海上聚驅油田超聲波螺旋扁管換熱器工藝設計及現場試驗

王繼良，王曉飛，趙立全，宮承君

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津300452）

海上聚驅油田超聲波螺旋扁管換熱器工藝設計及現場試驗

王繼良，王曉飛，趙立全，宮承君

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津300452）

針對海上注聚油田，如SZ36-1油田、LD5-2油田、LD10-1油田，原油系統換熱器堵塞嚴重，引起換熱器換熱周期縮短，換熱器清洗頻繁的問題，研發了超聲波螺旋扁管換熱器工藝，并在綏中陸地終端進行了現場試驗。該工藝集超聲波的空化作用、振動作用、熱作用以及螺旋扁管的強化傳熱、防垢除垢作用于一體，使得超聲波螺旋扁管換熱器在對含聚原油加熱過程中，能夠避免目前換熱器出現的問題。現場試驗表明，超聲波螺旋扁管換熱器工藝對提升含聚原油溫度的效果十分明顯，且沒有結垢堵塞現象。

超聲波防垢；螺旋扁管換熱器；焦結堵塞

海上聚驅油田采出液處理中，各種垢的積累以及膠質、瀝青質的聚結粘附造成換熱器內部堵塞，而聚合物的存在，又加劇了膠質、瀝青質的聚結，在高溫的作用下，發生焦結，導致換熱器的堵塞問題更加嚴重。本文通過對超聲波技術和螺旋扁管換熱技術的研究，探索含聚原油的加熱工藝，為海上含聚產出液的處理提供技術支持。

1 超聲波技術

超聲波屬于機械波，是機械振動在彈性媒質中的傳播[1]。超聲波在介質中傳播時，會使媒質產生受迫振動，使粒子間產生相互作用。當超聲波的機械能振動使媒質中的粒子加速度達到一定數值時，就會在媒質中產生一系列的物理和化學效應[2]。

超聲波在換熱界面間產生的效應主要有：空化效應[3-6]、活化效應[7]、振蕩渦旋效應[8]、剪切效應[9]。

（1）空化效應

超聲波的輻射能使被處理液體介質產生大量的空穴和氣泡，當這些空穴和氣泡破裂或互相擠壓時，能使成垢物質粉碎懸浮于液體介質中，并使已生成的垢層破碎導致其易于脫落。超聲波的空化效應還有降低原油粘度的作用。

（2）活化效應

超聲波在液體介質中通過空化效應，可以使水分子裂解為H+和HO-，從而增加水的溶解能力，使其溶垢能力相對提高。

（3）振蕩渦旋效應

當超聲波在金屬管中傳播時，會在金屬管壁產生高加速度震蕩波，使與該界面接觸的液體產生高速微渦，可起到防垢與除垢的作用。

（4）剪切效應

水分子因空化效應裂解產生的活性H+的壽命比較長，它與管道內的流體相互作用，可以使生成的積垢剝落下來。

2 螺旋扁管換熱技術

螺旋扁管換熱器的傳熱元件——螺旋扁管，它以圓管為基管，經壓扁后扭曲成型，其橫截面為長圓形。管內外流道因管子扭曲呈螺旋狀，如圖1所示。

圖1 螺旋扁管內外流體流動示意圖

螺旋扁管換熱器具有以下優點：

（1）管內外流體的螺旋流動強化了管內傳熱；

（2）介質的螺旋流動，增加了湍流效果；

（3）殼程沒有折流板，可以降低流體在殼程中的壓降。

3 超聲波螺旋扁管換熱器工藝設計

根據超聲波與螺旋扁換熱器管的特性，設計一個全新的工藝，該工藝綜合了這兩項技術在降粘和防垢除垢方面的優點，可以實現超聲波的作用方向沿著換熱管的徑向傳播，并使超聲波與換熱管的作用距離盡可能的近，衰減程度最低，見圖2.

圖2 超聲波作用于換熱器示意圖

本工藝系統由兩部分組成，即超聲波設備和超聲波螺旋扁管換熱器設備，見圖3.

圖3 超聲波螺旋扁管換熱器工藝示意圖

超聲波設備由罐體和超聲波發生裝置組成，罐體容積3 m3，超聲波發生裝置總功率為4 kW.該設備的作用是利用超聲波的降粘作用，降低原油的粘度，減小原油在換熱管中的附著作用。

超聲波螺旋扁管換熱器設備是超聲波發生裝置與螺旋扁管換熱器組成，該設備占地面積4 m2.超聲波發生裝置總功率為6 kW，它的作用是利用超聲波的防垢除垢作用，防止換熱器結垢堵塞。螺旋扁管換熱器中，原油走管程，熱油走殼程。

超聲波設備直接作用于原油，若管程中的原油溫度過高將會影響超聲波設備的正常運行，故設計時要求原油處理后的溫度原則上不能大于120℃.因為該工藝是針對海上含聚油田原油處理，所以原油進口設計溫度為60～90℃，熱油進口溫度設計為120～150℃.

流體介質在螺旋扁管內是螺旋流動，介質速度越快，其螺旋沖刷時的剪切力越大，即越不容易沉降結垢，故在設計時要求換熱流速不能小于0.2 m/s.

4 超聲波螺旋扁管換熱器現場試驗效果

因為換熱器焦結堵塞的問題主要出現在海上注聚油田，所以該項技術的現場試驗場地選擇在遼東作業區綏中陸地終端。由于原油中含有聚合物，陸地終端的換熱器一般運行三個月之后就產生焦結堵塞。

4.1 試驗流程

現場試驗流程選擇和現場原有設備并聯，試驗流程見圖4.原油先進入超聲波撬，經過超聲波降粘處理后，進入超聲波螺旋扁管換熱器設備，進行加熱處理，處理之后的原油回到終端流程。熱油直接進入超聲波螺旋扁管換熱器對原油進行加熱，然后回到終端流程。

圖4 螺旋扁管換熱器試驗流程

試驗流程參數如下：

入口原油溫度：75～80℃；入口熱油溫度：120～130℃

原油處理量：20 m3/h；熱油處理量：20 m3/h.

