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变频电磁场处理油田水防垢技术研究 惠希增 指导教师：黄柳宾( 副教授) 摘要 自然水质的水垢沉积现象经常会给工业及民用设备带来许多 技术和经济问题，由于化学清洗方法不仅污染环境，而且会大大 降低设备的使用寿命。采用电磁技术防垢是水处理的发展方向， 它的优点是无污染，易操作，维护费用低。本文利用自行设计的 脉冲电磁场水处理器，对结垢过程中水样的表面张力、电导率、 结垢量等参数的变化进行了实验研究，得出了一些有意义的结果。 这些结果对人们关于结垢过程有一个定量的了解，为防垢实验研 究打下基础。本文采用变频电磁场，在不同的实验条件下，将水 样以一定的流速经脉冲电磁水处理器处理一定时间，研究结果表 明，水经过电磁场处理后，水样的电导率、表面张力、结垢量等 都有不同程度的变化。随着环境保护的日益严格和水资源的i t 益 紧缺，电磁场处理技术将得到愈来愈广泛的重视，对此进行系统 研究具有重要的意义。 关键词：脉冲电磁场；结垢；防垢；水处理 t h e s t u d yo f t h et r e a t m e n to f o i lf i e l dw a t e rb y f r e q u e n c yc o n v e r s i o ne l e c t r o m a g n e t i c h u i x i z e n g ( r a d i op h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rh u a n gl i u - b i n a b s 仃a c t t h ep h e n o m e n o no ft h es c a l es e d i m e n tc a l lb r i n gm a n yt e c h n i c a l a n de c o n o m i c a lq u e s t i o n si ni n d u s t r i a la n dc i v i le q u i p m e n t s u s i n g c h e m i cm e d i c a m e n tm e a s u r e sn o to n l yp o l l u t ee n v i r o n m e n t , b u ta l s o r e d u c el i v e so fe q u i p m e n t s e l e c t r o m a g n e t i ca n t i - f o u l 吨i sad i r e c t i o n i nt h ef u t u r e w h i c hh a sal o to fb e n e f i t s , s u c ha sn op o l l u t i o n , c o n v e n i e n tt ou s ea n dv e r yl i t t l em a i n t e n a n c ec o s t s i nt h i sp a p e r , w e a d o p tt h ep u l s e de l e c t r o m a g n e t i c w a t e rt r e a t m e n t d e s i g n e db y o u r s e l v e st od os o m ee x p e r i m e n t so nt h ec h a n g eo ft h ec o n d u c t a n c e m t e ，s u r f a c et e n s i o na n da n t i s c a l i n ge f f i c i e n c yd u r i n gt h es c a l e p r o c e s s t h e s ee x p e r i m e n tr e s u l t sh e l pp e o p l et on l a k ec o m p r e h e n do n s c a l ep r o c e s s ，a n dm a k eab a s ef o ra n t i f o u l i n gw o r k i nt h i sp a p e r , f r e q u e n c yc o n v e r s i o ne l e c t r o m a g n e t i cf i e l dw a sa d o p t e d w a t e rw a s t r e a t e df o raf i x e dt i m eb yt h ep u l s e de l e c t r o m a g n e t i cf i e l du n d e r d i f f e r e n te x p e r i m e n tc o n d i t i o n s a f t e rt h et r e a t m e n to ft h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，i tw a sf o u n dt h ec o n d u c t a n c em t e ，s u r f a c et e n s i o na n d a n t i - s c a