趙金龍 吳鵬 葉鵬 許騰瀧

中國(guó)石油天然氣股份有限公司冀東油田分公司

南堡油田主要站場(chǎng)生產(chǎn)用熱、采暖供熱均采用加熱爐直接供熱，消耗天然氣資源，同時(shí)1號(hào)構(gòu)造處理后注水水源溫度在45℃以上，其他區(qū)塊水源井采出水、注水水源溫度在70℃以上，余熱資源豐富。開展余熱回收以實(shí)現(xiàn)集輸系統(tǒng)提質(zhì)增效前景廣闊，進(jìn)行余熱回收利用試驗(yàn)及余熱潛力分析可為南堡油田后續(xù)余熱回收利用提供理論依據(jù)。

1 余熱回收技術(shù)

余熱資源屬于二次能源，是一次能源或可燃物料轉(zhuǎn)換后產(chǎn)物，或是燃料燃燒過程中發(fā)出的熱量在完成某一工藝過程后所剩的熱量[1-2]。余熱資源按照溫度分級(jí)情況見表1。

表1 工業(yè)余熱資源按照溫度分級(jí)Tab.1 Industrial waste heat resources graded by temperature

南堡油田余熱資源包括采出液脫水并處理后的注水水源以及水源井采出水兩部分，溫度均低于90℃，屬于低溫余熱資源，適用于油品加熱和采暖伴熱。

1.1 直接換熱技術(shù)

通過高效換熱器，將高溫介質(zhì)中的熱量交換到低溫介質(zhì)中，熱源與被加熱介質(zhì)進(jìn)行熱量的直接傳導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)熱源水降溫、原油升溫，常用的設(shè)備為管殼式換熱器[3]。

該設(shè)備的技術(shù)難點(diǎn)：①需要有足夠的有效換熱面積，滿足對(duì)原油加熱的需求；②原油經(jīng)過設(shè)備時(shí)應(yīng)減少壓力損失，從而降低油氣集輸系統(tǒng)回壓；③避免經(jīng)過設(shè)備的水源及介質(zhì)在設(shè)備內(nèi)結(jié)垢。

1.2 間接換熱技術(shù)

熱泵系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、膨脹閥（卸壓閥）、蒸發(fā)器、冷凝器組成。傳熱工質(zhì)由蒸發(fā)器前往壓縮機(jī)，經(jīng)壓縮后成為高溫高壓氣體，再經(jīng)冷凝器換熱釋放熱量，熱量被原油帶走，之后變?yōu)楦邏旱蜏貧庖夯旌衔铮俳?jīng)膨脹閥變?yōu)榈蛪旱蜏貧怏w進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)吸熱，吸收外界低品位的熱能，最后蒸發(fā)器出來的低壓氣體再次進(jìn)入壓縮機(jī)完成循環(huán)。這期間，傳熱工質(zhì)在機(jī)組內(nèi)封閉運(yùn)行，并通過冷凝器和蒸發(fā)器與外部發(fā)生熱交換[4-6]。熱泵工藝流程如圖1所示。

圖1 熱泵工藝流程Fig.1 Process flow of heat pump

熱泵按熱源種類不同分為空氣源熱泵、水源熱泵、雙源熱泵（水源熱泵和空氣源熱泵結(jié)合）、地源熱泵等；按照壓縮機(jī)動(dòng)力類型，又分為吸收式熱泵、電驅(qū)式熱泵等?？諝庠礋岜眠m用于非嚴(yán)寒地區(qū)且地源熱泵打井費(fèi)用過高的區(qū)域；水源熱泵適用于污水余熱回收，有熱力井且可以利用的區(qū)域；雙源熱泵適用于北方嚴(yán)寒地區(qū)且全年加熱的區(qū)域；地源熱泵適用于北方嚴(yán)寒地區(qū)僅冬季加熱的區(qū)域[7]。

1.3 應(yīng)用情況

油田傳統(tǒng)的地面加熱設(shè)備主要有燃油鍋爐、燃煤鍋爐、燃?xì)忮仩t和電鍋爐。由于環(huán)保的強(qiáng)制規(guī)定，燃油鍋爐和燃煤鍋爐逐漸被淘汰，燃?xì)忮仩t也存在碳排放、污染、危險(xiǎn)等因素。熱泵技術(shù)相比電加熱具有絕對(duì)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，目前在單井罐、計(jì)量站、轉(zhuǎn)油站、聯(lián)合站、管道外輸?shù)软?xiàng)目中都有應(yīng)用，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，工況良好[8-9]。

