量子环在红压深冷装置压缩机油冷却器的节能应用

黄学庆（大庆油田有限责任公司天然气分公司）

红压深冷装置压缩机的油冷却器采用循环水作为冷却介质，设计为2台，正常运行时一开一备。大庆地区水质硬度较高，随着装置的运行，冷却器结垢严重[1-2]，冷却效果差，油温较高影响压缩机的平稳运行。为了确保润滑油温度符合要求，目前2台油冷却器并联使用，气温高时需使用直流水喷淋降温，每年冷却水用量和循环泵的电量消耗较高。

量子环防垢技术在国内很多领域的循环水系统都有应用[3-10]。针对红压深冷装置压缩机油冷却器结垢严重，换热效果差这一情况，开展了量子环防垢技术现场试验研究。

1 量子环技术原理

量子环是由硅、铝为主要成分合成的特种信息记忆材料，是一种能够在亚原子级稳定储存、记忆及释放量子信息（超精微振动波）的记忆合金材料。量子管持续释放由特定干扰波形和共振波形组成的超精微能量波，可以透过管壁传到管道中的流体，顺水流方向传播，传播的振动波作用于流体中不同物质的分子、原子，使这些物质的物理性质发生改变，其作用涵盖水及水中几乎所有各种盐类杂质。振动波打破了水分子团结垢，使其变为小的水分子团，使水的活性得到增强，溶解水垢的能力得到增强。同时，超精微振动波作用于水中的钙、铁、镁等相关物质，使其物理性质发生改变。使晶体的微观结构从针晶状（容易插挤成团形成致密的硬垢）变为圆球状（晶体之间不容易吸附），在有水流的情况下被带走，在静态的水中呈软絮状沉淀于容器底部，而不易形成硬垢。

2 现场试验

装置的2台油冷却器并联使用，选择其中一台油冷却器安装量子环，另一台不安装，通过对比考察量子环防垢效果，现场安装位置示意图见图1。

图1 量子环安装位置示意图

通过现场测量2台油冷却器出、入口循环水温度和压力，润滑油出入口温度变化情况，研究量子环防垢效果。

3 量子环防垢效果

3.1 油冷却器出口油温

装置油冷却器出口润滑油温度的变化情况见图2。通过油冷却器出口润滑油温度对比可以看出，安装初期2台油冷却器出口油温基本一致，随着运行时间的延长，安装量子环的油冷却器出口油温明显低于未安装量子环的油冷却器。安装量子环的油冷却器出口平均油温32.5℃，未安装量子环的油冷却器出口平均油温38.1℃，温差5.6℃，可见安装量子环的油冷却器防垢效果明显，管束结垢的情况有一定的缓解，冷却效果好于未安装量子环的油冷却器。

图2 油冷却器出口润滑油温度对比

3.2 传热系数变化

通过传热系数的变化可以定量评价油冷却器的防垢效果，目前循环水和油管线上都没有流量表，不能准确计算出传热系数。研究中采用传热系数的比值评防垢效果，具体计算方法如下：

循环水热负荷：

式中：Q水——循环水热负荷，kJ/h；

q水——循环水流量，m3/h；

cp——循环水比热，kJ/(kg·℃)；

T1——循环水入口温度，℃；

T2——循环水出口温度，℃。

油冷却器交换的热量：

式中：Q换——油冷却器交换的热量，kJ/h；

k——传热系数，W/(m2·K)；

A换——油冷却器换热面积，m2；

ΔTM——对数平均温差，℃。

由式（1）和式（2）可得：

式中：t1——润滑油入口温度，℃；

t2——润滑油出口温度，℃；

T1——循环水入口温度，℃；

T2——循环水出口温度，℃。

其中：ΔT1=t1-T2，℃；

ΔT2=t2-T1，℃。

从式（3）可见，计算传热系数需要循环水流量，目前润滑油冷却器的循环水管线上都没有流量表。流量q水与截面积、水压之间的关系式：

式中：q水——流量，m3/h；

μ——流量系数，与阀门或管子的形状有关，m3/(Pa·s)；

A——管道横截面积面积，m2；

P——通过设备前后的压力差，Pa；

ρ——流体的密度，kg/m3。

将公式（4）代入公式（3），循环水的密度、比热、油冷却器的换热面积为固定值；保持循环水的压力和阀的开度不变，始态和终态的循环水流量通过压力差进行校正，则得到换热系数比的公式。根据试验数据，对2台油冷却器的传热系数比进行了计算，其变化情况见图3。

图3 传热系数比的对比

由图3可以看出，安装量子环的油冷却器，传热系数比由原来的1增加到1.16，油冷却器的传热系数增加了16%；未安装量子环的油冷却器，传热系数比由原来的1减低到0.79，油冷却器的传热系数比减低了21%。可见，量子环有较好的防垢效果，减少了结垢，提高了换热效果，同等条件下，安装量子环的油冷却器与不安装量子环的换热相比，传热系数提高37%。安装量子环后，润滑油温度能满足压缩机的要求，不需要外加冷却水降温，降低了冷却水的用量，不需要常年运行2台循环水泵，降低了电量的消耗。

3.3 经济效益分析

安装量子环后，润滑油温度能满足压缩机的要求，不需要外加冷却水降温，降低了冷却水的用量，冷却水用量由每年149 400 m3减少到148 340 m3，每年减少了冷却水用量1 060 m3，年经济效益为0.397 5万元；不需要常年运行2台循环水泵，循环泵的电量消耗由28×104kWh下降到16×104kWh，降低了电量的消耗12×104kWh，经济效益为7.896万元；每年减少了换热器的清洗次数和相应的费用4万元；降低了因润滑油温度高导致的轻烃减产损失30 t，年经济效益11.25万元，合计年经济效益23.5万元。

4 结论

研究表明，安装量子环的油冷却器与未安装量子环的油冷却器比，润滑油温度降低了5.6℃，换热系数提高了37%，防垢效果较好，有效地降低了润滑油的温度，保证了压缩机平稳运行，每年减少了冷却水用量1 060 m3，每年减少循环泵的电量消耗12×104kWh，减少了换热器的清洗次数和相应的费用，降低了因润滑油温度高导致的轻烃减产，年经济效益23.5万元，具有较好的节能效果和经济效益。