超頻振動(dòng)膜過濾技術(shù)在油田導(dǎo)熱油凈化中的應(yīng)用分析

于浩

（中海石油（中國(guó)）有限公司秦皇島32-6/渤中作業(yè)公司，天津 300450）

某油田導(dǎo)熱油系統(tǒng)主要由3 臺(tái)鍋爐、10 臺(tái)熱油循環(huán)泵、1 個(gè)膨脹罐和眾多熱油換熱器組成的閉式循環(huán)系統(tǒng)，運(yùn)行時(shí)間超過15年。換熱器加熱介質(zhì)和被加熱介質(zhì)之間的密封圈老化，導(dǎo)致原油多次混入熱油系統(tǒng)，造成熱油品質(zhì)下降，換熱效果大大降低，鍋爐帶載能力降低。

某油田率先在行業(yè)內(nèi)組織開展對(duì)油田導(dǎo)熱油應(yīng)用超頻振動(dòng)膜過濾技術(shù)，將導(dǎo)熱油中的丙酮不溶物的含量由實(shí)施前的3516mg/100ml 降低至實(shí)施后的19mg/100ml；將導(dǎo)熱油的運(yùn)動(dòng)黏度由實(shí)施前的100 ℉，34.2cst 降低至100 ℉，21.3cst；鍋爐帶載能力提升14%，效果顯著。

1 實(shí)施背景

1.1 導(dǎo)熱油化驗(yàn)值嚴(yán)重超標(biāo)

首諾導(dǎo)熱油公司化驗(yàn)結(jié)果顯示，導(dǎo)熱油丙酮不溶物的含量達(dá)到3516mg/100ml（遠(yuǎn)超首諾導(dǎo)熱油有限公司的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值：125mg/100ml），反映出熱介質(zhì)油變質(zhì)嚴(yán)重，影響換熱。化驗(yàn)結(jié)果如圖1。

圖1 過濾前的化驗(yàn)結(jié)果

1.2 導(dǎo)熱油鍋爐性能降低

導(dǎo)熱油性能的下降使得換熱效率降低，從而增大了鍋爐的負(fù)荷，3 臺(tái)額定負(fù)荷為10MW 的直燃式熱介質(zhì)鍋爐，運(yùn)行過程中實(shí)際最大負(fù)荷僅能達(dá)到6.1MW，熱負(fù)荷僅能達(dá)到額定負(fù)荷的60%。此時(shí)，熱介質(zhì)油出口溫度為210℃，排煙溫度為235℃，熱介質(zhì)油的進(jìn)出口溫差為37℃，煙氣含氧量為7.70%。根據(jù)此鍋爐的原始計(jì)算書，分析認(rèn)為該鍋爐沒有達(dá)到最佳運(yùn)行效率，有40%左右的負(fù)荷提升空間。

1.3 其他凈化措施效果不佳

2011年，油田利用現(xiàn)有條件，流程改造創(chuàng)新，設(shè)計(jì)出一套在線離心凈化熱油裝置。

最終使運(yùn)行黏度達(dá)到21.2mm2/s（40℃），逐步接近THERMINOL? 55 指標(biāo)19.0mm2/s（40℃），殘?zhí)恐担?.3%（m/m），接近了指標(biāo)的要求。雖然，在線離心凈化對(duì)熱油品質(zhì)有一定的改善，但是，仍然沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值。

2 導(dǎo)熱油凈化技術(shù)研究

2.1 導(dǎo)熱油凈化技術(shù)對(duì)比研究

目前，在線凈化導(dǎo)熱油的方法主要分為化學(xué)凈化和物理凈化兩種，其中化學(xué)凈化主要以丙酮萃取技術(shù)為主，物理凈化主要以離心凈化、新油置換舊油、物理吸附凈化、靜態(tài)膜過濾、動(dòng)態(tài)膜過濾方法為主。

（1）丙酮萃取技術(shù)。2016年，油田組織對(duì)萃取導(dǎo)熱油的丙酮溶劑的研究，對(duì)正庚烷（密度681.55kg/m3）和配比特制溶劑（786.40kg/m3）兩種溶劑做了實(shí)驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果顯示，特制溶劑萃取丙酮溶物的效果明顯。但是，丙酮無論是對(duì)人體還是生產(chǎn)流程都存在一定的影響。

