量子防垢技術在油田加熱爐的防垢應用研究

蔣濤

大慶油田有限責任公司第十采油廠

國內大多數油田已到開發中后期，原油含水率越來越高，稠油比例越來越大，大部分油田聯合站、轉油站使用加熱爐提高原油溫度以保證外輸和脫水效果。目前大慶油田在運加熱爐2 000 余臺，在使用過程中，加熱爐管壁結垢現象嚴重，不僅影響傳熱效率、能源消耗，還加速煙火管壁的垢下腐蝕，需通過酸洗、液氣壓動力清洗、加藥清洗等技術方法，對加熱爐進行定期清洗、除垢，以此保證加熱爐的正常運行和傳熱效率。加熱爐除垢主要采取酸洗技術措施，一般采用鹽酸、磷酸、氫氟酸清洗[1]，在酸洗過程中，存在對難溶水垢清洗不徹底的問題；經常酸洗影響加熱爐機械性能和使用壽命；廢液容易造成環境污染。某采油廠集輸系統在運脫水站3 座，加熱爐144 臺。每年用于加熱爐維修和清垢的投資達上百萬元，既影響油田安全生產[2]，也增加了管理成本。該采油廠針對上述問題，研究新型加熱爐除防垢技術，以降低生產管理成本，實現安全清潔生產[3]。為此，結合該采油廠科研項目，首次將量子防垢技術應用到油田加熱爐的除防垢研究中。

1 轉油站加熱爐運行情況

A轉油站隸屬該采油廠第一作業區，1988年10月投產，現有摻水真空爐3 臺，外輸真空爐2 臺；B 轉油站隸屬該采油廠第二作業區，1988 年10 月投產，現有摻水真空爐3 臺，外輸真空爐2 臺；C轉油站隸屬該采油廠第二作業區，始建于1989 年，現有摻水真空爐4 臺，外輸真空爐2 臺。從投產至今，隨著年限的增加，結垢給加熱爐的平穩運行帶來熱效率降低、故障率升高[4]，酸洗清淤除垢次數連年增加等諸多問題。

2 量子環防垢器除防垢技術

量子環防垢器由硅鋁記憶合金制成。通過檢測水中各種物質的分子振動特性，記錄并開發出相應的干擾和共振生物能量波，利用量子力學和激光技術，通過生物能量轉換儀，在一定的溫度和磁場環境條件下，約束硅鋁記憶合金材料的晶格結構至臨界狀態并固化，將開發的生物能量波存儲在硅鋁記憶合金材料中。當量子環防垢器從周圍環境接收能量時（主要是細微的溫度變化），組成量子環防垢器的硅鋁記憶合金材料就會發生晶格位移，產生壓電感應，形成方向、頻率、相位一致的超精微振動波。

超精微振動波透過管壁傳入水中，以水作為傳輸和存儲介質，使水中相關離子的振動特性發生改變，離子間的結合力減弱，不易結晶析出；同時，水分子的活性得到加強，溶解、滲透和包含垢的能力增強，原有老垢和銹蝕物在超精微振動波的作用下，分子的振動能級及振動幅度不斷增強，容易擺脫晶體變軟脫落；超精微振動波還可有效激發水中的氧原子和金屬表面的金屬原子，使其產生定向結合，在金屬表面形成保護膜，有效保護設備及管道，起到防腐緩蝕的作用。

3 量子環防垢器應用

3.1 安裝方案

基于效果對比、現場施工、方便跟蹤及員工經驗等為優選條件，選擇B 轉油站1 號摻水加熱爐、C 轉油站1 號和2 號摻水加熱爐、A 轉油站1 號摻水加熱爐的進液管線分別安裝量子環防垢器，進行除防垢研究。

3.2 試驗方法

3.2.1 結垢速率

通過在量子環防垢器安裝點前后端安裝測試掛片，分析掛片的外形、重量等參數變化，對結垢速率進行檢測。

2019 年11 月5 日、7 日分別在B 轉油站量子環防垢器安裝點的前端匯管（加熱爐進口）和后端管道（加熱爐出口）上安裝結垢腐蝕檢測掛片，采用的掛片型號為A3 鋼Ⅱ型。2020 年5 月19 日取出掛片，安裝時長分別為194天、196天。