l i n ge f f i c i e n c yo ft h ed i s p o s e dl i q u i da l lh a v es o m ec h a n g ei n t h i ss t u d y w i t ht h em o r es t r i c ts t a n d a r d so fe n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n a n dt h el a c ko f w a t e rr e s o u r c e ，t e c h n o l o g yo f t h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o n i 甜 e l e c t r o m a g n e t i cw a t e rt x e a t m e n tw i l lo b t a i nm o r er e c o g n i t i o n , s oi ti s i m p o r t a n tt os t u d yt h et a s k k e y w o r d s ：p u l s e de l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ：s c a l e ：a n t i - f o u l i n g ： w a t e r - t r e a t m e n t 中国石油大学( 华东) 硕士论文主要符号表 电阻 电容 二极管 温度 压力 电导率 普朗克常量 磁场强度 磁旋比 浓度积 焓变 主要符号表 。c d t p 。 盈 ， 脚 甜 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：粕 年局) 8b 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅 和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 渺 弦萨 ， x 黾) 8b r 蜀) 8 b 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 在工业水系统领域普遍存在着水系统管道、设备器壁上结垢的问题。 在电力、石油开采、钢铁、化工、矿山工业等以水为载体的低温或冷却水 系统中，输送管道、泵、阀等设备内结垢现象十分普遍和严重“1 。在上述冷 水系统中，由于水中过量矿物质的存在，且该类水系统一般一次用水量很 大，用化学方法处理不经济。因此寻找一种无添加物、无污染、能耗低、 简便、实用并可靠的防垢方法来代替化学法水处理成为当务之急，为此提 出了多种物理法水处理防垢新技术。 从上个世纪初人们就开始深入地研究了水垢产生的机理，水垢的危 害以及防治方法，运用了多种化学和物理方法来减少水垢的生成。由于物 理方法不会对水质造成污染，能够减少对环境的污染，与化学方法相比显 示出了自身的优越性，因此在生产、生活中应用比较广泛。 当前采用的物理方法主要有以下几种：电磁场、超声场、紫外光技术、 等离子技术等，其中电磁场方法又包括磁场处理技术、静电处理技术、高 频电场处理技术和变频电磁场处理技术。 磁场处理技术虽是一种简易可行具有一定效率的水处理技术，但也存 在一定的局限性，从而影响着它的广泛应用。例如，磁处理器吸附的磁性 物质容易形成磁短路，作用效果不稳定，对处理对象的特性有明确要求， 影响工作效率。 静电处理技术，这种处理方法需要的电压太高，安全性低，而且处理 效果受多种因素影响，在许多场合不能利用，尤其在油气集中的油田生产 方面。 高频电场处理技术，是磁处理技术和静电处理技术的换代技术乜1 。其操 作简单、维护方便、经济环保，解决了化学方法难以解决的技术难题。但 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 当频率超过一定范围，媒质的电磁参数就会受到影响，引起的介质损耗， 产生能量损耗。 变频电磁场处理技术是在静电阻垢和磁场软化水基础上发展起来的一 种将直流脉冲技术与变频原理相结合的物理法水处理技术。利用该技术可 以根据不同水质特征和处理目标，调整不同的电磁场参数，使处理效果更 加完善。本课题在此基础上，研究变频电磁场在防垢、除垢过程中的作用， 通过变频，适应不同水质，促进油田水处理方法的进展、增加产油量，使 得水处理器的应用范围变得更加广泛。 随着油田的不断开发，地层中的原油逐渐减少，油田常采用注水方式 保持油层压力来提高采收率。注水是一种常用的油田开发技术，被注水的 处理是防止水进入地层后产生结垢，堵塞地层毛细管道，防止所注的水破 坏地层结构。目前，环保要求越来越严格，多数油田采用采出水作为回注 水，为了达到注水要求，必须采用必要的处理方法。在稠油区，注入高压 蒸汽降低原油粘度，使稠油得到开采。注水或注入蒸汽都会使原油含水率 增高，油田采出水经过处理进行回注，不仅可满足油田开采过程中注水量 日益增长的要求，同时也可以节省水资源，为油田带来经济效益0 1 油田对采出水进行处理的目的是净化原水水质，使其达到注水、热采 锅炉给水、外排所要求的水质标准，对于不同用途的水质，要求有不同的 处理工艺。