張祖峰 李彥 倪心富 姬瑞（大港油田第六采油廠工藝研究所）

熱泵技術(shù)在油田污水余熱回收工程的應(yīng)用

張祖峰 李彥 倪心富 姬瑞（大港油田第六采油廠工藝研究所）

針對孔店油田產(chǎn)出污水處理合格后外排，污水中的大量余熱散失到環(huán)境中，造成熱量浪費(fèi)和環(huán)境熱污染等問題，研究應(yīng)用了吸收式水源熱泵技術(shù)，該技術(shù)以油田伴生氣為驅(qū)動源，提取外排污水余熱，替代孔店聯(lián)合站現(xiàn)有加熱爐加熱系統(tǒng)。通過熱泵技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了污水余熱回收利用，提高了孔店聯(lián)合站加熱系統(tǒng)熱能利用效率，減少了煙塵和氮氧化物的排放量，達(dá)到了節(jié)能減排的目的。

熱泵技術(shù) 油田污水 余熱 板式換熱器 節(jié)能減排

引言

熱泵技術(shù)的應(yīng)用在上世紀(jì) 60年代起源于美國，主要用于建筑行業(yè)，進(jìn)入70年代，熱泵工業(yè)迎來了黃金時期，并被世界各國所重視，到 90年代末，熱泵技術(shù)被引進(jìn)到中國，并得到了蓬勃發(fā)展。在北京、上海、廣州等城市已規(guī)模應(yīng)用地源熱泵技術(shù)為居民供暖和制冷。在 2008年北京奧運(yùn)會主體育場“鳥巢”中，地源熱泵也得到了應(yīng)用。在勝利油田和華北油田應(yīng)用了吸收式水源熱泵提取污水余熱給生活采暖供熱。

孔店油田位于河北省黃驊市孔韓莊西。隨著油田勘探開發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，油田產(chǎn)液量逐年增高，目前，孔店油田每天產(chǎn)出污水 7300m3，產(chǎn)出污水的年平均溫度在 48～52 ℃，因?yàn)槲鬯疁囟雀?，無法滿足油田污水生化處理系統(tǒng)要求，需要進(jìn)行降溫處理，經(jīng)計算每小時散失熱量 5000kW左右，增加了污水處理成本，同時造成了污水中的大量熱能浪費(fèi)。

1 工藝現(xiàn)狀

孔店聯(lián)合站擔(dān)負(fù)著孔店油田的原油和污水處理，以及大港南部油田的來油加熱和轉(zhuǎn)輸任務(wù)。其主體工藝為：油田產(chǎn)出液經(jīng)過加熱爐升溫后進(jìn)入分離緩沖罐脫氣，再進(jìn)入沉降罐沉降脫水，沉降后的低含水原油進(jìn)入儲油罐，和南部來油一起加熱后轉(zhuǎn)輸；污水則進(jìn)入污水處理系統(tǒng)，經(jīng)過一次處理后，部分污水作為油田回注水注入地層，剩余污水經(jīng)冷卻塔降溫后進(jìn)行生化處理，達(dá)到國家二級排放標(biāo)準(zhǔn)后外排 （圖1）。站內(nèi)加熱系統(tǒng)主要由 6具加熱爐組成，分別為南部來油、脫水系統(tǒng)、原油外輸、油田產(chǎn)出液、油田摻水、生活采暖供熱，最高負(fù)荷為8403kW，加熱爐燃料為油田伴生氣和原油，年消耗天然氣 401×104m3，原油 3409.5t。

圖1 孔店聯(lián)合站原有主體工藝流程

2 技術(shù)原理

結(jié)合孔店聯(lián)合站主體工藝現(xiàn)狀，在不改變其他工藝的情況下，以油田伴生氣為驅(qū)動源，應(yīng)用吸收式水源熱泵技術(shù)，提取外排污水余熱，利用列管換熱器對需熱介質(zhì)進(jìn)行加熱，替代傳統(tǒng)加熱爐加熱工藝，實(shí)現(xiàn)污水余熱回收再利用。

2.1熱泵工作原理

熱泵機(jī)組主要由蒸發(fā)器、吸收器、發(fā)生器、冷凝器 4部分組成 （圖2），以天然氣為驅(qū)動源，利用冷媒介質(zhì)的氣液轉(zhuǎn)化，以溴化鋰溶液為載體，提取熱源污水中的低品位余熱，并完成低品位熱能向高品位熱能的轉(zhuǎn)變，服務(wù)于油田生產(chǎn)。

