于慶（大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠）

1 含油污水余熱評價

1.1 含油污水資源概況

X聯(lián)站內(nèi)的含油污水深度處理站，設(shè)計規(guī)模為7 500 m3/d，目前實際處理量為5 569 m3/d。設(shè)計處理后含油污水水質(zhì)：含油量≤8 mg/L；懸浮固體含量≤3 mg/L；懸浮物粒徑中值≤2μm。處理后含油污水溫度為37℃。可見X聯(lián)污水站含油污水水量十年預(yù)測見表1。

表1 X聯(lián)合站含油污水水量十年預(yù)測Tab.1 Ten year prediction of Oil-polluted water volume of X united station

1.2 污水余熱可利用潛力

目前，X聯(lián)合站含油污水全部回注地下，造成了熱量的浪費(fèi)。如采用熱泵技術(shù)，可以提取部分低溫含油污水熱能，生產(chǎn)高溫的熱能，用于替代站內(nèi)燃?xì)獾牟膳到y(tǒng)和工藝用熱系統(tǒng)熱源[1-3]。按照含油污水水量5 500 m3/d，提溫15℃時，可提取熱量4 MW；提溫13℃時，可提取熱量3.46 MW。

2 站場用熱現(xiàn)狀

2.1 X聯(lián)合站燃?xì)庠O(shè)備現(xiàn)狀

X聯(lián)合站內(nèi)已建加熱爐共8臺，其中摻水爐3臺，外輸爐2臺，采暖爐2臺，熱水爐1臺；已建五合一裝置5臺，四合一裝置2臺。

2.2 可替代加熱爐熱負(fù)荷及參數(shù)

由于X聯(lián)合站的含油污水水量水溫的限制，利用熱泵技術(shù)可提供的熱量有限，四合一、五合一裝置功能較多，不適合替代，熱水爐供熱溫度為85℃，溫度過高，也不適合替代，只有采暖、外輸及摻水用熱負(fù)荷可以替代。

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查、往年的運(yùn)行數(shù)據(jù)以及工藝需要，采暖加熱爐最冷季的實際供水溫度為70℃，外輸爐出口溫度為65℃（夏季）、75℃（冬季），摻水。爐出口溫度為65℃（夏季）、70℃（冬季）。

根據(jù)加熱介質(zhì)的不同，采暖系統(tǒng)熱水可以直進(jìn)熱泵機(jī)組；外輸爐為凈化油，摻水爐為含油污水，這2種介質(zhì)均不能直進(jìn)熱泵機(jī)組，須經(jīng)換熱器換熱?？梢奨聯(lián)地區(qū)采暖、外輸及摻水熱負(fù)荷、參數(shù)見表2。

表2 X聯(lián)合站地區(qū)采暖、外輸及摻水熱負(fù)荷、參數(shù)Tab.2 Heat load and parameters of heating，export and water mixing of X united station

3 熱泵機(jī)組型式選擇

3.1 熱泵機(jī)組型式

熱泵機(jī)組按驅(qū)動力分類，主要有兩種類型，即壓縮式和吸收式熱泵。吸收式熱泵機(jī)組又分為第Ⅰ類（增熱型通過利用少量高溫?zé)嵩吹臒崮埽a(chǎn)生大量中溫有用的熱能）和第Ⅱ類（升溫型通過利用大量中溫?zé)嵩吹臒崮?，產(chǎn)生少量高溫有用的熱能）。壓縮式熱泵工質(zhì)依靠機(jī)械功（壓縮機(jī)）驅(qū)動工質(zhì)在熱泵中循環(huán)流動，從而連續(xù)的將熱量從低溫?zé)嵩础氨盟汀钡礁邷責(zé)釁R供給用戶[4]。吸收式熱泵則是用熱能驅(qū)動工質(zhì)循環(huán)，實現(xiàn)對熱能的“泵送”功能[5]。

3.2 熱泵機(jī)組性能

根據(jù)含油污水現(xiàn)狀，可供選擇的熱泵機(jī)組有兩種2種型式熱泵機(jī)組性能對比見表3，一種是電動壓縮式熱泵機(jī)組，另一種是燃?xì)馕帐綗岜脵C(jī)組（Ⅰ類）。

