王文勝 姜鵬飛 任培 鮑玲 梁昌晶

（1.河北省任丘市市政工程公司；2.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第四鉆井工程分公司；

3.中國石油華北石油管理局水電廠；4.河北華北石油港華勘察規(guī)劃設計有限公司）

污水源熱泵技術在油田聯(lián)合站的應用

王文勝1姜鵬飛2任培2鮑玲3梁昌晶4

（1.河北省任丘市市政工程公司；2.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第四鉆井工程分公司；

3.中國石油華北石油管理局水電廠；4.河北華北石油港華勘察規(guī)劃設計有限公司）

加熱爐作為油田地面工程的一項重要用能設備，擔負著整個區(qū)塊油田產能的用熱。目前油田對污水處理后往往直接回注，對這部分熱能的利用率不足，針對這一現(xiàn)狀，對污水量3500 m3/d的某聯(lián)合站應用污水源熱泵技術進行加熱爐替代，應用后全年可階段性地滿足站內正常運行所需的熱量，投資回收期3.58年，成熟后可在各油田推廣使用。

熱泵；負荷分配；設備選型

目前，進入開發(fā)后期的老油田含水率往往在90%以上，經站內三相分離器分離出來的含油污水量非常可觀；同時這部分水的溫度在40℃左右，經過采出水處理后直接回注到地層，造成這部分熱能資源的浪費。污水源熱泵技術就是利用這部分熱能，實現(xiàn)全部或部分替代站內熱負荷，達到節(jié)能降耗的目的。

1 水源熱泵工作原理

水源熱泵機組根據(jù)驅動源的不同分為吸收式水源熱泵和壓縮式水源熱泵，其中吸收式水源熱泵以蒸汽或天然氣等為驅動源，壓縮式水源熱泵以電能驅動。壓縮式水源熱泵裝置主要由蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器和膨脹閥四部分組成，通過讓工質不斷完成蒸發(fā)（吸取環(huán)境中的熱量）—壓縮（溫度再升高）—冷凝（放出熱量）—節(jié)流—再蒸發(fā)的熱力循環(huán)過程，從而將環(huán)境里的熱量轉移到水中[1-2]。

在整個能量轉換的過程中，制冷劑把從蒸發(fā)器內吸收來的低品位熱能與輸入的電能之和，一同轉化給換熱介質，達到了熱泵將低品位熱能轉化為高品位熱能的目的。在利用低品位熱能的同時，只消耗了少部分電能，從而達到節(jié)能的目的。壓縮式熱泵的效率與冷源所能提供的溫差、熱端所需溫差、壓縮機的效率、工質選擇等有關。高效的壓縮式水源熱泵機組能效比（COP）在3.5～3.8左右，以電力為動力，提取污水中的低品位熱能，替代現(xiàn)有的燃料，節(jié)能降耗，降低運行成本。

2 技術路線

2.1 負荷計算

由于水源熱泵的熱源要求為聯(lián)合站凈化含油污水，對水質要求較高，含油污水中鈣鎂離子含量較高，腐蝕性大，熱泵機組無法適應。考慮到污水的腐蝕和熱泵機組的安全運行，污水需經一級換熱才能為熱泵機組所用，采取間接換熱方法，將含油污水先進入中間換熱器(耐腐蝕)，在另一側使用循環(huán)清水，將置換出的熱量供給熱泵機組，避免含油污水直接進入熱泵機組[3]。

污水量是否充足是熱泵技術應用的基本條件，另外污水可提取的溫差、熱水所需溫差等也是限制技術的主要因素[4]。根據(jù)目前站內所需的熱水量和升溫幅度，計算出維持站內正常運行所需的熱量（表1），再由此反推出所需的污水量，以此檢驗該站污水量是否充足，是否適合應用熱泵技術。

表1 不同熱水量、不同升溫下所需的熱量

目前，根據(jù)現(xiàn)有技術資料顯示，每天的污水量要達到3000 m3以上才能很好匹配市場上的熱泵機組。因此，選擇1座每天污水量在3500 m3，回注溫度在38℃的聯(lián)合站進行可行性研究。

該聯(lián)合站站內建有油氣分離、污水處理、注水等工藝裝置，日處理液量為3750 m3（油250 m3，水3500 m3），伴生氣3550 m3（供加熱爐燃燒）。站內配置加熱爐7臺，均為油氣混燒，分別為原油外輸系統(tǒng)、摻水系統(tǒng)和采暖伴熱供熱。此次改造目的在于采用熱泵替代加熱爐，運行時減少一次性能源消耗，取代全部的自用油燃料。主要生產參數(shù)和基礎運行參數(shù)如表2、表3所示。