由于各油田原油的特性、地质不一样，油田采出水水质各异，但 又有一些相同的特性“1 ，如采出水中含微生物，常见微生物有硫酸盐还原菌、 铁细菌、腐生菌，细菌大量繁殖不仅腐蚀管线，而且还造成地层严重堵塞： 含有大量可生成垢的离子，如碳酸氢根离子、钙粒子、镁离子、钡离子等 容易生成垢的离子。 由于交频电磁场技术由于适用范围宽广，投资相对较小，具有环保、 节能，应用安全、可靠等优势，在防垢、缓蚀、杀菌、增注等应用技术领 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 域，将发挥越来越重要的作用。此外与磁场、静电、高频电场、超声波等 水处理方法相比，变频电磁场处理更安全，效果更理想。 本课题在有关国内外大量文献资料的基础上，开展了变频电磁场水处 理的研究。开发了具有较大功率的变频电磁场水处理器，通过对水溶液的 p h 值、电导率、表面张力以及结垢量等参数的测量，验证了自行设计的水 处理装置的实用效能，对变频电磁场处理过的水溶液的防垢机理作了进一 步的探讨，为今后电磁场水处理设备的应用和开发提供依据。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章变频电磁场水处理仪的设计 第2 章变频电磁场水处理仪的设计 2 1 引言 利用电磁场能量进行水处理是一个相当复杂的过程，处理水质和目标 不同所选择的电磁场处理参数也不同，现行的电磁场水处理器大多是固定 频率或扫频，而且功率较低。本课题在此类产品的基础上，将扫频脉冲电 磁场技术应用于水处理过程，通过扫频电压控制实现较宽范围的频率和功 率变化，实现功率大、变频宽的特点，以同时满足不同水质的防垢、除垢， 达到综合净化水质的效果。 2 2 变频防垢仪的设计思想 电磁场水处理技术由于适用范围广，投资相对较小，环保节能和应用 安全可靠等优越性，在防垢、缓蚀等的应用技术领域将发挥重要的作用， 此外与静电、高频电场、超声波等水处理设备相比，更为简单、有效。美 国、日本以及欧洲各国都已在此领域展开了大量的研究工作，并研制开发 了各种电磁水处理器投入应用，取得了较好的经济效益。我国在水的磁化 处理应用中，特别是在锅炉水的磁化处理应用方面，几经反复，到目前仍 处于初始阶段。随着对电磁场处理水的研究不断深入和人们环保意识的不 断加强，电磁场水处理器将被广泛应用于各个领域。 利用电磁场能量进行水处理将伴随着各种物理反应，化学反应和生物 反应。实验证明，各种在水中产生的反应和作用都不是在同一电磁场驱动 下产生，而是分别对应于不同强度、频率等条件下的电磁场进行的有效反 应0 3 。现行的电磁式除垢器，大多是利用交变电流在固定频率下进行工作的 装置。由于其频率固定，而在此频率下不适合其他水质净化要求，用于管 道的除垢和防垢时效果不是很好。因此，有人提出电磁场与变频原理相结 合，研制出可根据不同水质特征和处理目标，使处理效果更理想的变频式 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章变频电磁场水处理仪的设计 电磁水处理器。研制的变频电磁场水处理器是为了针对油田水的特性，增 大了仪器的功率，以便加大在油田生产范围方面的应用。 2 2 1 设计原则 功能的多样性：一机多用，具有对水管内壁除垢、防垢和灭菌除藻作 用。 工作的高效性：通过选择适当的功率、变频范围等，提高防垢、除垢 效率。 使用的简便性：安装简单，维护方便。 运行的安全性：工作电压较低，仪器运行安全、可靠。 2 r 2 主要技术指标： 供电电源：交流电压2 2 0 - a ：5 v , 频率5 0 h z 输出电流：3 5 0 m a 输出功率：1 5 w 工作频率：7 0 0 h z 7 0 k h z 2 3 变频电磁场水处理仪的构成 变频电磁场水处理仪由信号发生器和电磁场产生线圈两大部分组成， 设备结构框图如图2 1 所示。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章变频电磁场水处理仪的设计 图2 1 电磁场水处理器结构框图 2 3 1 信号发生器的组成 信号发生器由扫频信号发生电路、压控振荡电路和驱动电路三部分组 成，如图2 2 。 图2 - 2 信号发生器结构图 ( 1 ) 扫频信号发生器是由信号发生电路和信号调节电路两部分组成， 用于产生扫频控制信号，为压控振荡器提供控制电压。 ( 2 ) 压控振荡器是信号发生器的核心部分，在控制电压的作用下输出 周期变化的方波。 ( 3 ) 驱动电路部分主要是将该方波信号功率放大，为后面的水处理部 分的线圈提供较大功率的脉冲电磁场信号。 2 3 2 电磁场产生线圈 电磁场产生线圈是电磁场产生的地方，它的几何尺寸对电磁场产生有 很大影响，所以要合理设计以达到最佳效果。如图2 3 所示。 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章变频电磁场水处理仪的设计 图2 - 3 电磁场产生线圈 本课题研究的设备工作电压较低( 满足特种场合的安全要求) ，并能够 提供较大的工作电流，采用调节频率工作方式，能产生不同频率的脉冲电 磁场，使该设备对不同水质能有较好的作用效果，在油田水处理方面将有 较好的应用前景。 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章信号发生器组成电路 第3 章信号发生器组成电路 在信号发生器的组成电路中，压控振荡器在控制电压的作用下输出周 期变化的方波，为输出脉冲电磁场做准备。