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(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司第四鉆井工程分公司;
3.中國(guó)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(shè)計(jì)有限公司)
污水源熱泵技術(shù)在油田聯(lián)合站的應(yīng)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(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司第四鉆井工程分公司;
3.中國(guó)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(shè)計(jì)有限公司)
加熱爐作為油田地面工程的一項(xiàng)重要用能設(shè)備,擔(dān)負(fù)著整個(gè)區(qū)塊油田產(chǎn)能的用熱。目前油田對(duì)污水處理后往往直接回注,對(duì)這部分熱能的利用率不足,針對(duì)這一現(xiàn)狀,對(duì)污水量3500 m3/d的某聯(lián)合站應(yīng)用污水源熱泵技術(shù)進(jìn)行加熱爐替代,應(yīng)用后全年可階段性地滿足站內(nèi)正常運(yùn)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(fù)荷分配;設(shè)備選型
目前,進(jìn)入開發(fā)后期的老油田含水率往往在90%以上,經(jīng)站內(nèi)三相分離器分離出來的含油污水量非常可觀;同時(shí)這部分水的溫度在40℃左右,經(jīng)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(fèi)。污水源熱泵技術(shù)就是利用這部分熱能,實(shí)現(xiàn)全部或部分替代站內(nèi)熱負(fù)荷,達(dá)到節(jié)能降耗的目的。
水源熱泵機(jī)組根據(jù)驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)源,壓縮式水源熱泵以電能驅(qū)動(dòng)。壓縮式水源熱泵裝置主要由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和膨脹閥四部分組成,通過讓工質(zhì)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(zhuǎn)移到水中[1-2]。
在整個(gè)能量轉(zhuǎn)換的過程中,制冷劑把從蒸發(fā)器內(nèi)吸收來的低品位熱能與輸入的電能之和,一同轉(zhuǎn)化給換熱介質(zhì),達(dá)到了熱泵將低品位熱能轉(zhuǎn)化為高品位熱能的目的。在利用低品位熱能的同時(shí),只消耗了少部分電能,從而達(dá)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(jī)的效率、工質(zhì)選擇等有關(guān)。高效的壓縮式水源熱泵機(jī)組能效比(COP)在3.5~3.8左右,以電力為動(dòng)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(yùn)行成本。
由于水源熱泵的熱源要求為聯(lián)合站凈化含油污水,對(duì)水質(zhì)要求較高,含油污水中鈣鎂離子含量較高,腐蝕性大,熱泵機(jī)組無法適應(yīng)。考慮到污水的腐蝕和熱泵機(jī)組的安全運(yùn)行,污水需經(jīng)一級(jí)換熱才能為熱泵機(jī)組所用,采取間接換熱方法,將含油污水先進(jìn)入中間換熱器(耐腐蝕),在另一側(cè)使用循環(huán)清水,將置換出的熱量供給熱泵機(jī)組,避免含油污水直接進(jìn)入熱泵機(jī)組[3]。
污水量是否充足是熱泵技術(shù)應(yīng)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(shù)的主要因素[4]。根據(jù)目前站內(nèi)所需的熱水量和升溫幅度,計(jì)算出維持站內(nèi)正常運(yùn)行所需的熱量(表1),再由此反推出所需的污水量,以此檢驗(yàn)該站污水量是否充足,是否適合應(yīng)用熱泵技術(shù)。
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(shù)資料顯示,每天的污水量要達(dá)到3000 m3以上才能很好匹配市場(chǎng)上的熱泵機(jī)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(jìn)行可行性研究。
該聯(lián)合站站內(nèi)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(nèi)配置加熱爐7臺(tái),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(yùn)行時(shí)減少一次性能源消耗,取代全部的自用油燃料。主要生產(chǎn)參數(shù)和基礎(chǔ)運(yùn)行參數(shù)如表2、表3所示。
表2 主要生產(chǎn)參數(shù)
表3 基礎(chǔ)運(yùn)行參數(shù)
熱泵機(jī)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(jì)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(jī)組后,4—9月份熱泵滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)輸出熱量可滿足站內(nèi)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(nèi)伴生氣進(jìn)行初步脫硫、脫碳處理后,供站內(nèi)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(shè)備的輸入電能,kWh。
按照采出水提取18℃來配備熱泵機(jī)組,新建制熱功率2.5 MW的熱泵2臺(tái),機(jī)組的功率為780 kW,COP可達(dá)到4.78。水源熱泵選用高溫型機(jī)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(jìn)入熱泵機(jī)組;清潔的水進(jìn)入熱泵機(jī)組進(jìn)行換熱,高溫側(cè)的熱水通過熱泵機(jī)組進(jìn)行升溫[5-6]。配套熱泵機(jī)組和輔助設(shè)備(水泵、板式換熱器等)的主要技術(shù)參數(shù)及選型見表4、表5。
表4 機(jī)組技術(shù)參數(shù)
新建2.5 MW的熱泵機(jī)組2臺(tái),新建換熱器、水泵等設(shè)備,設(shè)備及施工費(fèi)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(fèi)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(jī),并由其處理成CNG進(jìn)行罐裝回收,相應(yīng)的氣處理設(shè)備費(fèi)用和運(yùn)輸費(fèi)用由燃?xì)馓幚砉窘y(tǒng)一在回收氣價(jià)中進(jìn)行折算,可產(chǎn)生效益134萬元。熱泵機(jī)組小時(shí)額定耗電量為780 kWh,年耗電量為561.6×104kWh;若電價(jià)按照0.59元/kWh計(jì)算,則年電費(fèi)達(dá)331萬元。年維護(hù)費(fèi)用20萬元,設(shè)備折舊費(fèi)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。
1)對(duì)于污水量較大的聯(lián)合站可采用污水源熱泵技術(shù)替代燃油燃?xì)饧訜釥t,運(yùn)行時(shí)可減少原油及伴生氣的使用,提高了原油商品量;同時(shí)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(jìn)入中后期,普遍面臨含水率高、地面集輸層級(jí)過多、聯(lián)合站處理能力過剩、站內(nèi)泵組及設(shè)備不能滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)等問題,因此,需將幾個(gè)區(qū)塊或1條輸油干線上的所有區(qū)塊作為一個(gè)整體來通盤考慮,以便實(shí)現(xiàn)整體簡(jiǎn)化優(yōu)化,區(qū)域功能整合,能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整的目標(biāo)。
[1]朱益飛.勝利油田熱泵技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及對(duì)策應(yīng)用[J].電力需求側(cè)管理,2012,14(1):31-33.
[2]朱益飛.采用BOO管理模式推進(jìn)油田污水余熱利用[J].石油石化節(jié)能,2017,7(3):10-12.
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[4]張吉禮,馬良棟.污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)污水側(cè)取水除污和換熱技術(shù)研究進(jìn)展[J].暖通空調(diào),2009,39(7):41-46.
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[6]曲云霞,李梅,楊勇,等.污水源熱泵系統(tǒng)污水水質(zhì)與換熱器材質(zhì)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(xué)院(起重運(yùn)輸與工程機(jī)械專業(yè)),從事市政工程建設(shè)工作,E-mail:1960xy@163.com,地址:河北省任丘市市政工程公司,062550。