在蒸發(fā)器中，中介水與液態(tài)冷媒介質(zhì)進(jìn)行熱交換，液態(tài)冷媒介質(zhì)吸熱氣化變成冷媒蒸汽進(jìn)入吸收器，完成污水余熱回收。

在吸收器中，高溫高濃溴化鋰溶液吸收冷媒蒸汽后，變成低溫低濃溴化鋰溶液，釋放的熱量被熱媒水吸收，實(shí)現(xiàn)低品位余熱利用。

在發(fā)生器中，來自吸收器的低溫低濃溴化鋰溶液加熱后變?yōu)楦邷馗邼怃寤嚾芤?，同時產(chǎn)生大量的高溫冷媒蒸汽進(jìn)入冷凝器。

在冷凝器中，高溫冷媒蒸汽與熱媒水進(jìn)行第二次熱交換，冷媒蒸汽放出熱量后液化變成液態(tài)冷媒介質(zhì)進(jìn)入蒸發(fā)器，同時產(chǎn)生高溫?zé)崦剿?/p>

圖2 熱泵工作原理圖

2.2熱泵系統(tǒng)熱交換工藝過程（圖3）

2.2.1 熱源污水放熱

利用泵給熱源污水提供動力進(jìn)入板式換熱器，在板式換熱器內(nèi)，熱源污水與中介水發(fā)生熱交換，換熱后的熱源污水進(jìn)入污水處理系統(tǒng)進(jìn)行一次處理后，部分污水作為油田回注水注入地層，剩余污水進(jìn)行生化處理，達(dá)到國家二級排放標(biāo)準(zhǔn)后外排。

2.2.2 中介水循環(huán)

利用泵給中介水提供動力進(jìn)入板式換熱器，在板式換熱器內(nèi)，中介水提取熱源污水中的余熱，升溫后的中介水進(jìn)入熱泵機(jī)組，在熱泵的蒸發(fā)器內(nèi)與液態(tài)冷媒介質(zhì)發(fā)生熱交換，換熱后的中介水重新進(jìn)入板式換熱器提取熱源污水余熱。

2.2.3 熱媒水循環(huán)

利用泵給熱媒水提供動力進(jìn)入熱泵機(jī)組，在熱泵吸收室內(nèi)，熱媒水進(jìn)行一次熱交換后進(jìn)入冷凝室，二次熱交換后變成高溫?zé)崦剿?，產(chǎn)生的高溫?zé)崦剿M(jìn)入列管換熱器與需熱介質(zhì)進(jìn)行熱交換，換熱后的熱媒水重新進(jìn)入熱泵進(jìn)行熱交換。

2.2.4 需熱介質(zhì)吸熱

需熱介質(zhì)進(jìn)入列管式換熱器，與熱泵機(jī)組出來的高溫?zé)崦剿l(fā)生熱交換，升溫后的需熱介質(zhì)溫度達(dá)到生產(chǎn)要求。

圖3 熱泵系統(tǒng)熱交換工藝簡圖

2.3技術(shù)難題及創(chuàng)新

2.3.1 如何提高板式換熱器的換熱效率

針對水源熱泵的熱源為油田產(chǎn)出污水易結(jié)垢的難題，配套了板式換熱器清洗除垢工藝，并對垢的組成和成垢周期進(jìn)行了分析，篩選了有效的除垢劑，制定了周期除垢措施。

2.3.2 如何提高熱泵機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性

針對熱泵機(jī)組的驅(qū)動源為油田伴生氣穩(wěn)定性差的難題，在熱泵機(jī)組的前端增加了伴生氣穩(wěn)壓處理裝置，同時對熱泵機(jī)組設(shè)置了低壓停機(jī)保護(hù)系統(tǒng)。

2.3.3 如何準(zhǔn)確匹配列管換熱器的供熱量

針對需熱介質(zhì)的需熱量不同，列管換熱器準(zhǔn)確匹配供熱量的難題，在列管換熱器前端配套自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過自動調(diào)節(jié)高溫?zé)崦剿h(huán)水量，匹配不同需熱介質(zhì)的供熱量。

3 孔店油田余熱回收工程應(yīng)用

孔店聯(lián)合站在不改變主體工藝的情況下，應(yīng)用2臺水源式熱泵消耗油田伴生氣，提取熱源污水余熱產(chǎn)生高溫?zé)崦剿ㄟ^5具列管換熱器給孔店聯(lián)合站脫水系統(tǒng)、油田產(chǎn)出液、油田摻水、冬季生活采暖、原油外輸加熱，替代原有加熱爐加熱系統(tǒng)。熱泵系統(tǒng) （圖4）投運(yùn)后運(yùn)行平穩(wěn)，孔店聯(lián)合站各需熱系統(tǒng)加熱溫度能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)要求 （表1）。