为了给压控振荡器提供控制电 压，产生所需要的频率电磁场，首先要在信号发生器中产生三角波。 3 1 三角波产生电路 三角波发生器由电压比较器加积分器组成。如图3 1 所示。 图3 - l 三角渡发生器 在图3 - l 中，蜀= 1 0 k q ，胄2 2 2 2 0 k o ，r 3 2 1 0 0 k q ，r 0 2 3 9 k f l ， r 4 = 1 0 0 k q ，r 5 = 2 0 1 m ，c2 0 1 p f 。 若a 点断开。运算放大器4 ( t l c 2 7 1 c p ) 与r 、矗2 、局及蜀、d l 、d 2 ( i n 4 0 0 1 d c ) 组成电压比较器。运算放大器的反相端接基准电压= 0 ，同 相端接输入电压。r l 为平衡电阻t 比较器输出的高电平等于+ ，低电 平等于一u ：，当比较器的“+ = 一= 0 时，比较器翻转，输出电压从高电 平+ u ：跳到低电平一u z ( 或从低电平一叱跳到高电平+ 叱) 。 设l = + ”+ ，则： r 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章信号发生器组成电路 “：+ 土堕+ 丝：0 一“= + l i + 0 2 + r ，+ r 3r ，+ 墨 将上式整理，得到比较器翻转的下门限电位u 。一为： 一鲁u z 若u 。= - u z ，则比较器翻转的上门限电位 名+ 为： 乩+ = i r 2 u z 比较器的门限宽度为： = u m + - u _ = 2 局r 2 u i u - +m 谢 ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) 图3 - 2 比较器电压传输特性 由式( 3 - 1 ) ( 3 - 4 ) ，可得到比较器的电压传输特性，如图3 2 所示。 a 点断开后，运算放大器爿2 与r 。、c 及心组成反向积分器，该反向积分器 的输入信号为方波“0 i ，积分器的输出电e , u 。为： m = 一去p 融 9 ( 3 - 5 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章信号发生器组成电路 当“= + u z 时： 甜。：堕， “r 4 c 甜。：堕f “r 4 c ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) 因此，当积分器的输入为方波时。输出是一个上升速率与下降速率相 等的三角波，其波形如图3 3 所示。 图3 - 3 三角波发生电路输出波形 当a 点闭合时，比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，能自动产生 三角波，三角波的幅度u 眈。为： = 鲁u z 因从0 _ i ：_ ；t - i - n u 0 2 。所需时间为四分之一个周期t ，故： = 鲁峥昙f 争= 器 所以，- - 角波的频率为： l o ( 3 8 ) ( 3 - 9 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章信号发生器组成电路 f - 一1 上 ( 3 1 0 ) 。 r 4 r 2 r 4 c 式( 3 9 ) 、( 3 1 0 ) 表明，若要维持三角波的幅值不变，则r 。、r 3 的比 值应固定，调节融或c 的值可以改变三角波的频率。 将r 2 = 2 2 0 k q ，r 3 = 1 0 0 k q ，r 4 - - - - l o o k q ，c = o 1 p f 代入式( 3 1 0 ) 式得理论值，= 1 1 3 h z ，由于电路中存在一定的电容、电阻的感抗，用示波 器测得三角波的周期为t = 1 1 6 1 0 4j ，e h f = 专得，实际振荡频率 f = 8 6 h z 。 3 2 压控振荡器 电路中采用的周期性电压由电源提供，而方波发生器主要通过v - f 转 换器l m 3 3 1 芯片来实现，l m 3 3 1 芯片能够实现压频转换，而且线性度好。 l m 3 3 1 内部由输入比较器、定时比较器、r _ s 触发器、输出驱动管、复 零晶体管、能隙基准电路、精密电流源电路、电流开关、输出保护管等部 分组成。外接电阻足电容e 和定时比较器、复零晶体管、r s 触发器等构成 单稳定时电路。当输入端k + 输入一正电压时，输入比较器输出高电平，使 r s 触发器置位，q 输出高电平，输出驱动管导通，输出端厶为逻辑低电平； 同时，电流开关打向右边，电流源k 对电容c l 充电。此时由于复零晶体管 截止，电源v c c 也通过电阻蜀对电容c ，充电。当电容c 两端充电电压大于 v c c 的2 3 时，定时比较器输出一高电平，使r s 触发器复位，q 输出低电平， 输出驱动管截止，输出端五为逻辑高电平，同时，复零晶体管导通，电容q 通过复零晶体管迅速放电：电流开关打向左边，电容c j 对电阻r 。放电。当 主里互垫查兰! 坐奎! 堡主堡銮 整! 童堡呈蕉生墨丝壁皇堕 电容q 放电电压等于输入电压e 时，输入比较器再次输出高电平，使r s 触发器置位，如此反复循环，构成自激振荡。设电容c l 的充电时间为t 。