（2）離心凈化技術(shù)。上文已經(jīng)提到，離心凈化技術(shù)對(duì)導(dǎo)熱油的凈化有一定的效果，但是效果不明顯。

（3）新油置換舊油技術(shù)。存在置換時(shí)間長(zhǎng)，效果不明顯，費(fèi)用高的缺點(diǎn)。

（4）物理吸附凈化技術(shù)。通過白土的脫色能力和珍珠巖對(duì)油品中雜質(zhì)微粒的物理吸附作用，將熱油中的雜質(zhì)清除出來，降低熱油的油泥漆膜指數(shù)，從而降低熱油污染度指數(shù)。但是，該方法效率低，浪費(fèi)熱油。

（5）“靜態(tài)”膜過濾技術(shù)。“靜態(tài)”膜過濾技術(shù)為單純依賴壓力達(dá)到過濾分離的錯(cuò)流操作方式，容易造成膜污染和堵塞問題。堵塞的原因是進(jìn)料液與膜之間的剪切力不足，使料液中的微粒、凝膠等積聚和吸附于膜表面，造成膜孔徑的堵塞，以致通量的急劇衰減，甚至完全堵塞膜孔而終止過濾。

（6）“動(dòng)態(tài)”膜分離技術(shù)（又稱超頻振動(dòng)膜過濾技術(shù)）。超頻振動(dòng)膜過濾從增加膜剪切力角度出發(fā)，消除了錯(cuò)流過濾靠增加流動(dòng)速度增加剪切力的制約。

該系統(tǒng)由兩大部分組成，分別為膜包和振動(dòng)器，膜包中安裝濾膜組件，在外加振動(dòng)作用下能夠以較大幅度振動(dòng)，振動(dòng)器提供系統(tǒng)所需的振動(dòng)作用，兩部分通過連接桿聯(lián)系起來。超頻振動(dòng)膜過濾能夠有效提高膜面剪切力，阻礙膜表面凝膠層的形成，從而減輕膜污染，提高了膜過濾通量。同時(shí)，由于污染減輕，膜清洗周期延長(zhǎng)，不僅節(jié)約了成本，同時(shí)避免了頻繁的設(shè)備清洗導(dǎo)致的人力、物力的消耗；超頻振動(dòng)膜過濾的純物理分離方式，不會(huì)引入二次污染；超頻振動(dòng)膜過濾具有占地面積小、能耗低的特點(diǎn)，對(duì)海上平臺(tái)等空間要求嚴(yán)格的場(chǎng)合具有較高的適應(yīng)性；超頻振動(dòng)膜過濾的振動(dòng)系統(tǒng)和過濾系統(tǒng)的獨(dú)立性決定了該過濾方式很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有膜過濾設(shè)備的改造。

圖2 超頻振動(dòng)膜過濾技術(shù)工作原理圖

2.2 超頻振動(dòng)膜過濾技術(shù)應(yīng)用研究

超頻振動(dòng)膜以其良好的性能，在醫(yī)藥衛(wèi)生、生活污水凈化以及食品等行業(yè)得到了應(yīng)用。超頻振動(dòng)膜過濾對(duì)環(huán)境污染很小前提下實(shí)現(xiàn)污水的循環(huán)使用，對(duì)內(nèi)陸缺水油田采出水的回用將具有極其重要的意義。因此，超頻振動(dòng)膜過濾對(duì)油田導(dǎo)熱油的處理能力和處理效果成為現(xiàn)場(chǎng)研究的主要目標(biāo)。

2.3 超頻振動(dòng)膜過濾技術(shù)試驗(yàn)研究

超頻振動(dòng)膜過濾技術(shù)的特點(diǎn)：操作溫度范圍大，無相態(tài)變化，無化學(xué)變化，脫水、脫雜、除殘?zhí)康龋m應(yīng)性強(qiáng)，能耗低，精度高、效果好，分子級(jí)選擇性高精度過濾。傳統(tǒng)的膜分離技術(shù)容易堵塞，難以連續(xù)運(yùn)行。超頻振動(dòng)膜過濾分離技術(shù)解決了這個(gè)難題。

在某油田正式開展熱油系統(tǒng)凈化前，施工方在某平臺(tái)開展了超頻振動(dòng)膜過濾技術(shù)試驗(yàn)。根據(jù)廠家化驗(yàn)，處理前導(dǎo)熱油含水達(dá)到警告指標(biāo)，丙酮不溶物已達(dá)到換油行動(dòng)指標(biāo)，并發(fā)現(xiàn)可能存在原油混入污染。

