超声波在线防垢除垢技术在换热设备上的应用

2016 年 2 月
车春媚，等. 超声波在线防垢除垢技术在换热设备上的应用
· 37 ·
安装在换热设备附近的平台、墙壁或钢结构上，超 声波换能器通过焊接的螺纹基座直接安装在热交换 设备的壳体上，主机与换能器之间用高频电缆连接， 如图 4 所示。
3 工程应用实例
（1）某石化公司催化装置油浆蒸汽发生器（2 台） 将塔底出来的 350 ℃油浆与除盐水进行换热，使除氧 水沸腾成 260 ℃的中压蒸汽。由于油浆中含有较多的 重组分、催化剂颗粒等固化物，换热过程中产生结焦 积碳，导致运行过程中换热效率降低，蒸汽产量下降。 同时，油浆无法冷却到工艺要求的温度，只能通过降 低流量来确保油浆的冷却效果。因此，该油浆蒸汽发 生器每年需要清洗，每次清洗时管束内侧结垢、腐蚀 较重，垢层厚度 2~3 mm，部分管束堵塞。
收稿日期 ：2015-06-05 作者简介 ：车春媚（1973—），女，黑龙江省哈尔滨市人，高级工
程师。主要从事石油化工装置设计工作。
· 36 ·
化 工 设 备 与 管 道
第 53 卷第 1 期
超
阻碍形成、附着
声
壁 - 液界面
高速微涡
防垢
波 脉 冲 振
换 热 器
管 板 壁
/
壁 - 硬垢界面
微冲性剪切
超声波在换热界面间产生的效应主要有 ：超声 振荡作用除垢 [4]、高速微涡效应、剪切应力效应。超 声波防垢除垢机理如图 1 所示。 2.2 超声在线波防垢除垢装置的特点
超声在线波防垢除垢装置是对换热界面实施在 线动态处理，使流体在超声波强声场作用下，产生高 速微涡效应、剪切效应等进行防垢除垢，而不是对换 热介质本身进行处理。它具有以下主要特点 ：
该公司在 2009 年 5 月底安装了超声波在线防垢 除垢装置，安装前的 2008 年 8 月 1 日至 11 月 1 日和 安装后的 2009 年 7 月 18 日至 10 月 18 日期间的检测 数据见表 1。
a. 换能器与波导的安装
b. 户外整机安装 图4 某型号超声波在线防垢除垢装置的实际应用 Fig. 4 The application of a type ultrasonic antiscaling descaling
根据监测数据，E-333A 安装超声波在线防垢除 垢装置前冷却水的用量为 100 t/h，阀门开度为 33%， 进出口温度分别为 26 ℃、39 ℃，温差为 13 ℃ ；安 装后冷却水的用量为 85 t/h，阀门开度为 25%，进出 口温度分别为 26 ℃、42 ℃，温差为 16 ℃。这表明， 安装超声波在线防垢除垢装置后该冷凝器换热效率 有所提高，同时，冷却水消耗量减少 15%，按年开 工 7 500 h 计算，冷却水年消耗量减少 11.25 万吨， 每年节约运行成本约 3.4 万元。
该公司 2009 年 5 月在 E-333A 上安装了超声波 在线防垢除垢装置，在 E-333B 上未安装。2010 年 4
· 38 ·
化 工 设 备 与 管 道
第 53 卷第 1 期
a. 使用前
b. 使用 10 个月后
图5 某石化公司油浆蒸汽发生器加装超声在线波防垢除 垢装置前后效果对比
Fig. 5 The comparition of before and after effection by a petrochemical company slurry steam generator with ultrasonic
时间段
设备清洗后3个月期间均值 （2008年8月1日至11月1日）
使用超声波在线防垢除垢装置后3个月期间均值 （2009年7月18日至10月18日）
油浆出口温度 / ℃
303
287
油浆进口温度 / ℃
324.5
310
油浆温差 / ℃
21.5
23
油浆流量 / (t·h-1)
580
620
蒸汽出口温度 / ℃
结垢即在换热器换热面形成沉积污垢，这些污 垢的沉积先快后慢最后趋于稳定。污垢的主要危害 [3]： 影响传热、增加能量消耗、影响产品产量、影响设备 安全、对相关设备造成影响。
2 超声波在线防垢除垢技术的应用
