CN102847690A - 超声波除、防垢装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种除垢器，属于管道清洁领域。超声波除、防垢装置，应用于管道中对管道内进行除垢，其特征在于：包括以下部件：超声波电源、阻抗匹配部件、换能器和传感器，所述超声波电源产生频率信号，并将频率信号放大达到所需要的功率，然后通过电缆将频率信号传送入换能器，在传送中通过阻抗匹配部件将超声波电源与换能器的阻抗和谐振频率进行匹配，所述换能器安装在管道内壁上，将接收的频率信号转变为声音信号进行除垢，所述传感器与换能器设置在一起，检测换能器的参数。本发明的超声波除、防垢装置采用超声波的声音振幅来达到在管道内除垢的目的，除了降低成本，维护环境的作用外，还提高了效率，应用于石油管道中还能达到增加产量的效果。

Description

超声波除、防垢装置

技术领域

本发明涉及一种除垢器，尤其涉及应用超声波进行除垢的超声波除、防垢装置。

背景技术

在石油生产中，物体表面受到化学、物理或生物的作用而形成污垢，由于管道输送的是油气等介质，这些介质里面含有有机物、H₂S、CO₂、多种离子、细菌以及泥砂等杂质，因此很容易结垢。管道结垢后使管道缩径，流通截面积变小，造成压力损失、排量减小及管道堵塞。管道结垢还会诱发管道局部腐蚀，导致管道漏失频繁，甚至穿孔，造成破坏性事故。

从管道中采集到的垢样本包括各种无机物和以石油及沥青为主的有机物，其中无机垢最为典型，统称为油田垢。在管道中出现的油田垢，从成分上大体可以分为盐类垢、腐蚀垢及泥沙等沉积垢。

油田垢产生的原因是，一些离子结合后会形成在水中不溶、难溶和微溶的物质，这些物质都很容易成为积累的水垢，也即盐类垢。通常这种垢是由碳酸盐和硫酸盐组成的，典型的有碳酸钙、硫酸钙、硫酸钡、硫酸锶等。这种垢的形成一般会经历成核长大的过程，先是少量的垢核心在管道表面形成、附着，然后更多的其它成垢化合物在这些核心周围聚集，成为更大的垢团。随着水流的冲刷，一部分垢被冲掉，但其它的垢继续生成，最终可能阻塞管道，随着环境水温的升高，这些难溶或微溶盐的溶解度下降，就有更多的物质从水中析出，成为水垢。在一些管道中，当温度高于60℃时才会出现明显的结垢趋势，温度越高，结垢的趋势越严重。水的流速也会明显地影响结垢的趋势。水的流动越缓和，成垢核心生长的环境越稳定，随着管道输送介质流速的降低，水垢出现的概率逐渐提高，流速和流向的突然改变也会使结垢加剧。

腐蚀导致的水垢是由管道本身的材料转化而成的。有些腐蚀介质会将管道中的钢铁氧化，使其形成铁的氧化物、氢氧化物等。水中的溶解氧通过电化学腐蚀的方式来侵蚀管道基体，但是没有其它种类水垢的协助，这种成垢的形成方式难以达成。水垢所覆盖的管道表面在电池反应中成为被腐蚀的阳极而逐渐氧化，并向管壁的内部不断侵入，这种水垢需要格外防范。一般地，管道内溶解氧的含量高，就会产生严重的腐蚀结垢。同时，水中溶解的硫化氢气体、二氧化碳气体及铁细菌、硫酸还原菌等都可以借助表面水垢的掩护，在垢腐蚀管道的基体，形成严重的垢腐蚀产物(碳酸铁、硫化铁等)，并生成新的深层水垢。

热油管道在输送过程中，不断向周围环境散热，油品温度逐渐下降，当原油温度低于蜡的初始结晶温度时，蜡晶微粒便开始在油流中或固相表面析出，这也是垢的一部分。另外，输送介质中的高分子有机物以及其中夹带的固体颗粒和水中微生物排泄可以形成粘泥。这些垢聚集在管道的底部，或呈粘絮状的易清洗物，其存在会影响管道输送效率。

结垢一直被视为石油生产中的重大难题，抑制腊的析出、提高生产效率、降低维修成本，减少事故、和节能减排。现有除垢技术主要常用的除垢方法大致分为三类，一是化学除垢；二是高压水喷射除垢；三是机械除垢；上述三种除垢方法总体上是有效果的，但是仍存在着较大的不足。

1、化学除垢

化学除垢是根据垢层的化学成分，选用合适的酸类化学剂进行溶解除垢。近年来，针对典型的硫酸钡、硫酸锶混合型酸不溶垢，先后开发出了硫酸钡锶阻垢剂和硫酸钡锶垢清洗剂，在管道上广泛应用。

但是，由于垢的成分不同，一般的除垢剂适用范围有限。同时，化学除垢工艺复杂，在施工过程中易损坏管道，污染环境且时间长、成本高，因此还需进一步研究高效、环保、适用性强的化学除垢剂。

