超音頻脈沖除防垢儀的現場應用,一、項目來源與背景,國內目前已研制出一種超音頻防垢除垢儀，可解決運行設備、運行管線的結垢與防垢問題。這種防除垢儀可廣泛應用在鍋爐、管道、列管板式換熱器等設備的防、除垢過程（見圖1至圖3），并可解決高硬度、高堿度的水垢、水處理劑難以解決的碳酸鹽垢和硫酸鹽垢等各種混合垢難以同時清除的難題，是目前比較先進和十分有效的防垢、除垢技術。,圖1 在動力設備上的安裝圖,圖2 在加熱爐設備上的安裝圖,圖3 在管道上的安裝圖,一、項目來源與背景,在國內其它油田成功使用情況,華北油田文31站2加熱爐和馬二接轉站油水分離器水出口管線，由于水中富含硬度鹽造成每年結垢非常嚴重（六個月時間內垢厚達到3.58.5cm），直接影響設備正常生產。 2004年11月安裝了該裝置，2005年4月-7月分別打開其管線閥門檢驗其防除垢效果。通過檢驗，設備及管線表面光潔，沒有結垢，防垢效果明顯。,圖4 安裝除防垢儀前的情況,圖5 安裝除防垢儀后的情況,二、工作原理及技術優勢,超音頻脈沖防垢技術機理,超音頻脈沖信號經大功率的功率器件放大后經換能器產生超音頻的機械振動，超音頻的機械振動作用于鍋爐及熱交換器管板及管板內的水中，使水產生超聲凝聚現象，即水中的硬度鹽及懸浮在水中的微粒雜質，凝集成較大的顆粒而沉淀或隨水的流動而沖走。由于金屬管壁和水對超音頻振動的頻率響應不同，因此在金屬管壁和水之間產生高速的相對運動，即超聲波清洗，使得水中尚未結晶的鹽及較大顆粒的凝結團或結晶根本無法靜止粘固在管板壁的表面，而是呈現為懸浮性絮狀物，這些絮狀物通過排污即可輕易排除。,二、工作原理及技術優勢,超音頻脈沖除垢技術機理,超音頻的振動作用于結垢的金屬管道及板壁上，使得金屬、水垢、水隨之振動。但由于金屬、水垢、水的慣性和彈性不同，頻率響應不同，使三者間產生不同步的振動，長時間的不同振動逐漸使水垢產生微小的裂縫。裂縫形成后，在超聲振動的作用下，使水急速的沿著裂縫進入水垢層里面。這極微小的水流在接受高溫管壁加熱，體積急速膨脹，產生氣泡后爆破，推動水垢脫離管壁或板壁而脫落。與此同時，微小的水流還將附著在管壁及板壁表面的氧氣帶走，減少金屬表面的氧化腐蝕。,二、工作原理及技術優勢,通過垢樣分析得知，在石西作業區使用的生產容器、生產管道及運行設備上形成的垢主要是：caco3、 mgco3、caso4、 mgso4，其次是baso4 、 srso4和srco3。 通過室內試驗數據分析得出，這些垢的共振頻率在20-30 kh之間。在選用除防垢儀時，需要根據不同垢的種類、不同垢所占比例、水中結垢離子的含量，并結合設備材質、待處理面積、生產工藝狀況，可在除防垢儀的主機上設定包含3-4種垢共振頻率的組合頻率，通過主機的自動變頻系統設定頻率調節波段，交替轉換發射，對結垢的運行設備、運行管道進行本體的處理。,二、工作原理及技術優勢,表1 超音頻脈沖防垢除垢儀的工作參數,二、工作原理及技術優勢,三、研究主要內容與技術關鍵,為了檢驗除垢儀的除垢阻垢效果，由石油大學(華東)儲運工程系進行了模擬換熱器除垢阻垢實驗，室內實驗裝置見圖6。,圖6 室內評價除防垢儀阻垢的實驗裝置,除垢儀阻垢除垢效果研究與評價,除垢儀阻垢除垢效果研究與評價,溶液罐1中為氯化鈣和碳酸氫鈉的混合溶液，溶液罐2中為碳酸鈉溶液。兩股液體混合后進換熱器，在換熱器前安裝除垢儀。 