劉清源 祖賀川 王嬙 姚俊鑫

（1.中國(guó)石油華北油田公司二連分公司；2.中國(guó)石油華北油田公司第五采油廠；3.中國(guó)石油華北油田公司華佳綜合服務(wù)處）

隨著油田開(kāi)發(fā)進(jìn)入中后期，部分區(qū)塊的產(chǎn)能逐年下降，含水率逐年上升，采出水量也隨之增加，經(jīng)沉降、過(guò)濾后的采出水由于之前隨采出液經(jīng)換熱器加熱因此溫度較高（40～50℃），這部分采出水往往被直接回注到地層用于水驅(qū)油藏，所蘊(yùn)含的低溫廢熱沒(méi)有被有效利用，同時(shí)通過(guò)對(duì)某聯(lián)合站站內(nèi)加熱爐進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)無(wú)論是采用原油還是油氣混燒做為燃料，其煙氣排放均達(dá)不到GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中在用鍋爐的排放指標(biāo)[1]，因此以該聯(lián)合站為例，應(yīng)用吸收式水源熱泵，將采出水中的低溫廢熱提取出來(lái)用于替代燃油燃?xì)饧訜釥t，不僅可以降低生產(chǎn)能耗，也有助于環(huán)境保護(hù)，符合能源行業(yè)降本增效的企業(yè)理念[2]。

1 基本概況

該站具備原油脫水、外輸、采出水處理、注水等功能，實(shí)際處理產(chǎn)液量達(dá)4000 m3/d，產(chǎn)油量達(dá)1000 m3/d，伴生氣量6000 m3/d，回注水量2911 m3/d，回注水溫度在45～50℃，站內(nèi)循環(huán)熱水供水溫度80℃，回水溫度65℃。目前有4臺(tái)管式加熱爐，單臺(tái)熱負(fù)荷為2330 kW，冬季運(yùn)行3臺(tái)，夏季運(yùn)行2臺(tái)，主要用于原油外輸升溫、站內(nèi)維溫、站內(nèi)采暖以及管線伴熱，加熱爐燃料以伴生氣為主，兼燒原油，自產(chǎn)伴生氣全部用于燃燒，另外還需燃燒2～3.5 t/d原油滿足站內(nèi)用熱需求，站內(nèi)熱負(fù)荷分析見(jiàn)表1。

表1 熱負(fù)荷分析 單位：kW

由表1可知夏季總共需求熱負(fù)荷為3890 kW，其中站內(nèi)需求為750 kW，冬季總共需求熱負(fù)荷為4570 kW，其中站內(nèi)需求為1030 kW，由于后期要針對(duì)站外集輸工藝進(jìn)行簡(jiǎn)化優(yōu)化，站外負(fù)荷變化較大，因此這次設(shè)計(jì)只考慮解決站內(nèi)采暖、維溫以及原油外輸升溫這3部分熱負(fù)荷。

2 工作原理及工藝流程

2.1 工作原理

熱泵按驅(qū)動(dòng)源可分為吸收式熱泵和壓縮式熱泵[3]，兩種熱泵驅(qū)動(dòng)源、工作原理不一致，根據(jù)對(duì)兩種熱泵的對(duì)比，吸收式熱泵的能耗成本更低，同時(shí)一次能源利用率要高出30%，但熱效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及壓縮式熱泵[4]，熱效率之間的差距主要是由于吸收式熱泵依靠化石燃料、蒸汽等做為熱源驅(qū)動(dòng)，而壓縮式熱泵則直接利用高品位的二次能源電能實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)。由于該站具有豐富的低溫回注水資源和伴生氣資源，同時(shí)若采用壓縮式熱泵需對(duì)現(xiàn)行電網(wǎng)進(jìn)行擴(kuò)容以保證用電負(fù)荷的安全，所以該站采用吸收式熱泵技術(shù)。