2.1 超声波防垢除垢机理 超声波是一种频率高于 20 kHz 的声波，它方向
性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能。超声 波在线防垢除垢技术，就是通过超声波强声场在管、 板壁和介质接触界面间产生效应，破坏污垢的形成和 附着条件来实现防垢、除垢的。
界面清理 破碎脱落
荡 波
松化脱落
除垢
壁 - 软垢 - 液界面
振荡作用
冲刷脱落
图1 超声波防垢除垢机理 Fig. 1 Mechanism schematic diagram of ultrasonic antiscaling descaling
（2）除防兼顾 设备除垢、防垢同步进行，有垢除垢，无垢防垢。 （3）强化热交换 介质流动时，由于与固体壁面有摩擦力，会在 近壁区域形成滞流层。这一区域的传热过程为滞流介 质的导热过程而非对流换热过程，而滞留介质导热系 数较对流换热系数要低得多，因此滞流层的存在会降 低传热效率。 超声在线波防垢除垢装置发出的超声波引起的 高速微涡旋可有效破坏滞流层，使传热过程由滞流介 质的导热过程变为对流换热过程，提高了传热效果， 节约了能源。 （4）安全环保 防 垢、 除 垢 全 过 程 中 无 须 使 用 任 何 化 学 药 剂， 无腐蚀、无干扰、无辐射，对环境无污染，对操作人 员及换热设备无损害。 （5）其他 低功耗，运行费用低 ；安装简单，日常维护工 作量小 ；在线连续工作、自动化程度高、性能可靠等 特点。 2.3 超声在线波防垢除垢装置的结构 超声波防除垢装置具有模块化、集成化、数字 化的特点，主要由硬件系统和软件系统组成。 （1）硬件系统 硬件系统包括主机、换能器和传输电缆，如图 2 所示。换能器是把电能转换成机械能（声能）的部件， 是产生超声波的源。换能器内采用换能效率高的压电材 料，由换能器实现电、机、声的转换而发出超声波。某 型号超声波在线防垢除垢装置的换能器和波导见图 3。 （2）软件系统 软件系统包括主控软件、参数调测控制软件和
超声波在线防垢除垢技术突破了传统“定期除 垢”的观念，通过在线防垢、除垢，实现了设备在清 洁状态下的长周期运行。
本文以超声波在线防垢除垢技术的应用实践为 例，阐述超声波在线防垢除垢技术在换热设备上的 应用。
1 污垢的类型与危害
1.1 污垢的类型 对于常用的换热器而言，根据结垢机理，一般
将污垢分为 [2] ：析晶污垢、微粒型污垢、化学反应污 垢、腐蚀型污垢、生物型污垢、凝固污垢。在实际中， 某类污垢往往是多种过程共同、相互作用的结果，而 且，换热面上常常是多种污垢混合在一起的。 1.2 污垢的危害
255
247
除氧水进口温度 / ℃
197.5
191
水温差 / ℃
57.5
56
蒸汽产量 / (t·h-1)
22.88
23.7
注：数据来自该公司车间历史记录及DCS在线运行监测报表。
由监测数据可以看出，使用超声波在线防垢除 垢装置后，蒸汽产量平均增加 0.82 t/h，全年可多产 蒸汽 6 150 t（按 7 500 h 计），经济效益显著。
2010 年 3 月 12 日打开换热器，基本无垢质，不 需清洗，见图 5。使用超声波在线防垢装置减少了设 备清洗次数，从而节约清洗费用。
（2）某石化公司乙烯装置丙烯精馏塔塔顶冷凝 器 E-333A/B（两台换热器工艺、介质、结构完全相同）
处于装置循环水管线末端，流速较慢。随着装置的运 行，结垢严重，换热效率不断降低。秋冬季节，可通 过加大循环水量的方法保证正常生产，但春夏季，该 方法根本不能弥补换热损失，时常出现塔顶放空阀起 跳，造成物料（丙烯）排放至火炬。为了保证正常生产， 车间每年需对设备清洗 2 到 3 次。
4 结束语
实践证明，超声波在线防垢除垢技术在石油化 工装置换热设备上安装使用后效果明显，保证了设备 传热效率，延长了设备运行周期和设备使用寿命，降 低了清洗费用，有效解决了“设备带垢运行”的难题， 在石油化工领域有着十分广阔的研究与应用前景。
参考文献
[1] 中国石油化工集团公司科技开发部 . 化工装置换热节能降耗 技术开发 [R]. 北京 ：2010.