換熱器由一根銅管和有機玻璃管組成，銅管較細架在有機玻璃管中間，銅管走氯化鈣、碳酸氫鈉和碳酸鈉混合溶液。銅管和有機玻璃管之間通熱水，使碳酸鈣垢結在銅管內壁上。 實驗所采用溶液的碳酸根離子濃度為1500mg/l；鈣離子濃度為576mg/l；碳酸氫根離子濃度為576mg/l；銅管凈重為79.1g；碳酸鈉溶液流速為0.369m/s；碳酸氫鈉和氯化鈣溶液流速為0.494m/s；混合溶液流速為0.747m/s；恒溫水浴溫度為95，實驗時間為8小時。,三、研究主要內容與技術關鍵,除垢儀阻垢除垢效果研究與評價,表2 實驗方案,三、研究主要內容與技術關鍵,除垢儀阻垢除垢效果研究與評價,1）實驗1：銅管進口前不加除垢儀，銅管中走碳酸鈉、氯化鈣和碳酸氫鈉溶液的混合溶液。 8個小時 銅管 被碳酸鈣堵死， 垢較為堅硬，不容易從內壁上清除。,實驗結論,三、研究主要內容與技術關鍵,除垢儀阻垢除垢效果研究與評價,2）實驗2： 讓銅管內壁 保留1.3g的硬垢，在銅管前面只加除垢儀，檢驗其溶垢的效果。 實驗結束后，用水沖洗過后，殘留的硬垢重0.7g、垢質松軟，輕易地就被捏成粉末狀。 說明經除垢儀處理過的水對原先形成的堅硬的垢有破壞作用，改變了其結構，使其變得松軟，易于脫落。,實驗結論,三、研究主要內容與技術關鍵,除垢儀阻垢除垢效果研究與評價,3）實驗3：除垢儀安裝在銅管前，銅管中走碳酸鈉、氯化鈣和碳酸氫鈉溶液的混合溶液。 實驗結束后，銅管內壁進口有一薄層垢質，出口的垢層較厚大約有0.5mm，殘留的硬垢重0.4g。脫落下來的垢質松軟，易成粉末。 從以上3組實驗可看出，除垢儀具有顯著的防垢效果，經除垢儀處理過的水變成活化水，溶垢能力增強，對原先結在內壁上的較堅硬的垢卻有軟化和溶解作用。,實驗結論,三、研究主要內容與技術關鍵,石西垢型分析與防除垢適用性評價,由于除防垢儀，是根據垢樣分析進行設備選型的。經過垢樣分析后，確定垢的共振頻率，通過儀器的自動變頻系統設定頻率調節波段，對結垢的運行設備、運行管道進行本體的處理。要使該除防垢儀的除防垢達到效果最佳，主要做好以下的技術工作： 結垢的部位垢樣的類型結垢的設備類型防垢儀的選型確定安裝部位。 通過這些步驟的有機結合，可充分發揮該除防垢儀的除防垢使用效果。,三、研究主要內容與技術關鍵,石西垢型分析與防除垢適用性評價,表3 石西聯合站三相分離器出口管線 及12沉降罐閘門垢樣分析 數據,表4 石南混輸泵閥門上垢樣分析 數據,結論：垢樣主要成分是碳酸鈣，含量高達60.11-87.6%，適合防除垢儀進行除垢與阻垢 。應用時，選擇包含碳酸鈣、硫酸鈣共振頻率的組合頻率除防垢儀。,三、研究主要內容與技術關鍵,關鍵技術是利用超音頻（超聲波）傳遞的能量對結垢物質共振、空化作用，達到除垢、防止結垢的效果。該防除垢儀的技術關鍵主要是以下幾方面： 1、除防垢方式連續 采用脈沖超音頻連續作用方式進行管道、設備等的在線防除垢，達到長期有效防除垢的目的。 2、防垢與除垢同時在線進行 根據結垢類型、確定頻率調節波段的超音頻脈沖信號，使其發出的頻率能連續、有效地作用于結垢的金屬管道及板壁上，使得金屬、水垢、流體隨之振動。根據其頻率響應不同，使其產生不同步的振動使已形成的水垢產生微小的裂縫逐漸疏松脫落，沒有形成水垢的物質不能附著管壁從而達到長期防垢與除垢的目的。