， 放电时间为如，则根据电容c i 上电荷平衡的原理： ( 卜黔鲁 从上式可得： 五= 而i = 上r l i r t l ( 3 - 1 1 ) ( 3 - 1 2 ) 实际上，该电路的圪在很少的范围内( ：k 约l o m v ) 波动，因此，可认为 圪= 巧，故上式可以表示为： ( 3 - 1 3 ) 可见，输出脉冲频率五与输入电压巧成正比，从而实现了电压一频率 变换。式中j r 由内部基准电压源供给的1 9 0 v 参考电压和外接电阻r s 决 定，厶= 1 9 r s ，改变r s 的值，可调节电路的转换增益，t 。由定时元件m 和e 决定，其关系是= 1 1 r , c , ，典型值r 。= 6 8 k 1 ，q = o o x z 一。 整理后得转换关系式： 五= 赢b ( 3 - 1 4 ) 由( 3 1 4 ) 式可知，电阻e 、r ，、r ，和电容e 直接影响转换结果 ， 因此对元件的精度要有一定的要求，可根据转换精度适当选择。电- w - g 对 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章信号发生器组成电路 转换结果虽然没有直接的影响，但应选择漏电流小的电容器。电阻r 和电容 c 1 组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。 图3 4u 1 3 3 i v f 电路图 对l m 3 3 1 的输出频率信号工的分频，采用了集成芯片7 4 l s 7 4 ，7 4 l s 7 4 它是在一个芯片上集成了两个性能相同，引脚独立( 电源共用) 的d 型触发 器，引脚排列如图i 所示。每个d 型触发器具有输出端q 和q 、时钟输入 端c p 、数据输入端d 、复位输入端r v 、置位输入端s d 。d 型触发器的功能 用一句话来概括就是：在c p 脉冲的上升沿将数据输入d 端的状态传送到q 端。d 型触发器具有锁存数据的功能，当c p = 0 时，触发器输出状态不再随 输入状态而变化，即锁存了前一次的数据。此外，当端r d 加低电平时， q = o ，q = i 当s o 端加低电平时，q = o ，q = o 。 如图3 5 所示，如果把d 型触发器的数据输入端d 接到反相输出端q ， 则每输入一个时钟脉冲，则q 端输出必然为原来状态的反相，即原来为高 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章信号发生器组成电路 电平则变为低电平，原来为低电平则为高电平。 + 5 v 图3 - 5 d 型触发器简图 3 3 功率放大电路 电磁场的强弱由产生线圈电流的大小决定，为了能够得到一定作用场 强，需要信号发生电路能为线圈提供较大的电流，采用驱动芯片l 2 9 8 对分 频后的信号进行功率放大。该芯片的主要特点是：工作电压范围宽：输出 电流大，瞬间峰值电流可达3 a ，持续工作电流为2 a ；内部含有两个h 桥的 高电压大电流全桥式驱动器，采用标准t t l 逻辑电平信号控制；具有两个 使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作。 由于仪器在正常工作时对电源的干扰很大，只用一组电源时会影响系 统的正常工作，因此选用了双电源供电。一组给控制电路，另外一组给5 v 、 9 v 电源给l 2 9 8 的+ v s s 、+ v s 供电，外接电路元器件框图如图3 - 6 所示。 芯片l 2 9 8 的内部功能模块及其引脚功能，如图3 7 和表3 一l 所示。 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章信号发生器组成电路 5 一 肘1v s s 9 一t l 鬲 n q 2v s _ 三j n 呵3 峨 i n 40 l r r i 一3 喙书 。赣蔫= 锰焘确j 巷 o u t 2匍 。 。i l 口寸a0 u t 3 ：1 4 一 邯斟b0 u t 4 一 8 i s l n a 1 1 5ii 1 2 - g n di 艇n b l 图3 - 6 , 2 9 8 外接电路元器件示意图 图3 7l 2 9 8 内部功能模块 1 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章信号发生器组成电路 表3 - 1l 2 9 8 的各引脚功能 引脚符号功能 l ，1 5i s e na ( b )用来与地之间连接电流检测电阻 2 、3o u t k 2 1此两脚是全桥驱动端a 的输出端，用来连接负载 4v s电源输入端，此脚与地之间连接高、低频藕合电容 5 i n l ( 2 )输入标准r r l 逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器a 的开 与关 6 、1 1e n a ( b )使能控制端，输入标准m 逻辑电平信号：分别控制桥式驱 动器a 与b 的工作状态：低电平时桥式驱动器禁止工作 8g n d接地端，芯片本身的散热片与8 脚相通 9 v s s 逻辑控制部分的电源输入端 l o 、1 2i n3 ( 4 )输入标准t t l 逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器b 的开 与关 1 3 、1 4 o u t 3 ( 4 )全桥式驱动器b 的输出端，用来连接负载 3 4 本章小结 本章主要从以下几个方面介绍了仪器的电路组成，以及电路参数。 ( 1 ) 对电压信号的产生部分，通过调节电阻、电容等元器件的参数变 化，得到需要的信号输出值。