表3 2種型式熱泵機(jī)組性能對比Tab.3 Performance comparison of two types of heat pump units

3.3 電動壓縮式熱泵機(jī)組供熱

3.3.1 熱泵站規(guī)模及供熱負(fù)荷

含油污水直進(jìn)熱泵機(jī)組，污水用量5 500 m3/d，按照平均COP為4，含油污水最高提溫15℃，熱泵機(jī)組的最大供熱量為5.33 MW，采用電動壓縮式熱泵機(jī)組可替代用熱負(fù)荷及參數(shù)見表4。

根據(jù)采暖和工藝用熱負(fù)荷情況，熱泵站需設(shè)置2套循環(huán)系統(tǒng)，1套用于采暖系統(tǒng)，1套用于工藝用熱系統(tǒng)。為保障運(yùn)行可靠，熱泵站新建3臺2 MW電動壓縮式熱泵機(jī)組，夏季運(yùn)行2臺熱泵機(jī)組，冬季熱泵機(jī)組全部運(yùn)行。

3.3.2 熱泵站運(yùn)行方式

從表4中可以看出采用電動壓縮式熱泵機(jī)組可以滿足夏季全部工藝用熱負(fù)荷，夏季外輸爐和摻水爐全部停運(yùn)。冬季優(yōu)先滿足采暖負(fù)荷，按照加熱介質(zhì)溫度不同，剩余負(fù)荷優(yōu)先替代摻水（70℃）和外輸（75℃）。采暖初末期，運(yùn)行1臺熱泵機(jī)組供采暖系統(tǒng)；2臺熱泵機(jī)組供工藝用熱系統(tǒng)。隨著采暖負(fù)荷的增加，超過2 MW時，需運(yùn)行2臺熱泵機(jī)組給采暖系統(tǒng)供熱，1臺熱泵用于工藝系統(tǒng)供熱，工藝系統(tǒng)供熱負(fù)荷由4 MW降至2.61 MW。因此，冬季采暖爐停運(yùn)，外輸爐和摻水爐各運(yùn)行1臺。

表4 采用電動壓縮式熱泵機(jī)組可替代用熱負(fù)荷及參數(shù)Tab.4 Alternative heat load and parameters of electric compression heat pump unit

3.3.3 熱泵站供熱參數(shù)的確定

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查、往年的運(yùn)行數(shù)據(jù)以及工藝需要，采暖加熱爐最冷季的實際供水溫度為70℃，脫水爐的出口溫度為55℃，外輸爐出口溫度為65℃（夏季）、75℃（冬季），摻水爐出口溫度為65℃（夏季）、70℃（冬季）。根據(jù)加熱介質(zhì)的不同，采暖系統(tǒng)熱水可以直進(jìn)熱泵機(jī)組；外輸爐為凈化油，摻水爐為含油污水，這二種介質(zhì)均不能直進(jìn)熱泵機(jī)組，須經(jīng)換熱器換熱?？紤]換熱器最小端差5℃，夏季外輸和摻水要求的出口溫度65℃，確定熱泵站出口溫度至少70℃，同時根據(jù)實際采暖系統(tǒng)供回水溫度70/55℃，確定熱泵機(jī)組供熱端設(shè)計供回水溫度70/55℃。由于外輸爐進(jìn)口溫度55℃，確定外輸換熱系統(tǒng)回水溫度60℃，摻入55℃熱泵站回水。

確定電動壓縮式熱泵機(jī)組供熱端設(shè)計供回水溫度70/55℃，采暖系統(tǒng)與工藝用熱系統(tǒng)參數(shù)相同。

3.4 燃?xì)馕帐綗岜脵C(jī)組供熱

3.4.1 熱泵站規(guī)模及供熱負(fù)荷

采用燃?xì)馕帐綗岜脵C(jī)組方案，含油污水不能直進(jìn)熱泵機(jī)組，需要經(jīng)過中間換熱器換熱[9]，污水用量5 500 m3/d，按照COP為1.67，含油污水最高提溫13℃，中間水最高取溫13℃，熱泵機(jī)組的最大供熱量為8.53 MW，采用燃?xì)馕帐綗岜脵C(jī)組可替代用熱負(fù)荷及參數(shù)見表5。

根據(jù)熱負(fù)荷情況，熱泵站新建3臺3.5 MW燃?xì)馕帐綗岜脵C(jī)組，夏季運(yùn)行1臺熱泵機(jī)組，最冷季熱泵機(jī)組全部運(yùn)行，總供熱負(fù)荷可以達(dá)到8.66 MW。