,技術關鍵,三、研究主要內容與技術關鍵,3、根據設備處理面積、工藝狀況，確定設備型號以及安裝位置 （1）根據處理面積確定防除垢儀與轉換器數量 每個轉換器可處理換熱面積50km2，石南換熱器處理面積150km2，且結垢為油垢，結垢速率較快，故采用一臺設備，4個轉換器。 （2）設備工藝狀況 對于換熱面積小，但是結垢點分散的設備，每個結垢點安裝一個轉換器。例如：石西聯合站三相分離器出口管線上的氣動閥門，處理面積很小，但是比較分散，所以每個閥門安裝一個轉換器。 混輸泵由于結構非常復雜、組成部件多，安裝條件不好，該設備泵體結垢、油封同樣結垢，兩者非緊密連接，只得分別處理，兩個油封分別安裝兩個轉換器，泵體安裝兩個轉換器。,技術關鍵,三、研究主要內容與技術關鍵,通過以上關鍵技術，使超音頻除防垢儀的安裝達到以下工藝要求： （1）主機必須垂直安裝在遠離高壓電場和強磁場，無強烈振動的場所，外殼接地； （2）主機與轉換器的安裝距離要盡量近，電纜要遠離熱體和強電及高頻電纜； （3）超音頻防垢除垢儀在輸送管道以及換熱器上安裝時轉換器的安裝方向應與水流方向垂直。,技術關鍵,三、研究主要內容與技術關鍵,圖7 混輸泵上防垢儀轉換器現場安裝圖,圖8 混輸泵上防垢儀主機現場安裝圖,技術關鍵,三、研究主要內容與技術關鍵,圖9 石西氣動閥上安裝圖,圖10 石西氣動閥上轉換器現場安裝圖,技術關鍵,三、研究主要內容與技術關鍵,圖11 石南換熱器上轉換器現場安裝圖,圖12 石南換熱器上主機現場安裝圖,石西作業區石南聯合站原油換熱器因原油含水礦化度與工作溫度較高，列管結垢非常嚴重。換熱器運行2至3個月，必須采取高壓水力設備解除列管內部形成的垢，以提高換熱器的換熱效率。這種清洗方法，不僅工作強度大，而且除垢過程對人身和環境造成污染。 2006年8月引進了該除垢儀試用。 經過近一年的運行，該換熱器各項運行參數正常，沒有出現以往結垢堵塞、換熱效果變差的現象。2007年7月將換熱器打開檢驗，列管管壁干凈通暢、沒有發現結垢現象。至目前，該換熱器已運行將近兩年，仍沒有發現結垢影響生產的現象。 通過將近兩年的實驗驗證表明：該防除垢儀使用效果明顯，有效地解決了換熱器結垢嚴重的技術難題，為同類設備與管線結垢問題的解決提供了有效的技術支持。,四、成果推廣應用情況及經濟效益評價,現場應用情況,四、成果推廣應用情況及經濟效益評價,現場應用情況,圖13 使用防除垢儀前的結垢情形 圖14 使用防除垢儀后的結垢情形,由于該除垢儀除防垢效果較好，石西作業區于2007年7月在石南聯合站混輸泵以及石西聯合站的三相分離器出口管線氣動閥上進行了推廣應用，目前效果反映良好。,現場應用情況,表5 使用防除垢儀效果對比,四、成果推廣應用情況,四、成果推廣應用情況及經濟效益評價,超音頻除防垢儀的除防垢與傳統的物理、化學除垢方法相比，具有明顯的技術先進性： 1、防垢與除垢連續在線同時進行：技術原理先進，防除垢效果好。 2、不需常規加藥：不改變水的化學性質，不腐蝕設備，能延長設備使用壽命。 3、能有效改善熱傳遞效率：節約能源。 4、除防垢具有針對性：可以根據結垢類型、結垢位置，確定主機以及轉換器的安裝位置，除防垢效果明顯。 5、除防垢儀應用廣：可以應用在：鍋爐、熱交換器、分離器、柴油發電機組、沉降罐、閥組、流量計、管線等。 6、操作、維護簡單，運行成本低：防除垢儀集自動控制與保護于一體，體積小、質量輕，操作維護簡單；同時使用壽命長、耗用功率小，運行費用低