表2 主要生產參數(shù)

表3 基礎運行參數(shù)

熱泵機組輸出熱量包括從污水中得到的熱量和輸入的電能兩部分。根據(jù)下列公式按照將污水從38℃降低到20℃提取18℃的污水熱量，可回收熱量2950 kWh，加上輸入的電能780 kWh，總計可回收利用的能量有3730 kWh。根據(jù)表3的熱量分配，配套熱泵機組后，4—9月份熱泵滿負荷運轉輸出熱量可滿足站內的全部熱力系統(tǒng)，其余月份僅供摻水系統(tǒng)提溫，剩余所需熱量將站內伴生氣進行初步脫硫、脫碳處理后，供站內外輸和采暖、伴熱系統(tǒng)使用。

式中：Q污水——所需的污水流量，m3/d；

Q熱水——所需的熱水流量，m3/d；

ΔT1——熱水溫差，℃；

ΔT2——污水溫差，℃；

C1/C2——兩者的比熱容之比；

W0——設備的輸入電能，kWh。

2.2 設備選型

按照采出水提取18℃來配備熱泵機組，新建制熱功率2.5 MW的熱泵2臺，機組的功率為780 kW，COP可達到4.78。水源熱泵選用高溫型機組，采取間接換熱方法：含油污水先通過板式換熱器換熱后將清潔的水升溫，避免含油污水直接進入熱泵機組；清潔的水進入熱泵機組進行換熱，高溫側的熱水通過熱泵機組進行升溫[5-6]。配套熱泵機組和輔助設備（水泵、板式換熱器等）的主要技術參數(shù)及選型見表4、表5。

表4 機組技術參數(shù)

3 經濟效益分析

新建2.5 MW的熱泵機組2臺，新建換熱器、水泵等設備，設備及施工費用等總投入成本為595萬元。投入后可節(jié)約燃油2715 t/a，節(jié)約費用413萬元；4—9月份可節(jié)約伴生氣量67×104m3。在三相分離器氣出口處加裝干燥撬和天然氣壓縮機，并由其處理成CNG進行罐裝回收，相應的氣處理設備費用和運輸費用由燃氣處理公司統(tǒng)一在回收氣價中進行折算，可產生效益134萬元。熱泵機組小時額定耗電量為780 kWh，年耗電量為561.6×104kWh；若電價按照0.59元/kWh計算，則年電費達331萬元。年維護費用20萬元，設備折舊費30萬元，全年總支出為381萬元，全年凈收益166萬元；投資回收期為3.58年。

4 結論及建議

1）對于污水量較大的聯(lián)合站可采用污水源熱泵技術替代燃油燃氣加熱爐，運行時可減少原油及伴生氣的使用，提高了原油商品量；同時由于停用了燃油加熱爐，環(huán)保效果顯著，燃燒效率提高，氮氧化物及硫化物的排放明顯減少。

2）目前，很多老油田的開發(fā)進入中后期，普遍面臨含水率高、地面集輸層級過多、聯(lián)合站處理能力過剩、站內泵組及設備不能滿負荷運轉等問題，因此，需將幾個區(qū)塊或1條輸油干線上的所有區(qū)塊作為一個整體來通盤考慮，以便實現(xiàn)整體簡化優(yōu)化，區(qū)域功能整合，能源結構優(yōu)化調整的目標。

[1]朱益飛.勝利油田熱泵技術應用現(xiàn)狀及對策應用[J].電力需求側管理，2012，14（1）：31-33.

[2]朱益飛.采用BOO管理模式推進油田污水余熱利用[J].石油石化節(jié)能，2017，7（3）：10-12.

[3]畢海洋.污水源熱泵替代原油加熱爐的研究[J].可再生能源，2007，25（2）：97-99.

[4]張吉禮，馬良棟.污水源熱泵空調系統(tǒng)污水側取水除污和換熱技術研究進展[J].暖通空調，2009，39（7）：41-46.

[5]孫春錦.污水源熱泵技術研究現(xiàn)狀及分析[J].暖通空調，2015，45（9）：49-53.

[6]曲云霞，李梅，楊勇，等.污水源熱泵系統(tǒng)污水水質與換熱器材質的選擇[J].可再生能源，2007，25（4）：72-76.

2017-08-28

（編輯 李珊梅）

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.10.003

王文勝，工程師，1991年畢業(yè)于河北建筑工程學院（起重運輸與工程機械專業(yè)），從事市政工程建設工作，E-mail：1960xy@163.com，地址：河北省任丘市市政工程公司，062550。