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。
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。
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。
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)
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。
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。