2、高压水喷射除垢

高压水喷射除垢是利用柱塞泵产生的高压水经过特殊喷嘴喷向垢层，除垢彻底，效率高。但装机容量大，耗水多，存在水处理等问题，清洗后也无法快速安全排垢。

3、机械除垢

机械除垢采用强力清管器，有磁力清管器、钉轮清管器和刷轮清管器等。清管器除垢与其它除垢方式相比具有操作简便、价格低、施工周期短、施工人员少、施工设备简单、强度低、无污染等特点。但是清管器为直线运动，要清理干净管内垢层，一般需5～6遍，有时多达10遍，清管效率低，质量差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供超声波除、防垢装置，解决现有三种管道除垢方法或适用范围有限、污染环境，或消耗过多能源，后续处理困难，或效率低，质量差的缺陷。

技术方案

超声波除、防垢装置，应用于管道中对管道内进行除垢，其特征在于：包括以下部件：超声波电源、阻抗匹配部件、换能器和传感器，所述超声波电源产生频率信号，并将频率信号放大达到所需要的功率，然后通过电缆将频率信号传送入换能器，在传送中通过阻抗匹配部件将超声波电源与换能器的阻抗和谐振频率进行匹配，所述换能器安装在管道内壁上，将接收的频率信号转变为声音信号进行除垢，所述传感器与换能器设置在一起，检测换能器的参数。

进一步，还包括控制电路，所述传感器将检测的换能器的参数反馈至控制电路，所述控制电路根据要求调整超声波电源产生的频率信号，从而调整换能器输出的声音信号。

所述超声波电源产生的频率信号为正弦波信号。

所述阻抗匹配部件完成对超声波电源产生的频率信号进行滤波和阻抗匹配，传送至所述换能器。

进一步，所述换能器与管道之间进行振动需要的机械阻抗匹配。

所述换能器与管道之间设置变幅杆传送声音信号的振幅，并放大振幅。

进一步，所述阻抗匹配部件集成在所述超声波电源内。

有益效果

本发明的超声波除、防垢装置利用超声信号进行除垢，益处很多，主要表现在以下几点：

1，本发明采用独有的微型换能器的设计，在石油生产中，可方便用于采油管道中，可使原油在超声波作用可以延缓蜡晶的析出，提高原油流动性、降低粘度，可使原油生产、集输过程不加或少加化学药剂，甚至可以不再热洗，使油井停工期最小化，可增油5-25％以上；

2，超声波可以在温和的条件下，超声波对原油破乳脱水速度快，超声波与化学破乳相结合的脱水率比化学破乳高，超声波破乳脱水同时能降低水中的油和细菌含量，从而改善脱出水水质，超声波具有良好的破乳作用，可提高原油破乳脱水率达98.9％，减少破乳剂用量35％以上，同时可降低破乳脱水温度和增加原油流动性；

3，用在注水管路中，还可延长管柱使用寿命，减小注水阻力，防止水垢腐蚀管柱；

4，直接减少了化学防垢剂的使用，超声波除垢的应用，将节省整个油田除垢剂费用上千万元/年；

5，可降低抽油机负荷10％-30％，延长油井寿命；

6，无辐射，安全环保，具有体积小、重量轻、安装方便、能耗低、免维护，实用性强，适应范围广的特性，能够全自动化连续运行，降低了维护和监控费用，效率高、节省成本。

附图说明

图1为本发明主要部件连接示意图。

图2为本发明超声波电源完善后示意图。

图3为本发明增加了控制电路后的系统工作流程框图。

图4为本发明应用于注水管道示意图。

图5为本发明应用于采油管道示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。

超声波除、防垢装置，主要包括由超声波电源、阻抗匹配部件、换能器和传感器组成，但还需要变幅杆、传感器、传输电缆、变压器等一些外围设备，将他们连接在一起，进行超声波电源和换能器、换能器和管道之间的电、声信号的传输，附图1为主要部件连接示意图。

超声波电源：主要功能是产生换能器所需的频率信号，并将其放大达到系统所需要的功率，然后通过电缆将信号传入换能器。为了使系统能够高效，稳定的长时间在线工作，本设计的超声电源还增加了掉电保护、过流过压保护、频率自适应、功率自调节等功能，附图2为超声波电源完善后的示意图。

阻抗匹配部件：采用阻抗匹配电路，由于换能器的阻抗和谐振频率等一些电特性与超声波电源的输出不匹配，我们还要对其进行阻抗匹配，所以要在超声波电源和换能器之间加一个阻抗匹配环节。

换能器：作为执行机构，是超声波除、防垢装置重要组成部分，它工作状态的好坏直接影响到除垢的效果和效率，对换能器参数的选择也是极为重要的。

换能器的主要参数分为两部分，一部分是外形尺寸：包括直径、辐射面积、总长、重量、形状等：另一部分是电学参数，包括谐振频率、等效电阻、等效电容、额定功率等。换能器的外形尺寸，决定了它的安装形式，而换能器的外部形状则决定了换能器输出超声波的传播方向和传播方式，在不同的应用中则可以根据其安装方式和其所产生超声波的传播方式来确定它的外形尺寸和外部形状。换能器电学特性的选择主要是对它的额定功率的选择，当其额定功率确定以后，其他电学特性也随之确定。