圖4 應(yīng)用熱泵技術(shù)后孔店聯(lián)合站主要工藝示意圖

表1 目前熱泵系統(tǒng)的生產(chǎn)參數(shù)運(yùn)行狀況

4 效果評價

孔店聯(lián)合站加熱系統(tǒng)在進(jìn)行熱泵技術(shù)改造前后，經(jīng)具有資質(zhì)的第三方檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行了能耗測試，測試方法為“效果比較測定法”，測試結(jié)果顯示應(yīng)用熱泵技術(shù)回收利用污水余熱與傳統(tǒng)加熱爐加熱系統(tǒng)相比，具有很好的節(jié)能效益和社會效益（表2）。

表2 應(yīng)用熱泵技術(shù)前后能源消耗對比

依據(jù)第三方測試數(shù)據(jù)：孔店聯(lián)合站加熱系統(tǒng)應(yīng)用熱泵技術(shù)改造前，加熱系統(tǒng)能源消耗總量為33035.34MJ/h，所有熱量均由加熱爐燃燒油田伴生氣或原油提供；改造后，加熱系統(tǒng)能源消耗總量為27621.62MJ/h， 其 中 22680.80MJ/h 由 熱 泵 和 加 熱爐消耗 油 田 伴 生氣提 供 ， 另 外 4940.8MJ/h 為熱泵系統(tǒng)從污水預(yù)熱中提取。通過對比，新系統(tǒng)應(yīng)用后節(jié) 約 能 源 量 為 10354.52MJ/h， 原 油低 位 發(fā) 熱 值 按41.868MJ/kg 計 算 ， 則 每 小 時 節(jié) 約 原 油 247.31kg，原 油 價 格 按 照 4696 元/t計 算 ， 年 節(jié) 約 資 金 1017.4萬元。

5 認(rèn)識

熱泵系統(tǒng)與加熱爐供熱系統(tǒng)相比，具有更高的熱利用率，同時熱泵機(jī)組實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)中低品位熱能的回收，并應(yīng)用于油田生產(chǎn)，減少了煙塵和氮氧化合物的排放，節(jié)能減排效果顯著。

熱泵系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用自動化程度高，通過網(wǎng)絡(luò)組態(tài)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)參數(shù)自動錄取及動態(tài)監(jiān)測；應(yīng)用PLC 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)運(yùn)行的自動控制，員工勞動強(qiáng)度明顯降低。

水源熱泵技術(shù)在油田的應(yīng)用，需要有充足的低溫污水作為熱源和連續(xù)的油田伴生氣作為熱泵的驅(qū)動源，在應(yīng)用熱泵技術(shù)的前期調(diào)研中要對這兩個關(guān)鍵參數(shù)做好預(yù)測。

列管換熱器是熱泵系統(tǒng)中熱轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵設(shè)備之一，其換熱面積大小決定了換熱效果，在換熱器的選型和換熱面積計算時，要充分做好介質(zhì)需熱量和換熱面積的匹配。

熱泵技術(shù)作為一項(xiàng)新技術(shù)在油田現(xiàn)場應(yīng)用時，應(yīng)充分考慮聯(lián)合站生產(chǎn)工藝的適應(yīng)性，為確保安全穩(wěn)定運(yùn)行，可適當(dāng)保留部分加熱工藝，作為熱泵檢修時的備用工藝。

6 結(jié)束語

大港油田孔店聯(lián)合站成功應(yīng)用熱泵技術(shù)回收利用油田污水余熱，替代傳統(tǒng)加熱爐加熱系統(tǒng)，熱泵機(jī)組整體橇裝，施工簡便；自動控制程度高，員工勞動強(qiáng)度?。挥酂峄厥绽寐矢?，節(jié)能效果顯著。同時為特高含水油田原油加熱處理和污水降溫處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效平穩(wěn)運(yùn)行開辟了新途徑，對熱泵技術(shù)服務(wù)于油田生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排具有借鑒作用。

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.002.004

2012-09-05）

張祖峰，工程師，2003 年畢業(yè)于石油大學(xué) （華東）， 從 事 石 油 開 采 工 作 ， E-mail： 648447553@qq.com， 地 址 ： 河北黃驊大港油田第六采油廠工藝研究所，061100。