掛片表面差異較大，后端掛片編號清晰可見，表面完整，沒有減薄，基本上沒有結垢現象；前端掛片編號已不可見，沒有完整表面，結垢嚴重。掛片表面對比如圖1所示。

圖1 清洗后掛片表面對比Fig.1 Comparison of the surface of the hanging piece after cleaning

該采油廠地質大隊中心化驗室對取回的掛片進行了精細處理和分析。

根據GB 50050—2007 工業循環冷卻水處理設計規范粘附速率的要求[5]，結垢速率（粘附速率）的計算公式為

式中：P為月結垢速率，mg/cm2；ΔQ為檢測試片的增重，g；A為檢測試片的有效換熱面積，cm2；ΔT為檢測的時間，月。

本次檢測使用的掛片是A3 鋼Ⅱ型掛片，根據以上計算公式，以及掛片稱重數據，可計算出結垢速率，如表1 所示。通過計算可以得出量子環防垢器的防垢率為79.93%。

表1 B轉油站掛片數據Tab.1 Hanging piece data of Oil Transfer Station B

同樣的方法，分別檢測A 轉油站1 號摻水爐安裝防垢器前、后的結垢速率，數據如表2 所示。通過計算得出A 轉油站量子環防垢器的防垢率為80.82%。

表2 A轉油站掛片數據Tab.2 Hanging piece data of Oil Transfer Station A

綜合A、B 兩個轉油站量子環防垢器的平均防垢率為80.375%。

3.2.2 排煙溫度和爐效

摻水加熱爐應用量子環防垢器安裝前后加熱爐排煙溫度和爐效對比見表3。

表3 安裝量子環防垢器前后加熱爐排煙溫度和爐效對比Tab.3 Comparison of exhaust gas temperature and furnace efficiency of heating furnace before and after installing the quantum ring scale inhibitor

根據排煙溫度和爐效對比分析，在3 座轉油站摻水爐上應用量子環防垢器后，排煙溫度平均下降20.8 ℃，效率平均提升3.4%，換熱效率明顯提高[6]，充分說明量子環防垢器起到了防垢阻垢的作用，減少了水垢的堆積和形成[7-8]。

3.2.3 提溫速率

選取相同進口匯管、相同時期、不同加熱爐，對安裝量子環防垢器的加熱爐采取分次停爐方式，對比C 轉油站加熱爐從冷水提溫至設定溫度的時間，摻水加熱爐應用量子環后提溫時間見表4。

表4 摻水加熱爐應用量子環后提溫時間統計Tab.4 Statistics of temperature rising time after the application of quantum rings in water mixing heating furnaces

1 年內，C 轉油站1 號摻水爐相比未安裝量子環的3 號摻水爐，提溫效率提高了6.72%，說明量子環防垢器起到了防垢阻垢作用[9-10]。

4 效益分析

該采油廠現有24 座站庫（轉油站、聯合站），共144臺加熱爐，不計燃氣成本，在24座站庫匯管處全部安裝量子環防垢器。

量子環除垢器的單價為21.92 萬元，24 座站庫匯管各安裝1 個，總投入成本為526.13 萬元。該采油廠每年加熱爐維修費用約460 萬元，更換盤管費用約70 萬元，每臺加熱爐清洗費用約為2.4 萬元，全廠144 臺加熱爐年清洗費用約為331 萬元。該采油廠144臺加熱爐每年維護費用合計約為861萬元。根據試驗結果，量子環除垢器的防垢率僅按70%計算，該采油廠每年加熱爐維修費用約為138 萬元，年節約維修成本約為322 萬元。年節約更換盤管費用約70 萬元。每臺加熱爐按照每兩年減少一次清洗計算，單臺加熱爐每年節約清洗成本約為1.2 萬元，合計年節約清洗成本約為173 萬元。累計年節約總成本約為565萬元。

按一年期計算，經濟效益等于節約成本減去安裝成本，約為39 萬元。按兩年期計算，經濟效益約為604萬元。計算周期越長，經濟效益越大。

5 結論

（1）根據實驗結果，安裝量子環除垢器后，加熱爐的平均防垢率為80.375%，提溫效率提高6.72%，排煙溫度平均下降20.8 ℃，效率平均提升3.4%，說明量子環防垢器在加熱爐的安裝使用中起到了明顯的除防垢作用。

（2）通過實驗研究，確定了量子環防垢器的除防垢功效，該項技術能夠廣泛應用于加熱爐等易結垢設備，建議在各站點的結垢設備上采用，具有推廣應用前景。

（3）結合量子環防垢器的防垢效果、作用機理及使用條件，可以以站為單位，從摻輸爐—摻輸匯管—計量間—單井管線—回油管線分別安裝量子環防垢器，加強源頭控制及后續管線管理，系統解決站內結垢問題。