传感器：检测换能器的工作时的一些相关参数，反馈到控制电路中以便及时的对整个系统进行调整。

当电源接入超声波除、防垢装置后，先进行滤波整流，将交流电变为直流电，一部分直流电信号提供给单片机作为单片机及其外围电路的电源，另一部分直流电信号提供给脉宽调制电路作为脉宽调制电路的电源和逆变回路的集电极电压；滤波整流的下一步骤是产生原始的频率和功率信号，这部分是由单片机电路产生的，单片机产生的信号是离散信号还不能直接应用到换能器中去，还要经过D/A转换，将离散信号变为连续的模拟量信号才能驱动换能器进行电、声转换。而换能器的驱动信号不仅要求是连续的模拟信号，而且要求是大功率的正弦信号，这里使用了脉宽调制的方法对D/A转换后的模拟量信号进行放大。脉宽调制电路分为脉宽调制器和逆变回路，由于超声波除、防垢装置的输出功率相对较大，这里的逆变回路采用IGBT(绝缘栅型双极晶体管)来增大电信号的功率容量。

信号进过脉宽调制电路的放大后，产生了一个电压为200V，频率为25KHz左右的交流电信号，虽然这个信号的频率和功率都已经满足了换能器的要求，但它不是一个单一频率的正弦波，还含有一些谐波分量需要通过低通滤波，将其变为一个相对比较单一的正弦波信号。阻抗匹配电路则需要完成滤波和阻抗匹配两项工作。信号经过阻抗匹配电路进入换能器后，由电信号变为了超声信号，通过管壁传入到管道中通过空化，剪切等效应将管道壁上的水垢出去。但由于换能器中压电晶体的振幅很小，无法很好的将压电晶体产生的机械振动传入管道中，在换能器与管道之间要进行机械阻抗匹配。目前，对换能器最简单有效的机械阻抗匹配方法是，在换能器和负载之间加入变幅杆。这里采用的也是这种方法对换能器进行匹配的。

设计中为了使超声系统能够根据负载的变化改变自身的工作状况，使系统总是工作在最佳状态，而加入了控制环节。如附图3所示为增加了控制电路后的系统工作流程框图，系统使用传感器采集换能器的工作状态参数，通过A/D转换将采集来的模拟信号转变为数字信号送入控制电路，在数据的采集过程中，使用了硬件电路滤波和软件滤波相结合的方法来提高数据采集的精度。将采集后的数据与期望值相比较后，使用PID控制减小输出值与期望值之间的误差，最终使系统达到期望的工作状况。

在实施过程中，将外部交流电的滤波、整流，频率功率信号的产生，D/A转换，脉宽调制电路和数据采集部分都集成在超声波电源的电路板上，阻抗匹配电路也装在超声波电源的仪表箱中，超声波电源的输出只有一个电压为200V，频率为25KHz，功率为1.5KW的正弦交流电信号，这个电信号通过电缆传入换能器中，再通过和微形的换能器和变幅杆转化成机械振动传入采油管道和注水管道之中。

Claims (7)

1.超声波除、防垢装置，应用于管道中对管道内进行除垢，其特征在于：包括以下部件：超声波电源、阻抗匹配部件、换能器和传感器，所述超声波电源产生频率信号，并将频率信号放大达到所需要的功率，然后通过电缆将频率信号传送入换能器，在传送中通过阻抗匹配部件将超声波电源与换能器的阻抗和谐振频率进行匹配，所述换能器安装在管道内壁上，将接收的频率信号转变为声音信号进行除垢，所述传感器与换能器设置在一起，检测换能器的参数。

2.如权利要求1所述的超声波除、防垢装置，其特征在于：还包括控制电路，所述传感器将检测的换能器的参数反馈至控制电路，所述控制电路根据要求调整超声波电源产生的频率信号，从而调整换能器输出的声音信号。

3.如权利要求1或2所述的超声波除、防垢装置，其特征在于：所述超声波电源产生的频率信号为正弦波信号。

4.如权利要求3所述的超声波除、防垢装置，其特征在于：所述阻抗匹配部件完成对超声波电源产生的频率信号进行滤波和阻抗匹配，传送至所述换能器。

5.如权利要求1或2所述的超声波除、防垢装置，其特征在于：所述换能器与管道之间进行振动需要的机械阻抗匹配。

6.如权利要求5所述的超声波除、防垢装置，其特征在于：所述换能器与管道之间设置变幅杆传送声音信号的振幅，并放大振幅。

7.如权利要求1或2所述的超声波除、防垢装置，其特征在于：所述阻抗匹配部件集成在所述超声波电源内。

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