吸收式熱泵技術(shù)應(yīng)用原理為逆卡諾循環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)共分為3個(gè)能量變化過(guò)程。第1過(guò)程：機(jī)組將水源能量進(jìn)行回收的過(guò)程，水源在蒸發(fā)器中與機(jī)組內(nèi)工作介質(zhì)進(jìn)行熱交換，將熱量釋放給介質(zhì)，介質(zhì)吸收熱量蒸發(fā)；第2過(guò)程：機(jī)組將得到的能量向末端系統(tǒng)端轉(zhuǎn)換的過(guò)程；第3過(guò)程：末端系統(tǒng)將機(jī)組提供的能量釋放給熱水升溫的過(guò)程。從熱力條件分析，利用熱泵機(jī)組可以回收含油污水中的熱量用于供暖以取代現(xiàn)有加熱爐，可節(jié)約大量天然氣，降低運(yùn)行成本；同時(shí)熱泵技術(shù)的應(yīng)用無(wú)任何污染和廢棄物產(chǎn)生，減少煙塵排放量，減少對(duì)環(huán)境的污染，達(dá)到積極明顯的環(huán)保效益。采用這種供熱設(shè)備的安全系數(shù)高，有利于安全生產(chǎn)和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。

吸收式熱泵中蒸發(fā)器的原理主要是利用水在5mm汞柱的真空狀態(tài)下，4℃便蒸發(fā)，蒸發(fā)吸熱后水蒸氣進(jìn)入吸收器，吸收器中的溴化鋰濃溶液被稀釋放出熱量，隨后稀釋后的溴化鋰被轉(zhuǎn)移到發(fā)生器，經(jīng)燃料或蒸汽加熱后又濃縮成溴化鋰濃溶液返回吸收器中，水蒸氣則進(jìn)入冷凝器凝結(jié)成液態(tài)水，放出熱量，液態(tài)水進(jìn)入蒸發(fā)器隨后進(jìn)入下一組循環(huán)，熱泵機(jī)組原理見(jiàn)圖1。

圖1 水源吸收式熱泵機(jī)組原理圖

2.2 工藝流程

首先，將過(guò)濾后45℃的回注污水經(jīng)污水泵抽出，送至熱交換器直接換熱利用至32.5℃，然后進(jìn)行地層回注。清水經(jīng)熱交換器換熱后，溫升至36.4℃，再進(jìn)入吸收式熱泵機(jī)組進(jìn)行利用至28℃。水源吸收式熱泵機(jī)組在伴生氣燃燒的驅(qū)動(dòng)下，將熱泵出口熱供水溫度提升至80℃，經(jīng)各類供熱單體使用后，溫度降至65℃返回吸收式熱泵機(jī)組進(jìn)行加熱，工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 工藝流程

3 設(shè)備選型

3.1 熱泵機(jī)組

該站內(nèi)每天有2911 m3凈化污水回注油田，且水量比較穩(wěn)定，污水溫度約45～50℃，污水溫度按溫降12.5℃計(jì)算，站內(nèi)可回收的余熱熱負(fù)荷為1.81 MW，合157 GJ/d。

該站目前站內(nèi)加站外熱負(fù)荷約為4500 kW（冬季），本次設(shè)計(jì)只考慮站內(nèi)用熱，按冬季站內(nèi)所需1030 kW設(shè)計(jì)，熱網(wǎng)效率（用戶所得熱量與熱量發(fā)生裝置向熱網(wǎng)所輸出熱量的比值）取0.96，熱泵效率取0.7，則熱泵機(jī)組的設(shè)計(jì)功率為1532 kW，因此本項(xiàng)目先采用1臺(tái)1525 kW水源吸收式熱泵機(jī)組作為技術(shù)試點(diǎn)，熱負(fù)荷不足部分暫由燃?xì)饧訜釥t補(bǔ)充，待站場(chǎng)摻水改造完畢后，再根據(jù)站場(chǎng)負(fù)荷情況考慮是否增設(shè)熱泵機(jī)組。其中余熱可回收熱負(fù)荷603.9 kW，燃燒伴生氣可產(chǎn)生熱負(fù)荷1 023.5 kW，燃?xì)鈾C(jī)組的熱效率取0.9，則可利用的高溫?zé)嵩礋嶝?fù)荷為921.1 kW，共計(jì)輸出1525 kW熱負(fù)荷，熱效率為1.49，熱泵機(jī)組主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 吸收式水源熱泵機(jī)組主要參數(shù)

