高 麗，朱 鋒，司志梅

(中國(guó)石化江蘇油田分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

熱泵技術(shù)在江蘇油田集輸系統(tǒng)的應(yīng)用

高 麗，朱 鋒，司志梅

(中國(guó)石化江蘇油田分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

分析江蘇油田零散區(qū)塊應(yīng)用可再生能源的可行性，進(jìn)行空氣源熱泵和污水源熱泵技術(shù)加熱工藝研究。污水源熱泵技術(shù)中，為提高換熱效率，改進(jìn)長(zhǎng)流道換熱器，并通過(guò)換熱試驗(yàn)，找到了適合江蘇油田零散區(qū)塊應(yīng)用長(zhǎng)流道管束式換熱器的流量條件。進(jìn)行污水防腐防垢工藝研究，制作一臺(tái)主動(dòng)析垢裝置，改進(jìn)掃頻電磁防垢儀。兩種熱泵加熱技術(shù)分別在墩2和紀(jì)5接轉(zhuǎn)站進(jìn)行應(yīng)用，與傳統(tǒng)電加熱相比，可大大降低能耗，節(jié)電率達(dá)50%以上，經(jīng)濟(jì)效益明顯，在油田具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

可再生能源 空氣源熱泵 污水源熱泵 集輸

1 可行性分析

江蘇油田油井傳統(tǒng)集輸流程供熱采用三管伴熱集油模式[1-2]，此模式熱能利用率極低，浪費(fèi)明顯。為提高能源利用率，引進(jìn)井口電加熱器加熱、中頻加熱解堵的單井單管集油模式，集輸流程總熱負(fù)載下降。以江蘇油田墩2接轉(zhuǎn)站為例，站內(nèi)原有真空爐額定負(fù)載1 250 kW，采用三管流程，燃油發(fā)熱量967 kW。改單管后僅加熱外輸原油，外輸油溫升30 ℃，只需熱量197 kW，這個(gè)能耗范圍有利于可再生能源的利用。可再生能源的應(yīng)用方向是解決后段干線(xiàn)及中轉(zhuǎn)站的原油升溫問(wèn)題。只有后段的加熱工藝更節(jié)能，運(yùn)行費(fèi)用更低，前段的中頻沿線(xiàn)伴熱集輸工藝才能以最低的電耗滿(mǎn)足井站集輸需要。

江蘇地區(qū)年平均氣溫14.9 ℃，極端最高氣溫39.4 ℃。同時(shí)，全油田共有污水處理站21座， 年處理污水總量達(dá)719.42×104m3，污水溫度在40～45 ℃之間。如采用高溫?zé)岜锰崛?0 ℃熱量進(jìn)行回收，年回收熱量7 221×107 kcal，每年可減少自用油6 000 t以上。因此，空氣源和污水源等作為熱源的潛力巨大，其應(yīng)用范圍主要集中在集轉(zhuǎn)站、中轉(zhuǎn)站和拉油站。本文的研究重點(diǎn)是提高其供熱的穩(wěn)定性，與油田生產(chǎn)的連續(xù)性要求相匹配。近幾年，隨著熱泵技術(shù)的發(fā)展完善[3-10]，有利于空氣和污水等熱源在油田集輸工藝中的應(yīng)用。

2 熱泵技術(shù)原理

熱泵的原理[11-12]是從周?chē)h(huán)境中吸取熱量，并將其傳遞給工質(zhì)，利用工質(zhì)的氣液相態(tài)變化，通過(guò)壓縮機(jī)做功，實(shí)現(xiàn)將熱能從低溫?zé)嵩聪蛐杓訜峤橘|(zhì)轉(zhuǎn)移的設(shè)備。熱泵是遵循熱力學(xué)第二定律，采用逆卡諾循環(huán)的制熱裝置。

熱泵機(jī)組主要由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、電磁閥、膨脹閥、干燥過(guò)濾器及儲(chǔ)液罐等部件組成，機(jī)組內(nèi)換熱介質(zhì)為氟里昂制冷劑。機(jī)組分3個(gè)能量變化階段進(jìn)行工作：

(1)提取低品位熱能。機(jī)組中的液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器中與低品位熱源進(jìn)行熱交換，吸收熱量蒸發(fā)成氣體，實(shí)現(xiàn)制冷劑的蒸發(fā)提取低品位熱能。

