量子防垢技术在油田加热炉的防垢应用研究.pdf

第 43卷第 1期（2024-01）油气田地面工程 https:/完整性管理量子防垢技术在油田加热炉的防垢应用研究蒋涛大庆油田有限责任公司第十采油厂摘要：加热炉是油田生产运行中的重要设备，结垢不仅会造成加热炉频繁清洗，增加检修成本，而且影响换热效率，减少使用寿命，甚至造成加热炉烧损，导致停产或停输。采用新型管道外置安装量子环防垢器防垢技术，释放有针对性的振动波改变水中钙镁离子的振动特性，减少加热炉在温升过程中 CaCO3的结晶和沉积，防垢率可以达到 80%以上。量子环防垢器防垢技术对于减少加热炉清洗，提高加热炉炉效和使用效率有着积极的意义，可在油田结垢严重区块推广应用。关键词：加热炉；量子环防垢器；除防垢；结垢速率Research on the Application of Quantum Anti-scaling Technology in Oilfield HeatingFurnacesJIANG TaoNo.10 Oil Production Plant of Daqing Oilfield Co.，Ltd.Abstract：The heating furnace is an important piece of equipment for oilfield production and opera-tion.Scaling not only causes frequent cleaning and maintenance of the heating furnace，increases main-tenance costs，but also affects heat exchange efficiency，reduces service life，and even causes heatingfurnace burnout，leading to production or transportation shutdown.The anti-scaling technology of anew type of quantum ring scale inhibitor installed outside the pipeline is adopted，targeted vibrationwaves are released to change the vibration characteristics of calcium and magnesium ions in water，thecrystallization and deposition of CaCO3during the temperature rise process of the heating furnace are re-duced，and an anti-scaling rate of over 80%is achieved.The quantum ring anti-scaling technology hasa positive significance in reducing furnace cleaning，improving furnace efficiency and usage efficiency，and can be promoted and applied in areas with severe scaling in oilfields.Keywords：heating furnace；quantum ring scale inhibitor；removing and preventing scale；scaling rate国内大多数油田已到开发中后期，原油含水率越来越高，稠油比例越来越大，大部分油田联合站、转油站使用加热炉提高原油温度以保证外输和脱水效果。目前大庆油田在运加热炉 2 000 余台，在使用过程中，加热炉管壁结垢现象严重，不仅影响传热效率、能源消耗，还加速烟火管壁的垢下腐蚀，需通过酸洗、液气压动力清洗、加药清洗等技术方法，对加热炉进行定期清洗、除垢，以此保证加热炉的正常运行和传热效率。加热炉除垢主要采取酸洗技术措施，一般采用盐酸、磷酸、氢氟酸清洗1，在酸洗过程中，存在对难溶水垢清洗不彻底的问题；经常酸洗影响加热炉机械性能和使用寿命；废液容易造成环境污染。某采油厂集输系统在运脱水站 3 座，加热炉 144 台。每年用于加热炉维修和清垢的投资达上百万元，既影响油田安全生产2，也增加了管理成本。该采油厂针对上述问题，研究新型加热炉除防垢技术，以降低生产管理成本，实现安全清洁生产3。