通過打淺層水井，利用地上循環(huán)泵循環(huán)取熱提供熱量，給單井罐進(jìn)行伴熱；在計(jì)量站，通過打淺層水井，利用地上循環(huán)泵循環(huán)取熱提供單井流程加熱和集油匯管加熱；在轉(zhuǎn)油站、聯(lián)合站，應(yīng)用熱泵技術(shù)，利用聯(lián)合站低溫污水對(duì)預(yù)脫水原油和原穩(wěn)原油進(jìn)行加熱。

2 403平臺(tái)余熱利用試驗(yàn)及分析

403平臺(tái)日產(chǎn)液量650 m3、含水率70%，產(chǎn)氣量5.0×104m3，注水量900 m3。站內(nèi)有燃?xì)饧訜釥t3臺(tái)，冷卻塔1臺(tái)，其中加熱爐用于油氣加熱、大罐伴熱、冬季采暖。平臺(tái)有2口水源井，出水平均溫度80℃，需要經(jīng)冷卻塔冷卻后再通過注水泵進(jìn)行注水。該平臺(tái)集輸工藝流程如圖2所示。

圖2 集輸工藝流程Fig.2 Process flow of gathering and transportation

2.1 試驗(yàn)方案

403平臺(tái)水源井溫度80℃，流量1 000 m3/d，該方案選擇超高效換熱器，換熱方式采取一次換熱（產(chǎn)出液和天然氣、采暖伴熱的循環(huán)水以及熱力井的熱源水同時(shí)直接進(jìn)入換熱器換熱），回收利用403平臺(tái)水源井熱水熱量，用于加熱產(chǎn)出液及天然氣，同時(shí)滿足站內(nèi)冬季采暖和伴熱的需求，取代原有天然氣加熱爐。此方案在保證平臺(tái)加熱需要的同時(shí)可減少天然氣的消耗，取消冷卻塔，減少碳排放。

2.2 設(shè)備選型

超高效換熱器外殼筒體為304不銹鋼，換熱管為B10防腐鎳白銅管，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：①熱水走管程、原油走殼程，內(nèi)部管程有300多根，增加換熱面積，換熱效率高，加熱效果理想；②采用鎳白銅材料防腐，采用大通道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的超高效換熱器防堵。

2.3 換熱面積計(jì)算

根據(jù)該平臺(tái)產(chǎn)液量、產(chǎn)氣量、水源井出水量，按照換熱面積計(jì)算公式，計(jì)算出換熱器的換熱面積。計(jì)算公式為

式中：F為換熱面積，m2；Q為總的換熱量，W；K為傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)； Δtm為對(duì)數(shù)平均溫差，℃；平均溫差t1=熱介質(zhì)的進(jìn)口溫度-冷介質(zhì)的出口溫度，平均溫差t2=熱介質(zhì)的出口溫度-冷介質(zhì)的進(jìn)口溫度。

根據(jù)以上公式計(jì)算得出采暖伴熱需選用換熱面積為70 m2的超高效換熱器1臺(tái)，產(chǎn)出液和天然氣加熱需選用換熱面積為80 m2的超高效換熱器3臺(tái)。

設(shè)備管路示意圖如圖3所示。

圖3 設(shè)備管路示意圖Fig.3 Schematic diagram of equipment pipeline

2.4 試驗(yàn)效果

該項(xiàng)目于2018年12月26日投產(chǎn)，通過換熱器換熱，水源井水溫由79℃降到59℃，采暖循環(huán)水溫度由61℃提到71℃，原油溫度由28℃提高到56℃，滿足了原油加熱脫水、采暖和大罐伴熱需求，3臺(tái)加熱爐、1臺(tái)冷卻塔全部停用，換熱效率達(dá)到93%，試驗(yàn)效果理想。

2.5 經(jīng)濟(jì)效益分析

本項(xiàng)目采用技術(shù)服務(wù)的方式實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移，服務(wù)期為6年，年付服務(wù)費(fèi)用46萬元，單個(gè)服務(wù)期簽訂合同，服務(wù)期滿該項(xiàng)目所有設(shè)施歸南堡油田所有。