(2)低品位熱能向高品位熱能轉(zhuǎn)換。蒸發(fā)吸熱的氣體被吸入壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，變成高溫、高壓的氣體進(jìn)入冷凝器，實(shí)現(xiàn)熱量由低品位熱能向高品位熱能的轉(zhuǎn)化。

(3)高品位熱能輸出。進(jìn)入冷凝器的高溫、高壓氣體與換熱介質(zhì)進(jìn)行熱交換釋放高品位熱能，并冷凝成液態(tài)，實(shí)現(xiàn)了高品位熱能的輸出。

3 熱泵加熱工藝

3.1 雙源熱泵加熱工藝

雙源熱泵加熱工藝以雙源(空氣源和水源)熱泵為制熱核心，采用清水間接換熱方式從空氣或清水中提取熱量，并將熱量散發(fā)到原油中，如圖1所示。

圖1 雙源熱泵技術(shù)原理

江蘇油田邊遠(yuǎn)拉油站采用地表水源井清水作注水水源，水溫一般在18 ℃以上，這類(lèi)站的原油加熱外輸可采用雙熱源熱泵加熱工藝，氣溫高于15 ℃時(shí)，采用空氣源；氣溫低于15 ℃時(shí)，采用水源，既利用高溫季節(jié)的空氣能，具有較高的能效比，節(jié)電效果好，又確保冬季原油加熱的需要。如果水源熱量不夠，可改造儲(chǔ)油罐，將油水分離，只加熱原油，不加熱水。

3.2 污水源熱泵加熱工藝

污水源熱泵加熱工藝以熱泵為制熱核心，采用清水間接換熱方式從污水中提取熱量和將熱量散發(fā)到原油中，如圖2所示。

圖2 污水源熱泵技術(shù)原理

由于污水源熱泵技術(shù)以油田污水為熱源，污水中存在大量結(jié)垢離子，如油層采出水中結(jié)垢離子Ca2+、SO42-、HCO3-含量較高，造成嚴(yán)重的管壁垢下局部腐蝕。為保證熱泵的可靠運(yùn)行，需配套防腐防垢技術(shù)。同時(shí)為提高污水的提熱效率，需采用高效換熱器換熱。

3.2.1 防腐防垢技術(shù)

采用物理析垢技術(shù)，主動(dòng)式析垢裝置和掃頻電磁防垢儀相結(jié)合，減輕污水換熱器的結(jié)垢，延長(zhǎng)檢修周期。

圖3 主動(dòng)析垢裝置結(jié)構(gòu)

主動(dòng)析垢裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。利用不銹鋼碎屑增加比表面積和粗糙度的物理原理，造成垢離子提前吸附，從而減少結(jié)垢對(duì)換熱器中的影響。同時(shí)內(nèi)壁做了全面防腐，防止不銹鋼屑與鋼筒體之間的電化學(xué)腐蝕，延長(zhǎng)整個(gè)裝置的使用壽命。該裝置為立式裝置，污水由下部進(jìn)入，上部流出，污水與析垢載體的接觸面積大，析垢效率高。沉垢靠重力沉積。底部側(cè)面有人孔，人孔的連接由螺栓改為快卸螺絲，拆卸方便，沖刷、更換析垢載體快捷便利。

掃頻電磁防垢儀包括一個(gè)電子單元電路和一根纏繞在污水管線(xiàn)外壁的電纜，如圖4所示。使用頻率可調(diào)整的一種方波類(lèi)型的交變電流，交變電流的頻率范圍為1～18 kHz。交變電流形成一個(gè)快速的磁通變化，在線(xiàn)圈內(nèi)部提供一個(gè)交變電磁場(chǎng)。增強(qiáng)了水分子的活性，使水中鹽類(lèi)離子很難在管壁上成垢，從而達(dá)到防垢的目的。

圖4 電磁防垢原理示意

3.2.2 長(zhǎng)流道管束式換熱器

針對(duì)鋁制浮頭換熱器和螺旋板式換熱器存在清洗困難的問(wèn)題，改進(jìn)長(zhǎng)流道管束式換熱器，優(yōu)化管束的排布方式和換熱介質(zhì)的流向，提高換熱效率，如圖5所示。同時(shí)改進(jìn)換熱器兩端盲板的密封鎖緊方式，由螺絲擰改為快卸螺絲，密封由石棉密封改為O形圈密封，便于清洗污水流道。