为此，结合该采油厂科研项目，首次将量子防垢技术应用到油田加热炉的除防垢研究中。DOI:10.3969/j.issn.1006-6896.2024.01.01057完整性管理蒋涛：量子防垢技术在油田加热炉的防垢应用研究油气田地面工程 https:/1转油站加热炉运行情况A转油站隶属该采油厂第一作业区，1988年 10月投产，现有掺水真空炉 3 台，外输真空炉 2 台；B 转油站隶属该采油厂第二作业区，1988 年 10 月投产，现有掺水真空炉 3 台，外输真空炉 2 台；C转油站隶属该采油厂第二作业区，始建于 1989年，现有掺水真空炉 4 台，外输真空炉 2 台。从投产至今，随着年限的增加，结垢给加热炉的平稳运行带来热效率降低、故障率升高4，酸洗清淤除垢次数连年增加等诸多问题。2量子环防垢器除防垢技术量子环防垢器由硅铝记忆合金制成。通过检测水中各种物质的分子振动特性，记录并开发出相应的干扰和共振生物能量波，利用量子力学和激光技术，通过生物能量转换仪，在一定的温度和磁场环境条件下，约束硅铝记忆合金材料的晶格结构至临界状态并固化，将开发的生物能量波存储在硅铝记忆合金材料中。当量子环防垢器从周围环境接收能量时（主要是细微的温度变化），组成量子环防垢器的硅铝记忆合金材料就会发生晶格位移，产生压电感应，形成方向、频率、相位一致的超精微振动波。超精微振动波透过管壁传入水中，以水作为传输和存储介质，使水中相关离子的振动特性发生改变，离子间的结合力减弱，不易结晶析出；同时，水分子的活性得到加强，溶解、渗透和包含垢的能力增强，原有老垢和锈蚀物在超精微振动波的作用下，分子的振动能级及振动幅度不断增强，容易摆脱晶体变软脱落；超精微振动波还可有效激发水中的氧原子和金属表面的金属原子，使其产生定向结合，在金属表面形成保护膜，有效保护设备及管道，起到防腐缓蚀的作用。3量子环防垢器应用3.1安装方案基于效果对比、现场施工、方便跟踪及员工经验等为优选条件，选择 B 转油站 1 号掺水加热炉、C 转油站 1号和 2号掺水加热炉、A 转油站 1号掺水加热炉的进液管线分别安装量子环防垢器，进行除防垢研究。3.2试验方法3.2.1结垢速率通过在量子环防垢器安装点前后端安装测试挂片，分析挂片的外形、重量等参数变化，对结垢速率进行检测。2019 年 11 月 5 日、7 日分别在 B 转油站量子环防垢器安装点的前端汇管（加热炉进口）和后端管道（加热炉出口）上安装结垢腐蚀检测挂片，采用的挂片型号为 A3 钢型。2020 年 5 月 19 日取出挂片，安装时长分别为 194天、196天。挂片表面差异较大，后端挂片编号清晰可见，表面完整，没有减薄，基本上没有结垢现象；前端挂片编号已不可见，没有完整表面，结垢严重。挂片表面对比如图 1所示。图 1清洗后挂片表面对比Fig.1 Comparison of the surface of the hangingpiece after cleaning该采油厂地质大队中心化验室对取回的挂片进行了精细处理和分析。根据 GB 500502007 工业循环冷却水处理设计规范粘附速率的要求5，结垢速率（粘附速率）的计算公式为P=QAT（1）式中：P为月结垢速率，mg/cm2；Q为检测试片的增重，g；A为检测试片的有效换热面积，cm2；T为检测的时间，月。本次检测使用的挂片是 A3 钢型挂片，根据以上计算公式，以及挂片称重数据，可计算出结垢速率，如表 1所示。通过计算可以得出量子环防垢表 1B转油站挂片数据Tab.1 Hanging piece data of Oil Transfer Station B挂片量子环前挂片量子环后挂片原有质量/g14.002 013.482 6取出后质量/g15.243 813.734 6增重质量/g1.24180.252测定时长/d194196月结垢速率/(mgcm-2）9.6161.9358第 43卷第 1期（2024-01）油气田地面工程 https:/完整性管理器的防垢率为 79.93%。同样的方法，分别检测 A 转油站 1号掺水炉安装防垢器前、后的结垢速率，数据如表 2所示。通过 计 算 得 出 A 转 油 站 量 子 环 防 垢 器 的 防 垢 率 为80.82%。综合 A、B 两个转油站量子环防垢器的平均防垢率为 80.375%。3.2.2排烟温度和炉效掺水加热炉应用量子环防垢器安装前后加热炉排烟温度和炉效对比见表 3。