（1）适应性强 超声在线波防垢除垢装置对介质中垢质的成分、 性质、含量等适应性强，因此，已广泛应用于石油、 化工、冶金、氯碱、电力、造纸、制糖、制药、印染 等工业领域，同时在商场、机关、学校、宾馆等供暖 与供冷设备上也有应用。 在 石 油 化 工 装 置 中， 主 要 应 用 在 板 式 换 热 器， 管壳式换热器、蒸发器，空冷器等换热设备上。
[2] 李洁，侯来灵，李多民 . 换热器结垢与清洗 [J]. 广东化工， 2009，36（1）：57~58.
[3] 聂祜川，聂日丛 . 超声波防除垢技术在换热设备上的应用 [J]. 氯碱工业，20wk.baidu.com2，48（6）34~38.
[4] 郎东磊，王峰，吴婷婷 . 超声波在线除垢技术在催化裂化装 置油浆系统中的应用 [J]. 石油炼制与化工，2011，42（12） 23.
antiscale descaling device
月 26 日，车间进行设备检修时，E-333A 管程洁净无 垢，封头内无垢质沉积，壳程无物料沉积物，不需清 洗，而 E-333B 污堵严重，见图 6。
a. E-333A
b. E-333B
图6 某石化公司丙烯精馏塔塔顶冷凝器加装超声在线波 防垢除垢装置效果对比
device
表1 油浆蒸汽发生器安装超声波在线防垢除垢装置前后运行检测数据 Table 1 Slurry steam generator installation before and after descaling in online ultrasonic antiscale devices running test data
Fig. 6 The comparition of effection by a petrochemical company propylene rectification tower overhead condenser
with ultrasonic antiscale descaling device
第 53 卷第 1 期 2016 年 2 月
化 工 设 备 与 管 道 PROCESS EQUIPMENT & PIPING
Vol. 53 No. 1 Feb. 2016
超声波在线防垢除垢技术在换热设备上的应用
车春媚，王浩，王辉
（中国石油工程建设公司华东设计分公司，山东 青岛 266071）
摘 要：通过对换热设备结垢成因与危害的分析，系统阐述了超声波在线防垢除垢技术的机理及其在
工程中的实际应用，为装置设计与管理人员提供参考。
关键词 石油化工装置；换热设备；污垢类型；污垢危害；超声波防垢；超声波除垢
中图分类号：TQ 050.7； TH 17
文献标识码：A
文章编号：1009-3281（2016）01-0035-004
换热设备是石油化工生产装置中实现热交换的 重要设备，全国逾 1 000 万套换热设备，数万千米管 线，90% 以上带垢运行 [1]。设备结垢影响换热效率， 从而导致能源消耗增大，增加了企业生产成本，严重 时会使设备性能达不到生产工艺的要求 ；设备结垢会 导致垢下腐蚀，缩短设备使用寿命，给设备乃至整个 装置的运行带来安全隐患。
hardware system
图3 某型号超声波在线防垢除垢装置的换能器与波导 Fig. 3 Transducer and waveguide of a type descaling in online
ultrasonic antiscale devices
2.4 超声在线波防垢除垢装置的安装 超声在线波防垢除垢装置安装极为简便。主机
功能检测软件。 其中，参数调测单元中预嵌入不同介质结垢机
理的超声波声学参数数据库，实现了声学参数的定向 设计，解决了超声波参数合理选择的难题。
主机
控制电源 主控单元 驱动单元
主电源 功效单元
显示单元
检测单元
匹配单元
电 / 机转换单元 换能器
图2 某型号超声波在线防垢除垢装置硬件系统组成图 Fig. 2 A type ultrasonic antiscale online descaling device of