；②由于超声波机理中高频振荡作用，机械力产生垢“破碎”现象的发生，具有了除垢的作用。

2.2.3 加热炉效率监测

女助手说：“我真没有发现有什么不对的地方，以前的警察也来过几次，我都这么说，毛老师是一个很严谨的人，也很守信的，他失踪前一天还答应对我的论文进行指导的，可是他那天晚上下班后就没有再回来了，我还帮他草拟了接下来一个星期的日程安排，他还亲自提笔改了几处的。”

根据超声波在加热炉上应用运行方案，分别对南2—3站5台水套炉及聚南2—3转油站2台二合一加热效率进行监测。通过各项检测数据对比看出，南2—3及聚南2—3转油站共计4台安装超声波防垢装置加热炉加热效率较前一年（未安装超声波）平均提高0.092 5%；而未安装超声波防垢装置的3台加热炉运行1年后，加热炉热效率平均降低8.32%。

超声波可产生防垢除垢作用，加热炉烟火管结垢量减少，黏结的垢大面积脱落，因此反映出加热效率的上升，即使存在加热效率的降低，这也是加热炉垢沉积大于剥离的一种反映，当沉积有所减缓时，加热效率仍然会呈现上升趋势。

2.3 推广规模及经济效益

2.3.1 推广规模及效果

2008年，先后在萨南油田9座转油站32台加热炉上完成了超声波防垢技术的推广应用，取得了明显的经济效益。2010年，继续扩大推广范围，先后在11座转油站30台加热炉上安装超声波防垢装置。目前萨南油田已有29座站94台加热炉安装超声波防垢装置，运行较为平稳。

由于超声波技术对加热炉结垢严重问题能起到遏制作用，加热炉大修率大幅度降低。从近5年加热炉大修数据对比可看出，在应用超声波防垢技术后，实现加热炉大修率平均降低6%，如表1所示。应用该项技术的94台加热炉，每年减少大修6.64台次。

2.3.2 经济效益分析

安装超声波防垢装置后加热炉热效率平均降低8.32%，节气率达到了9.9%，按二厂平均每站日耗气4 000 m3计算，29座转油站年节气419×104m3。

已安装防垢装置加热炉大修频率平均降低6.64台次(加热炉大修30万元/台)，年节约改造投资约199万元。超声波技术产生的直接经济效益387.6万元/年。

表1 采油二厂加热炉大修数量统计

3 结论

（1）超声波防垢技术具有防垢效率高、安装简便、性能稳定等特点，能够对各类加热装置起到明显防垢作用，不仅对系统效率的提高有积极的促进作用，节气效果明显，而且可大幅度延长加热炉使用寿命，降低基建投资。

（2）由于超声波具有在弹性体以及非硬质连接处能量大幅度衰减的弱点，不适应当前站库内全面的防垢保护，但适合对加热装置等独立设备进行区域性防垢保护。其换能装置需要直接作用在金属表面，避免弹性体的阻隔。

（3）在超声波作用下，水驱加热炉内聚集物质迅速飘移，絮凝后物质将在三合一内沉积，因此需要加大对转油站三合一的清淤力度；而聚合物驱，絮凝聚结产物与聚合物胶结，快速沉积大于漂移能力，加热炉内淤泥将大量增加，也需要加大清淤力度。

（栏目主持杨军）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.4.009