4.2 試驗數據分析

換熱器堵塞在試驗數據方面的表征，表現在兩個方面。首先，換熱器焦結堵塞后，換熱效率降低，導致換熱器原油進出口溫差變小；其次，換熱器焦結堵塞后，換熱管內流體流動不暢，流動阻力變大，導致原油進出口壓差變大。所以重點關注試驗流程的溫差以及壓差數據的變化。

圖5中所示是超聲波螺旋扁管換熱器在現場運行三個月內的溫差及壓差數據。

圖5 現場試驗數據分析圖

隨著試驗的進行，溫差穩定在一個區間內，并且后期的溫差比前期有所變大，即換熱效率有所提高；圖中壓差也穩定在一個范圍內，并且隨著溫差的變大，壓差有所減小，即在試驗進行三個月之后，換熱器沒有結垢堵塞。

4.3 開罐檢查結果

為了更直觀地了解換熱器的結構狀況，在試驗三個月之后，拆開換熱器封頭，觀察換熱管的結垢堵塞情況。

圖6為試驗前后換熱管對比圖。由圖6可以看出，試驗前換熱管表面粗糙、有銹蝕，試驗后的換熱管，表面光滑，并露出金屬材質光澤。這充分說明了超聲波對清除管道表面污垢的作用十分明顯，也正是因為對換熱管上附著的銹蝕清除掉，使換熱器的換熱效率有所提升、換熱管內原油流動更通暢，表現出來的結果就是試驗后期的試驗溫差大于試驗前期的溫差、試驗后期的壓差小于試驗后期的壓差。

圖6試驗前后換熱管對比圖

圖7 為試驗后的換熱管圖片，表面有少許浮油渣，用抹布很容易就擦去浮油渣，露出換熱管的本來顏色，且換熱管上沒有結垢及污油泥附著。這說明在超聲波的作用下，螺旋扁管中的含聚原油的粘度降低，原油中

圖7 試驗后換熱管圖片

5 結束語

利用超聲波來進行防垢除垢，目前還沒有廣泛應用于海上平臺，而螺旋扁管換熱器作為一種新的換熱設備，也還沒有應用于油田石油行業。通過對超聲波螺旋扁管換熱器工藝的研究，探索了利用超聲波和螺旋扁管換熱器的結合來擬解決海上平臺換熱器的結垢堵塞問題的可能性。

現場試驗表明，超聲波螺旋扁管換熱器工藝對提升含聚原油溫度的效果十分明顯，且沒有結垢堵塞。超聲波技術與螺旋扁管技術相結合，可以有效解決現場應用中換熱器的焦結堵塞問題。

[1]王方.超聲波降低原油粘度的室內試驗研究[D].東營：中國石油大學（華東），2010.

[2]應崇福.超聲學[M].北京：科學出版社，1990：513－522.

[3]李曉東，劉傳紹.超聲波清洗技術的研究與應用現狀[J].清洗世界，2009，25（1）：28-31.

[4]郭洪光，高乃云，姚娟娟，等.超聲波技術在水處理中的應用研究進展[J].工業用水與廢水，2010，41（3）：1-4.

[5]劉春陽，劉柳.超聲波技術在廢水處理中的應用研究[J].污染防治技術，2009，22（6）：62-66.

[6]謝學群.超聲在污水處理中的應用[J].污染防治技術，1998，11（3）：11-12.

[7]薛大偉.超聲波管道防垢[J].油氣田地面工程，2013，32（9）：146.

[8]郎東磊，王峰，吳婷婷.超聲波在線除垢技術在催化裂化裝置油漿系統中的應用[J].石油煉制與化工，2011，42（12）：23.

[9]車春媚，王浩，王輝.超聲波在線防垢除垢技術在換熱設備上的應用[J].化工設備與管道，2016，53（1）：35-38.

Process Design and Application Tests of the Ultrasonic Spiral Tube Heat Exchanger in Offshore Polymer Flooding Oilfields

WANG Ji-liang，WANG Xiao-fei，ZHAO Li-quan，GONG Chen-jun
（CNOOC EnerTech-Drilling&Production Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China）

In the offshore polymer flooding oilfields，such as SZ36-1 oilfield，LD5-2 oilfield and LD10-1oilfield，the heat exchanger of crude oil system is blocked seriously，which results in short heat exchange cycleand frequent heat exchanger cleaning.In view of the above problems，the ultrasonic spiral tube heat exchangertechnology was developed and field test was carried out in SZ oilfield land terminal.The process integrates thecavitation effect，vibration effect，and thermal effect of ultrasonic wave and the heat enhancement transfer and anti fouling effect of the spiral flat tube，which avoids all the problems of the existing heat exchangers，in the heating process of crude oil containing polymer by the ultrasonic spiral flat tube heat exchanger.Field test results showthat the ultrasonic spiral tube heat exchanger technology is especially effective to enhance the temperature of crude oil containing polymer，with no scaling plug.

ultrasonic anti-scaling；spiral flat tube heat exchanger；coke blockage

TE965

A

1672-545X（2017）03-0083-04

2016-12-15

王繼良（1981-），男，天津薊州人，本科，工程師，主要從事油田增產增注措施和三次采油技術研究和現場應用等工作。