簡(jiǎn)介如下：

圖3 受到污染的熱油化驗(yàn)結(jié)果

通過試驗(yàn)，最終將平臺(tái)導(dǎo)熱油中的水分含量由529ppm降至122ppm，下降77%；丙酮不溶物含量由686mg/100ml 降至47mg/100ml，下降93%。得出如下結(jié)論：實(shí)現(xiàn)了滲入原油去除，導(dǎo)熱油污染物去除率達(dá)到95%以上；相關(guān)檢測(cè)指標(biāo)（國(guó)標(biāo)與廠家指標(biāo)）全部達(dá)標(biāo)并有顯著改善，實(shí)現(xiàn)了油品的凈化再生，大幅節(jié)省換油費(fèi)用；換熱系統(tǒng)換熱效率得到提高，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗。

圖4 超頻振動(dòng)膜過濾技術(shù)工藝流程圖

2.4 超頻振動(dòng)膜過濾技術(shù)實(shí)際應(yīng)用研究

在超頻振動(dòng)膜過濾技術(shù)試驗(yàn)成功后，2017年2月，在某油田正式應(yīng)用超頻振動(dòng)膜過濾技術(shù)在線凈化導(dǎo)熱油。該系統(tǒng)由冷卻降溫模塊、循環(huán)處理模塊、超頻振動(dòng)膜過濾模塊三大模塊組成，冷卻降溫模塊負(fù)責(zé)將系統(tǒng)內(nèi)180℃的熱介質(zhì)油降至85℃達(dá)到凈化設(shè)備的操作溫度，循環(huán)處理模塊負(fù)責(zé)熱介質(zhì)油的初級(jí)過濾，超頻振動(dòng)膜過濾模塊負(fù)責(zé)熱介質(zhì)油的二級(jí)精細(xì)過濾。流程圖詳見圖5。

圖5 超頻振動(dòng)膜過濾流程圖

從圖6 ～9 膜通量曲線可以看出，在不同過濾壓力下，始終存在一個(gè)振動(dòng)頻率使動(dòng)態(tài)通量曲線高于無振動(dòng)工況下的動(dòng)態(tài)通量曲線。振動(dòng)頻率在30 ～40Hz 時(shí)膜通量比無振動(dòng)條件下通量值高出近1 倍；過濾壓力可以提高膜通量、膜過濾效率。

圖6 過濾壓力為0.13MPa 時(shí)的膜通量

圖7 過濾壓力為0.15MPa 時(shí)的膜通量

圖8 過濾壓力為0.17MPa 時(shí)的膜通量

3 超頻振動(dòng)膜過濾技術(shù)實(shí)際應(yīng)用效果分析

3.1 導(dǎo)熱油各項(xiàng)化驗(yàn)指標(biāo)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)

該套凈化設(shè)備每天的處理量大約為15m3 左右，熱油凈化共耗時(shí)78 天，循環(huán)凈化熱油1047.98m3，濾除廢油54.96m3。最終使熱油的丙酮不溶物的含量降低至19mg/100ml，將導(dǎo)熱油的運(yùn)動(dòng)黏度降低至100 ℉，21.3cst。

3.2 鍋爐帶載能力提升

導(dǎo)熱油在線凈化完畢后，對(duì)鍋爐參數(shù)進(jìn)行了檢查和記錄。凈化后，達(dá)到了最佳的燃燒尾氣，在最小負(fù)荷氧含量是7.6%，中間負(fù)荷氧含量是4.0%，最大負(fù)荷氧含量控制在2.4%。在凈化之前，鍋爐發(fā)出最大6100kW 熱量(熱油進(jìn)出口溫差37℃)，經(jīng)過凈化后，功率提升14%。

圖9 過濾壓力為0.20MPa 時(shí)的膜通量

圖10 過濾后的化驗(yàn)報(bào)告

4 結(jié)語(yǔ)

油田熱油系統(tǒng)熱油含量多達(dá)400m3，如果考慮換油費(fèi)用極高，按照23500 元/方來算，全部更換400m3熱油的費(fèi)用為23500×400=9400000 元，而采用熱油凈化所產(chǎn)生的費(fèi)用約為2000000 元，而400m3的熱油海陸之間船舶運(yùn)輸，需要消耗大量的船舶和陸地運(yùn)輸資源，耗費(fèi)大量人力物力，會(huì)產(chǎn)生將近100 余萬(wàn)的船舶運(yùn)輸成本，這樣該項(xiàng)目的實(shí)施變相地節(jié)省熱油更換費(fèi)用840 余萬(wàn)元。

另外，熱油更換期間需要全油田停產(chǎn)至少2 天，這樣會(huì)造成至少14000m3的原油產(chǎn)量損失，總體綜合經(jīng)濟(jì)效益會(huì)達(dá)到1000 萬(wàn)余元。該項(xiàng)目的成功實(shí)施對(duì)其他行業(yè)應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)具有較高的借鑒意義。