表3 應(yīng)用水源熱泵前后大氣污染物排放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) 單位：(mg·m-3)

3.2 換熱器組

水源熱泵的熱源為凈化后采出水，根據(jù)水源熱泵對(duì)低溫?zé)嵩吹乃|(zhì)要求：pH=6.8～8.2，氯離子小于200 mg/L，硬度小于200 mg/L（CaCO3）。由于采出水中氯離子含量較高，腐蝕性大，熱泵機(jī)組無(wú)法適應(yīng)。采取間接換熱方法，將其先進(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，避免水源直接進(jìn)入熱泵機(jī)組，克服了氯離子含量高腐蝕大的問(wèn)題。

其中，污水流量為62 m3/h，溫度為45℃，換熱后溫度為32.5℃，熱交換器的熱負(fù)荷用公式[5]計(jì)算為904.16 kW，由此確定換熱器的換熱面積：

式中：F——換熱面積，m2；

K——冷熱流體之間的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)，取2500 W/(m2·℃)；

Q——總的熱負(fù)荷，kW；

ΔTm——平均溫差，℃。

計(jì)算結(jié)果用熱交換器面積95 m2，為保證熱交換器在檢修時(shí)不影響生產(chǎn)，單臺(tái)熱交換器應(yīng)滿足總負(fù)荷的70%，因此需用2臺(tái)70 m2熱交換器，同時(shí)為防止腐蝕，換熱器采用鈦板換熱器。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

伴生氣經(jīng)過(guò)脫碳脫硫預(yù)處理后再進(jìn)行直燃供熱泵機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)，原冬季運(yùn)行3臺(tái)，現(xiàn)可停用1臺(tái)，目前冬季運(yùn)行2臺(tái)即可滿足站內(nèi)外工藝用熱，運(yùn)行一段時(shí)間后進(jìn)行大氣污染物排放監(jiān)測(cè)，均達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，前后排放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

該項(xiàng)目初始投資371萬(wàn)元，每年的運(yùn)行費(fèi)用為106萬(wàn)元，主要包括燃料費(fèi)、燃?xì)馓幚碣M(fèi)、設(shè)備維護(hù)費(fèi)、大修費(fèi)、電費(fèi)等，之前的加熱爐系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用主要為燃料費(fèi)用約220萬(wàn)元，燃?xì)饬坑芍暗?75.2×104m3/a降低至89.6×104m3/a，年節(jié)約燃?xì)?5.6×104m3，運(yùn)行費(fèi)用可降低48%，折合標(biāo)煤1 051.15 t，CO2排放減少 2754 t，SO2減少 8935 kg，NOx減少7778 kg，投資回收期為3.24年。

5 結(jié)論

與傳統(tǒng)的加熱器相比，水源吸收式熱泵機(jī)組置有明顯的優(yōu)勢(shì)[6]。普通加熱爐的熱效率為0.9～0.95，而水源吸收式熱泵機(jī)組置可利用燃料、蒸汽、高溫?zé)崴驘煔獾容^高品位的能源再回收一部分余熱能源，比普通加熱爐可節(jié)省約45%的能量。主要有以下特點(diǎn)：

1）適用范圍廣。水源吸收式熱泵機(jī)組置可利用的余熱水水體溫度為20～60℃，可制取的熱水水溫為50～90℃。在石油化工領(lǐng)域，存在著大量的低溫循環(huán)水，而大部分工藝流程又有熱需求，所以水源吸收式熱泵機(jī)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。

2）高效節(jié)能。水源吸收式熱泵機(jī)組置系統(tǒng)所提供的熱負(fù)荷中有很大部分是從低溫側(cè)無(wú)償獲得，若水源吸收式熱泵機(jī)組置的制熱系數(shù)為1.49，相當(dāng)于只消耗1 kW高品質(zhì)熱能，有0.49 kW的能量從低溫側(cè)無(wú)償獲得。

3）環(huán)境效益顯著。水源吸收式熱泵機(jī)組置基本不耗電能，使用溴化鋰-水溶液循環(huán)使用吸收和釋放能量，運(yùn)行時(shí)沒(méi)有任何污染，也不產(chǎn)生廢物的二次處理，不必設(shè)置廢料堆砌場(chǎng)地。