表 3安装量子环防垢器前后加热炉排烟温度和炉效对比Tab.3 Comparison of exhaust gas temperature and furnaceefficiency of heating furnace before and after installing thequantum ring scale inhibitor转油站BCA平均值排烟温度/安装前150.45139.45196.2162.03安装后134.24123.1166.2141.18温度降低值16.2116.353020.85平均炉效/%安装前76.978.676.177.2安装后80.0581.180.680.58炉效提高值3.152.54.53.38根据排烟温度和炉效对比分析，在 3座转油站掺水炉上应用量子环防垢器后，排烟温度平均下降20.8 ，效 率 平 均 提 升 3.4%，换 热 效 率 明 显 提高6，充分说明量子环防垢器起到了防垢阻垢的作用，减少了水垢的堆积和形成7-8。3.2.3提温速率选取相同进口汇管、相同时期、不同加热炉，对安装量子环防垢器的加热炉采取分次停炉方式，对比 C 转油站加热炉从冷水提温至设定温度的时间，掺水加热炉应用量子环后提温时间见表 4。1 年内，C 转油站 1 号掺水炉相比未安装量子环的 3 号掺水炉，提温效率提高了 6.72%，说明量子环防垢器起到了防垢阻垢作用9-10。4效益分析该采油厂现有 24 座站库（转油站、联合站），共 144台加热炉，不计燃气成本，在 24座站库汇管处全部安装量子环防垢器。量子环除垢器的单价为 21.92 万元，24 座站库汇管各安装 1个，总投入成本为 526.13万元。该采油厂每年加热炉维修费用约 460万元，更换盘管费用约 70 万元，每台加热炉清洗费用约为 2.4 万元，全厂 144 台加热炉年清洗费用约为 331 万元。该采油厂 144 台加热炉每年维护费用合计约为 861 万元。根据试验结果，量子环除垢器的防垢率仅按70%计算，该采油厂每年加热炉维修费用约为 138万元，年节约维修成本约为 322万元。年节约更换盘管费用约 70 万元。每台加热炉按照每两年减少一次清洗计算，单台加热炉每年节约清洗成本约为1.2 万元，合计年节约清洗成本约为 173 万元。累计年节约总成本约为 565万元。按一年期计算，经济效益等于节约成本减去安装成本，约为 39 万元。按两年期计算，经济效益约为 604万元。计算周期越长，经济效益越大。表 2A转油站挂片数据Tab.2 Hanging piece data of Oil Transfer Station A挂片安装防垢器前挂片安装防垢器前挂片原有质量/g17.8213.769 9取出后质量/g18.9613.949 7增重质量/g1.150.179 8测定时长/d8597挂片表面积/cm22820月结垢速率/(mgcm-2)14.4962.780 4表 4掺水加热炉应用量子环后提温时间统计Tab.4 Statistics of temperature rising time after the application of quantum rings in water mixing heating furnaces日期2019年 11月（安装量子环防垢器）2019年 12月2020年 1月2020年 2月2020年 11月2020年 12月2021年 1月2021年 2月平均值起始温度/394039394039394039.4设定出口温度/6060606060606060601号加热炉提温时间/min575958585253545355.53号加热炉提温时间/min565861595961626059.559完整性管理蒋涛：量子防垢技术在油田加热炉的防垢应用研究油气田地面工程 https:/5结论（1）根据实验结果，安装量子环除垢器后，加热 炉 的 平 均 防 垢 率 为 80.375%，提 温 效 率 提 高6.72%，排烟温度平均下降 20.8，效率平均提升3.4%，说明量子环防垢器在加热炉的安装使用中起到了明显的除防垢作用。（2）通过实验研究，确定了量子环防垢器的除防垢功效，该项技术能够广泛应用于加热炉等易结垢设备，建议在各站点的结垢设备上采用，具有推广应用前景。（3）结合量子环防垢器的防垢效果、作用机理及使用条件，可以以站为单位，从掺输炉掺输汇管计量间单井管线回油管线分别安装量子环防垢器，加强源头控制及后续管线管理，系统解决站内结垢问题。参考文献1 李江涛油田加热炉运行常见问题及对策J石油石化节能，2013，3（8）：34-35LI Jiangtao Common problems and 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