圖5 改進(jìn)的組合長(zhǎng)流道管束式換熱器

采用帶加熱功能和恒溫控制系統(tǒng)的水罐作為穩(wěn)定的熱水段熱源，自來(lái)水作低溫水水源，通過(guò)相互變流量換熱，測(cè)試換熱效果，利用產(chǎn)生紊流時(shí)換熱系數(shù)的拐點(diǎn)，判斷其流態(tài)狀態(tài)，從而得到不同流量下?lián)Q熱系數(shù)，如圖6所示。

從圖6可知，換熱器換熱效果與介質(zhì)流速密切相關(guān)，流速愈快，換熱系數(shù)愈高。低流量條件下，長(zhǎng)流道管束式換熱器的換熱效果可以滿(mǎn)足江蘇油田零散中轉(zhuǎn)站可再生能源利用的需要。

換熱器換熱效果首先取決于吸熱段吸熱能力，在吸熱段流速不變情況下，單純?cè)黾臃艧岫瘟魉傩Ч淮?，這啟示我們，在用中介水與污水換熱時(shí)，可以加大中介水循環(huán)流量，以置換出更多熱量。

圖6 長(zhǎng)流道管束式換熱器逆流實(shí)驗(yàn)換熱系數(shù)

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

4.1 墩2接轉(zhuǎn)站雙源熱泵加熱工藝

墩2接轉(zhuǎn)站注水140 m3/d，產(chǎn)液70 m3/d。改造前采用50 kW電加熱器加熱出站原油，實(shí)測(cè)每小時(shí)耗電27.79 kW·h，出站油溫44 ℃。對(duì)其進(jìn)行雙源熱泵技術(shù)改造，如圖7所示，其主要設(shè)備：1套原油加熱換熱器、2臺(tái)雙源熱泵、2臺(tái)水泵、配套電氣和清水供水流程及熱回水流程。冬季氣溫低于15 ℃時(shí)，采用清水源制熱，其他季節(jié)應(yīng)用空氣源制熱。

圖7 墩2接轉(zhuǎn)站站雙熱源泵加熱工藝改造流程

墩2接轉(zhuǎn)站實(shí)施雙源熱泵技術(shù)后：?jiǎn)闻_(tái)壓縮機(jī)(一半)運(yùn)行，每小時(shí)耗電11.4kW·h，節(jié)電16.4 kW·h，節(jié)電率58.98%。年節(jié)電14.3×104kW·h，年節(jié)約電費(fèi)14萬(wàn)元。

4.2 紀(jì)5接轉(zhuǎn)站污水源熱泵加熱工藝

紀(jì)5接轉(zhuǎn)站，日進(jìn)站液量約200 m3，其中油量約50 t/d,經(jīng)立式三相分離器分離后，原油進(jìn)罐，污水輸往下游的紀(jì)4接轉(zhuǎn)站。原有3臺(tái)額定功率為50 kW的電加熱器和24 kW的電加熱棒。電加熱器主要用于加熱循環(huán)水為三相分離器保溫，正常運(yùn)行時(shí)需耗電55 kW·h，冬季，由于來(lái)液溫度低，運(yùn)行時(shí)需耗電77 kW·h；電加熱棒主要為儲(chǔ)油罐加熱保溫，確保原油的正常外輸。經(jīng)測(cè)算，電加熱器和電加熱棒平均日耗電1 500 kW·h左右，耗能大。

該站污水源豐富，日產(chǎn)污水量約150 m3，水溫42 ℃左右，溫度較高，采用污水源熱泵。污水熱泵技術(shù)流程改造如圖8所示，其主要設(shè)備：1臺(tái)主動(dòng)式析垢裝置、1套電磁防垢儀、1套污水余熱回收換熱器、2臺(tái)水源熱泵、2臺(tái)中介水熱水泵、1個(gè)中介水熱水罐、配套電氣和熱回水流程及原熱水流程中的2臺(tái)熱水泵、1個(gè)1方補(bǔ)水罐。

圖8 紀(jì)5接轉(zhuǎn)站熱源泵加熱工藝改造流程

紀(jì)5接轉(zhuǎn)站污水源加熱循環(huán)系統(tǒng)從污水中提取熱量，供三相分離器加熱和儲(chǔ)油罐伴溫，替代之前的電加熱伴熱模式。該加熱系統(tǒng)與電磁加熱器相比，不但能耗大大降低，還解決了污水結(jié)垢導(dǎo)致電加熱器易燒壞的難題。同時(shí)，隨著紀(jì)5接轉(zhuǎn)站污水溫度的下降，下游紀(jì)4站污水生化處理的冷卻塔也實(shí)現(xiàn)關(guān)停，可謂一舉三得。該工藝應(yīng)用以來(lái)，平均日節(jié)電1 000 kW·h，預(yù)計(jì)年節(jié)電約36×104kW·h，全年節(jié)約電費(fèi)37萬(wàn)元。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)江蘇油田雙源熱泵加熱工藝、污水源熱泵加熱工藝的研究與應(yīng)用，取得以下的結(jié)論和認(rèn)識(shí)：