采用集成电路器件对得到的电压信号实行电 压一频率转换。 ( 2 ) 最终得到的仪器参数为：电源电压2 2 0 - 士5 v 频率5 0 - 士2 f l z ；输出电 流：3 5 0 m a ；输出功率：1 5 w ；工作频率：7 0 0 h z 7 0 k h z 。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章污垢的分类及其研究发展历程 第4 章污垢的分类及其研究发展历程 4 1 污垢的分类 对污垢的分类，按照结垢层沉积机理的不同，可将污垢划分为颗粒污 垢、结晶污垢、化学反应污垢、腐蚀污垢、生物污垢及凝固污垢。 1 、颗粒污垢 悬浮于流体中的固体微粒在换热表面上的积聚。这种污垢也包括较大 固态微粒在水平换热面上因重力作用而形成的沉淀层，即所谓沉淀污垢和 其它胶体微粒的沉积。 2 、结晶污垢 溶解于流体中的无机盐在换热表面上结晶而形成的沉积物，通常发生 在过饱和或冷却时。油气集输系统中管道壁所结出的碳酸钙和硫酸钙垢层 即为典型的结晶污垢。 3 、化学反应污垢 在传热表面上进行的化学反应所产生的污垢。传热面材料不参加反应， 但可作为化学反应的一种催化剂。例如，在石油加工过程中，碳氢化合物 的裂解和聚合反应若含有少量杂质，则可能发生链反应，从而导致表面沉 积物形成。 4 、腐蚀污垢 具有腐蚀性的流体或者流体中含有的腐蚀性杂质腐蚀换热表面而产生 的污垢。通常，腐蚀的程度取决于流体的成分、温度及p h 值。 5 、生物污垢 除海水冷却装置以外，一般生物污垢均指微生物污垢。生物污垢可能 产生粘泥，而粘泥反过来又为生物污垢的繁殖提供了条件。这种污垢对温 度很敏感，在适宜的温度条件下，生物污垢可生成较厚的污垢层。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章污垢的分类及其研究发展历程 6 、凝固污垢 流体在过冷的换热面上凝固而形成的污垢。例如当水低于冰点而在换 热表面上凝固成冰。温度分布的均匀与否对这种污垢影响很大。 一般来说，通常的污垢形成过程可能是几种污垢形成机理同时作用的 结果即混合结垢。 对于油气集输系统而言，最常见的污垢类型是结晶污垢，在某些情况 下，还可能有颗粒污垢及生物污垢。 油田含油污水与其他水混注系统中结晶污垢的种类很多，其中危害最 大的是：碳酸钙垢，硫酸钙垢和硫酸钡垢。 对于上述污垢分类，有以下几点说明： ( 1 ) 上述分类方法中的每一类只是标明这个过程对形成这类污垢是最 主要的过程，而不一定是支配这种污垢沉积率的过程。例如，从流体主流 到换热面的传质过程。对上述各类污垢都是重要的，而且常常是决定污垢 沉积率的，但它却不是污垢分类的依据。 ( 2 ) 上述l 一5 类污垢，相互之问都有或强或弱的相互作用和协同效应， 即除个别例外，每两种污垢之间的相互促进的效应。而在实际换热面上的 污垢，常常是几种污垢混合在一起的，例如析晶污垢和腐蚀污垢就常常是 混合而共存于同一换热面的。因此，考虑到协同效应的存在，几类污垢同 时存在的特性肯定会有别于单类污垢，上述分类没有考虑这样一个重要因 素。但是，在没有深入查明污垢形成机制之前，只有先集中研究单一污垢 的形成过程才是可行的。 ( 3 ) 在应用上述分类时，常常会遇到这样一些困难，如在溶液结晶的 情况下，常常搞不清楚固态粒子是直接淀析在换热面上，还是淀析先在主 流中发生，然后淀析粒子沉积到换热面上或者两者同时发生。如果是第一 种情况，则应归入析晶污垢，而如果是第二种情况，则应归入微粒污垢。 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章污垢的分类及其研究发展历程 又如，换热面上的化学反应污垢有时很难同主流中固态物质的化学淀析相 区别。 4 2 污垢研究的发展历程 污垢的研究有着悠久的历史，但真正有据可查的第一篇关于污垢的文 献是1 7 5 6 年l e i d e n f r o s t “1 关于加热面上的水滴完全蒸发后留下的沉积物的 观察。s o m e r s c a l e s ”将1 9 7 9 年以前的污垢发展史分为四个阶段，基于 s o m e r s c a l e s 的工作，可将研究污垢的历史分为下述五个阶段： ( 1 ) 水垢时代( 1 9 2 0 年以前) 这个阶段的研究主要集中在水垢现象的观察、影响因素分析和对策方 面。r e u t l i n g e r 叫首次测量了污垢层的热阻。 ( 2 ) 污垢描述与测量时代( 1 9 2 0 1 9 3 5 ) 这期间的重要进展是在污垢的定量描述和对策方面。m c a d a m s o ”等首次 将w i l s o n 方法用于确定污垢热阻。h a r d i e 和c o o p e r “肌2 1 对一台运行了近十 年的凝汽器的一系列实验中获得了清洁系数的可信数值。 ( 3 ) 污垢系数时代( 1 9 3 5 1 9 4 5 ) 这个时代的污垢研究进展主要集中于换热器设计中如何计入污垢影响 和进行合理清洗的问题。s i e d e r “”率先向a s m e 推荐了污垢系数，并指出清 洁系数“没能给出污垢导致的( 换热面积) 修正量的真实描述”这一根本缺 陷。s i e d e r 对g r o n b e c k “o 文中的各种石油给料过程中的污垢数据进行了分 析。s a m o n s “o 以污垢系数表述了污垢数据，但是这些数据很有限，对寻求 比清洁系数更好方法的工程师们作用不是很大。