試驗(yàn)前年燃?xì)?、?dòng)力、維護(hù)費(fèi)用101.74萬元，試驗(yàn)后年服務(wù)費(fèi)用46萬元，年利潤(rùn)55.7萬元，減少碳排量折合789 t標(biāo)準(zhǔn)煤。余熱回收利用前后費(fèi)用對(duì)比見表2。

表2 403平臺(tái)余熱回收利用前后費(fèi)用對(duì)比Tab.2 Cost comparison of 403 Platform before and after recovering and using waste heat

3 南堡油田余熱資源

南堡油田余熱資源豐富，水源井采出水溫度達(dá)到70℃以上，1號(hào)構(gòu)造采出液脫水處理后外輸給1、2、3號(hào)島的水溫也達(dá)到46℃，可以充分利用余熱代替加熱爐滿足生產(chǎn)用熱的需要[10]。南堡油田各島及平臺(tái)注水水源及處理后注水水源情況如表3所示。

表3 南堡油田各島及平臺(tái)注水水源情況Tab.3 Water injection source situation of platform and island in Nanpu Oilfield

南堡油田采出液加熱、采暖加熱爐總計(jì)21臺(tái)，年總耗氣量為393.4×104m3，若充分利用余熱，減少天然氣的消耗，將帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益。加熱爐用氣情況如表4所示。

表4 南堡油田加熱爐用氣情況Tab.4 Gas situation of heating furnaces in Nanpu Oilfield

表5 南堡油田平臺(tái)余熱及需求情況Tab.5 Waste heat and demand of platform and island in Nanpu Oilfield

4 余熱利用方案

計(jì)算各島及平臺(tái)原油外輸、采暖需求的熱量，對(duì)比當(dāng)前注水水量可提供的熱量，除4號(hào)島因?yàn)樽⑺康筒荒軡M足要求外，其余都可實(shí)現(xiàn)全部利用余熱加熱和采暖。其中新堡古2平臺(tái)、403平臺(tái)（已實(shí)施）采用換熱器形式，1號(hào)島采用熱泵形式，3-2平臺(tái)采用換熱器與熱泵組合模式，具體如表5所示。

新堡古2平臺(tái)總設(shè)計(jì)熱負(fù)荷78 kW，選用1臺(tái)功率為78 kW的換熱器滿足其供熱需要，采暖循環(huán)水進(jìn)水溫度56℃、回水溫度60℃。所需的水源井流量為7 m3/h，水源井設(shè)計(jì)供、回水溫度為65和62℃。

3-2平臺(tái)從流量為25 m3/h、70℃的水源井熱水中吸收熱量，對(duì)3-2平臺(tái)外輸油加熱，需采用1組熱泵系統(tǒng)；冬季時(shí)對(duì)采暖伴熱循環(huán)水加熱，采用1組超高效換熱器用于辦公樓采暖和平臺(tái)生產(chǎn)采暖；采用1組熱泵系統(tǒng)用于轉(zhuǎn)油站采暖季伴熱，以此取代原有的6套燃?xì)忮仩t。

1號(hào)島利用熱泵系統(tǒng)，從流量為320 m3/h、46℃的脫水處理后的采出水中吸收熱量，對(duì)1號(hào)島來液、外輸油加熱，共3組熱泵系統(tǒng)；冬季時(shí)對(duì)采暖伴熱循環(huán)水加熱，采暖加熱采用1組熱泵系統(tǒng)，以此取代原有的6套燃?xì)忮仩t。

5 結(jié)論及建議

（1）403平臺(tái)余熱利用項(xiàng)目成功投產(chǎn)，原油和采暖達(dá)到生產(chǎn)和生活需求，水源井水也達(dá)到停用冷卻塔直接回注的目的，且可實(shí)現(xiàn)年利潤(rùn)55.7萬元，減少碳排量折合789 t標(biāo)準(zhǔn)煤。

（2）南堡油田地?zé)豳Y源豐富，熱泵技術(shù)具有安全、環(huán)保、節(jié)能優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)按照余熱利用方案逐步在各平臺(tái)實(shí)施余熱利用項(xiàng)目，以減少天然氣消耗，增加公司效益。

（3）可以利用油田廢棄井，開發(fā)中低溫?zé)崮馨l(fā)電、供暖、原油加熱等技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、盤活資產(chǎn)。

（4）建議對(duì)南堡油田區(qū)塊進(jìn)行重新摸查，選取水量大、溫度高的探井作為新能源應(yīng)用于油田各個(gè)領(lǐng)域。