(1)以熱泵為核心的再生能源加熱工藝可應(yīng)用于現(xiàn)有的熱水爐或電加熱工藝，可滿(mǎn)足中轉(zhuǎn)集油站原油加熱的需要。

(2)污水源充足的站點(diǎn)優(yōu)選污水源熱泵技術(shù)，無(wú)污水源的站點(diǎn)優(yōu)選雙源熱泵技術(shù)。

(3)組合式長(zhǎng)流道管束換熱器可根據(jù)換熱量的大小進(jìn)行自由組配，且更容易防腐防垢，更適合零散小站的應(yīng)用。

(4)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和能效測(cè)試，墩2、紀(jì)5接轉(zhuǎn)站熱源熱泵加熱工藝具有良好的節(jié)電效果，平均節(jié)電率達(dá)到50%以上。

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(編輯 謝 葵)

天然氣勘探鹽氣X1井順利開(kāi)鉆

2月12日，江蘇油田首口天然氣風(fēng)險(xiǎn)探井——鹽氣X1井順利開(kāi)鉆。

該井的鉆探是落實(shí)總公司“油氣并舉”勘探戰(zhàn)略方針的重要舉措之一，也是江蘇油田天然氣勘探“十三五”規(guī)劃中的重要一環(huán)。去年，老區(qū)老井復(fù)查試氣工作首戰(zhàn)告捷，優(yōu)選出首批6口試氣井取得突出效果。其中，許淺1井試獲高產(chǎn)天然氣流，打開(kāi)了天然氣勘探新局面。另一方面在新區(qū)有利區(qū)帶評(píng)價(jià)優(yōu)選基礎(chǔ)上，順利通過(guò)了鹽氣X1井三次評(píng)價(jià)論證。該井部署在鹽城凹陷，主要目的為探測(cè)阜寧組、白堊系，印支面及古生界含油氣情況，并獲取斜坡帶二疊系孤峰—龍?zhí)督M烴源巖和古生界風(fēng)化殼等實(shí)物資料。該井的順利開(kāi)鉆標(biāo)志著油田以古生中儲(chǔ)為主的新類(lèi)型天然氣勘探邁出了堅(jiān)實(shí)的一步，對(duì)拓寬鹽城凹陷天然氣成藏新層系、拓展天然氣勘探局面和評(píng)價(jià)斜坡帶勘探潛力有著極為重要的戰(zhàn)略意義。

(劉磊)

Application of heat pump technology in gathering and transportation system of Jiangsu Oilfield

Gao Li,Zhu Feng,Si Zhimei

(PetroleumEngineeringTechnologyResearchInstituteofJiangsuOilfieldCompany,SINOPEC,Yangzhou225009,China)

It was analyzed the feasibility of the application of heat pump in Jiangsu Oilfield.It was carried out study on heating process of air or sewage source heat pump technology.In order to increase the heat transfer efficiency,a heat exchanger with long flow channel was improved.And then the flow conditions of the tube bundle heat exchanger with long flow channel was optimized by the heat transfer tests,which are suitable for scattered blocks in Jiangsu Oilfield.It was carried out study on the sewage anti-corrosion and scale prevention technology.An automatic deposited scale device was developed.And then the sweep frequency electromagnetic anti-scaling instrument was improved.The two kinds of heat pump heating process were applied in Dun 2 transfer station and Ji 5 transfer station,respectively.In the comparison of conventional electrical heater,the energy consumption can be reduced greatly,with an energy saving rate of more than 50%.So the heating system has obvious economic benefits and a good application value in Jiangsu Oilfield.

heat pump;heat pump of air source;heat pump of sewage source;gathering and transportation system

10.16181/j.cnki.fzyqc.2017.01.017

2016-11-16；改回日期：2016-12-29。

高麗(1983—)，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事采油工藝研究。電話(huà):17766005134，0514-87762408， E-mail:gaoli3.jsyt@sinopec.com。

TE832.34

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