1 9 3 4 年，n e l s o n 提供了一 些析晶垢的污垢系数值和应用污垢系数的算例，对污垢系数的推广起了推 动作用，这一方法首先被炼油工业接受。 ( 4 ) 污垢走向科学时代( 1 9 4 5 1 9 7 9 ) 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章污垢的分类及其研究发展历程 1 9 5 9 年k e r n 和s e a t o n “州旧针对污垢系数没有揭示出污垢时变性的不 足，提出了单位面积上污垢沉积量的净增长率等于沉积率与剥蚀率之差这 一个微分形式的污垢分析模型( 后来称k e r n s e a t o n 模型) ，该模型很快得到 了广大科技人员的认同。 ( 5 ) 污垢研究的国际化时代( 1 9 7 9 1 9 9 3 ) 这期间，随着对污垢危害认识的深入，从事污垢研究的科技人员，特 别是其中的先驱者，如加拿大的e p s t e i n ，美国的k n u d s e n 和s o m e r s c a l e s 等， 逐渐认识到，面对类别多、涉及因素广、形成过程复杂多变的污垢，由分 散于炼油、动力等应用换热器的许多行业的工程师和相应的基础学科教授， 从各自的目标出发，获得的数据发表于各自的专业期刊，这种各自为战的 研究方式很难查明污垢的共性特征，揭示其形成机理。 1 9 8 3 年，e p s t e i n 将污垢的形成过程划分为起始、输运、附着、剥蚀和 老化五个阶段“。将人类对污垢的认识又向纵深推进了一步。1 9 8 4 年， s h e i k h o l e s l a m i “”首次报导了强化换热面及材质对水垢影响的研究，开始 了强化传热与污垢之间的相互影响的研究。八十年代末，杨善让等对析晶 污垢与微粒污垢共生时的污垢热阻预报进行了实验研究“”。 我国科技工作者许保玖“”、李仲先、杨善让“o 在他们的水处理著作 都分别列入了污垢的内容；杨善让等研制了螺旋线型除垢强化器，首次将 强化传热技术和除垢技术结合实施，作了较系统的研究。杨庆峰、沈自求 等将材料科学的表面改性技术，应用到换在污垢监测技术方面。1 9 9 0 年， 杨善让等首次提出了管壳式换热器污垢热阻的在线监测原理噙1 ，开发了污 垢热阻的智能监测技术。南京化工学院和江苏高邮市仪表厂合作研制了我 国首台污垢热阻监测仪，并在这个基础上制定了冷却水动态模拟试验 的化工行业标准。 综上所述，可以说污垢研究的国际化时期是污垢研究的兴盛期。在这 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第4 章污垢的分类及其研究发展历程 个时期内，奠定了污垢理论的统一基础，初步形成了统一的理论框架，开 发了多种可靠而实用的监测技术，为进一步揭示污垢形成机制，制定防垢、 除垢的方案打下坚实的基础。 2 1 中国石油大学( 华东) 硕士论文第5 章物理和化学除垢方法的应用 第5 章物理和化学除垢方法的应用 一般控制结垢的方法有减缓结垢和除垢两种方式，前者是对水液预处 理以消除结垢，后者是对水液已经产生的结垢进行清除，具体来说可以分 为两大类：化学方法和物理方法。 5 1 化学方法 化学阻垢、除垢方法目前应用较为广泛，它的优点是人们对其工作原 理基本上已搞清楚，而且使用方法比较简单可行，缺点主要是应用化学方 法时难免会给环境带来一定的影响，化学方法主要有以下几种。 ( 1 ) 离子交换树脂法 当原水经过离子交换树脂床时。水中的杂质离子与树脂上的无害离子 交换，从而把杂质离子从原水中去掉，使水质符合锅炉的要求。利用阳离 子交换树脂中可交换的阳离子( 如+ ) 把水中所含的钙、镁离子交换出来， 以达到软化水的目的。由于在离子交换的过程中，i m o l 钙离子与2 m o l 的钠 离子进行交换反应，使水的含盐量增加。因此当水的总硬度过高时，仅采 用离子交换的方法软化水，所得到的水含盐量过高。工业锅炉最常用的是 钠型离子交换系统。通过钠离子交换树脂床的原水，其中的钙、镁离子即 被除去，其残余硬度可降至0 0 5 m o l l 以下，甚至可以使硬度完全消除。 离子交换法的主要缺点是必须排放再生废液。再生废液水可导致淡水 咸化，其排放在一些国家己受到限制。而且用离子交换法软化水，处理成 本较高。 ( 2 ) 加药软化法 通常对硬度高、碱度高的水采用石灰软化法：对硬度高、碱度低的水 采用石灰一纯碱软化法；对碱度高的负硬水则采用石灰一石膏处理法。 ( 3 ) 投加阻垢剂 中国石油大学( 华东) 硕士论文第5 章物理和化学除垢方法的应用 水中析出碳酸钙等水垢的过程，就是微溶性盐从溶液中结晶沉淀的一 种过程。按结晶动力学的观点，结晶的过程首先是形成晶核，形成少量的 微晶粒，然后这种微小的晶体在溶液中由于热运动不断地相互碰撞，和金 属器壁也不断地进行碰撞，而形成垢层。因此，如果在水中投加某种药剂。 破坏其结晶增长，就可达到控制水垢形成的目的。 目前，使用的各种阻垢剂有聚磷酸盐、有机多元麟酸、聚丙烯酸盐等。 一般认为阻垢剂的作用机理是因为聚磷酸盐等在水中生成的长链阴离子容 易吸附在微小的碳酸钙晶粒上，同时这种阴离子易于和c a 2 一的离子置换， 这种置换发生在分散于水中的全部钙离子层上，从而防止了碳酸钙的析出。 当前，绿色阻垢剂的概念己得到广泛认同，并成为二十一世纪水处理 剂发展的方向，无磷非氮可生物降解性能好的绿色阻垢剂的研制开发己成 为新的研究热点。 总的说来，化学除垢方法主要有以下四个方面的不足： ( 1 ) 经化学方法处理的水液，会对阀元件和管道带来严重的腐蚀， 缩短了这些设备和管道的使用寿命。 ( 2 ) 化学除垢处理用完的废液一般要进行处理，否则会造成环境污染。 ( 3 ) 化学除垢处理的药剂和处理过程对环境和人体造成污染和危害。 ( 4 ) 化学除垢处理药剂的费用较高。 以上的化学方法在一定程度上都涉及到化学方面的应用，由于化学方 法或多或少都将给环境带来一定的危害，所以现在人们就积极寻找其他对 环境没有危害的方法，在这种情况下，物理法水处理技术就应运而生了。 5 2 物理方法 物理法防垢，主要是指电、磁、声、光等技术和相应设备的应用，其 效果一般不如化学法有效，但这些技术往往集阻垢、缓蚀、杀菌、灭藻等 中国石油大学( 华东) 硕士论文第5 章物理和化学除垢方法的应用 多项功能于一身，使用方便，成本低，无污染，因此我国在上世纪八十年 代后迅猛发展，在中小型水系统中应用较为广泛。 5 2 1 磁场处理技术 1 9 4 5 年比利时人v e r m e r i v e n ( 丁沃美伦) 应用水的磁化处理锅炉用 水，减少锅炉水垢的生成1 。在7 0 年代，前苏联、美国、日本先后掀起了 磁处理研究热，学术界和企业界竞相投入了大量的人力和资金对磁处理进 行研究，取得了大量研究成果和发明专利，并建成了大型磁处理设备。进 入8 0 年代，科学家们对磁处理进行了更深入的研究，并积累了大量的实验 资料。实验结果表明，磁处理对水的许多物理化学性质都有影响，磁处理 会使水结构发生变化。磁处理对溶解、结晶、聚合、湿润、凝聚、沉淀过 程都有影响，可使水系统显著活化，并能影响化学反应的动力学过程。研 究还发现，磁场对水系统的作用具有明显的“记忆效应”，即当撤掉外磁 场后水系统的物理化学性质能保持数小时或数天。并对人体和生物产生影 响。生物磁学研究表明，磁场的作用能改变细胞的结构、形态和功能，对 生物体的新陈代谢起到促进或抑制作用。迄今世界上有很多公司生产磁处 理装置，其设备已广泛用于工业和民用给水系统中防垢、除垢、杀菌、防 腐及石油开采、农业灌溉和医学等领域。 5 2 2 静电处理技术 利用静电防垢的技术6 0 年代开始于美国，7 0 年代末在日本有所发展 嘲。它是由美国的几位工程师在磁化法防垢、除垢技术的研究中得到启发， 研究并开发出来脚脑1 。在此之后人们又进行大量的研究，将此法逐步完 善发展起来。我国在7 0 年代中期也开始进行静电水处理器的研制，8 0 年代 静电水处理器在我国的部分企业得到应用。静电处理技术广泛应用于化工、 制药、食品等行业的工业循环冷却水系统。 静电场水处理器主要由静电处理装置、静电发生器组成。它的工作电 中国石油大学( 华东) 硕士论文第5 章物理和化学除垢方法的应用 源为2 2 0 v 工频电源，功率为7 - 1 0 w ，产生的7 5 0 1 2 0 0 0 v 高压静电输送到静 电处理装置产生高压电场，水流过高压静电场，产生极化效应，使水分子 排列结构发生变化，从而产生防垢、除垢、杀菌、灭藻的效果唧。 5 2 3 超声波防垢 声波及超声波的机械作用及空化作用能有效地防止和除去管路及生产 设备中的结垢。特别是超声波防垢在其他工业领域已经得到了应用，并取 得明显效果。只是由于电超声一次性投入较高，而且在石油生产中维修、 检测不方便，所以没能得到推广应用。流体动力式声波由流体激发产生， 容易实现嘲。超声波防垢器主要是利用超声波强声场处理流体，使流体中 成垢物质在超声场作用下，其物理形态和化学性能发生一系列变化，使之 分散、粉碎、松散、松脱而不易附着管壁形成积垢侧。超声波的防垢机理 主要表现在以下几个方面： ( 1 ) “空化”效应 超声波的辐射能对被处理液体介质直接产生大量的空穴和气泡，也就 是把液体拉裂而形成无数极微小的局部空穴，当这些空穴和气泡破裂或互 相挤压时，产生一定范围的强大的压力峰，这一强压力峰能使成垢物质粉 碎悬浮于液体介质中，并使已生成的垢层破碎使其易于脱落。 ( 2 ) “活化”效应 超声波在液体介质中通过空化作用，可以使水分子裂解为h 自由基和 h o 自由基。 ( 3 ) “剪切”效应 因超声波辐射在垢层和管壁上，加热管上的吸收和传播速度不同，产 生速度差，形成垢层与管壁界面上的相对剪切力，从而导致垢层松脱。 ( 4 ) “抑制”效应 中国石油大学( 华东) 硕士论文第5 章物理和化学除垢方法的应用 通过超声波的作用，改变了液体主体的物理化学性质，缩短了成垢物 质的成核诱导期，刺激了微小晶核的生成。实验研究表明，当液体的过饱 和系数一定时，在同一超声波参数下，超声波作用时间越长，则成垢物质 的成核诱导期越短。 5 2 4 高频电场处理技术 高频电场水处理装置，在循环水处理方面是新一代物理水处理技术产 品，是永磁式和高压静电式电子水处理器的换代产品。操作较为简单、维 护方便。 高频电场产生放射状电场力线，并有很好的接地，被处理水是通过具 有连续放射状高频电场力线区域，如图5 - 1 ： 图5 1 两频电场电力线示意图 高频电场处理水的防垢效果，不仅与外施的频率、电场强度有关。也 与水中c a ”浓度、p h 值、放置时间等条件有关。该方法的缺点是，频率超 过一定范围，媒质的电磁参数就会受到影响，引起介质损耗，产生能量损 耗。 5 2 5 变频电磁场处理技术 利用电磁场能量进行水处理是一个相当复杂的过程，在整个处理过程 中伴随着各种物理反应，化学反