3.4.2 熱泵站運(yùn)行方式

從表5中可以看出采用燃?xì)馕帐綗岜脵C(jī)組可以滿足夏季全部工藝用熱負(fù)荷，夏季外輸爐和摻水爐全部停運(yùn)。冬季除外輸要求75℃不能滿足，需進(jìn)行二次加熱，采暖爐、摻水爐全部停運(yùn)。夏季運(yùn)行1臺熱泵機(jī)組替代外輸和摻水負(fù)荷；冬季運(yùn)行1臺熱泵機(jī)組替代采暖負(fù)荷[10]，運(yùn)行2臺熱泵機(jī)組替代外輸和摻水負(fù)荷。

表5 采用燃?xì)馕帐綗岜脵C(jī)組可替代用熱負(fù)荷及參數(shù)Tab.5 Alternative heat load and parameters of Gas absorption heat pump unit

3.4.3 熱泵站供熱參數(shù)的確定

根據(jù)含油污水溫度和工藝加熱介質(zhì)溫度要求，確定用于工藝加熱系統(tǒng)的燃?xì)馕帐綗岜脵C(jī)組供熱端設(shè)計參數(shù)為80/60℃。

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查、往年的運(yùn)行數(shù)據(jù)以及工藝需要，采暖加熱爐最冷季的實際供水溫度為70℃，脫水爐的出口溫度為55℃，確定用于采暖系統(tǒng)的燃?xì)馕帐綗岜脵C(jī)組供熱端設(shè)計參數(shù)為70/55℃。

3.5 熱泵方案對比

X聯(lián)合站采用熱泵機(jī)組回收利用含油污水余熱，根據(jù)選用的熱泵機(jī)組型式可按2個熱泵站方案，方案一選用電動壓縮式熱泵，方案二選用燃?xì)馕帐綗岜?，站?nèi)含油污水余熱利用以能用盡用為原則，由于壓縮式熱泵與吸收式熱泵提取相同的余熱量，供熱負(fù)荷不同，在熱泵站實施前后站內(nèi)總用熱負(fù)荷不變的前提下，對該工程2個熱泵站方案進(jìn)行比選。

X聯(lián)合站冬季供暖和工藝（摻水和外輸）熱負(fù)荷8.88 MW，夏季工藝（摻水和外輸）熱負(fù)荷2.88 MW。站內(nèi)含油污水量為5 500 m3/d，溫度35℃，采用電動壓縮式熱泵最大供熱負(fù)荷為5.33 MW，采用燃?xì)馕帐綗岜脵C(jī)組的最大供熱負(fù)荷為8.53 MW。按照熱量平衡進(jìn)行方案對比，供熱負(fù)荷對比見表6。

表6 供熱負(fù)荷對比Tab.6 Comparison of heating load

按照供熱負(fù)荷冬季8.88 MW，夏季2.88 MW進(jìn)行方案對比。方案一與方案二實施后，X聯(lián)合站供熱能耗和運(yùn)行成本的變化見表7。

表7 X聯(lián)合站供熱能耗和運(yùn)行成本變化Tab.7 Comparison of heating energy consumption and operation cost of X combined station

4 經(jīng)濟(jì)效益

采用方案一電動壓縮式熱泵，年增加電耗871.3×104kWh/a，節(jié)約天然氣393.1×104m3/a（標(biāo)況），年節(jié)約3 702.6 t標(biāo)煤。

采用方案二燃?xì)馕帐綗岜茫暝黾与姾?5.6×104kWh/a，節(jié)約天然氣261.5×104m3/a（標(biāo)況），年節(jié)約3 057.9 t標(biāo)煤。

方案一比方案二節(jié)能效果好，多節(jié)約644.7 t標(biāo)煤；方案一建設(shè)投資比方案二少699.88萬元，一次性投資少；方案一投資及十年費(fèi)用現(xiàn)值比方案二多1 183.94萬元，方案一稅后收益率為-11.17%，方案二稅后收益率為8.82%。電價為0.720元/kWh（含增值稅）；天然氣價格為1.64元/m3（含增值稅）。方案一年運(yùn)行成本比方案二高280.92萬元。

綜合對比，方案二采用吸收式熱泵機(jī)組雖然投資高，節(jié)能量少，但站內(nèi)供熱能耗運(yùn)行費(fèi)用較低，投資收益率高。

5 結(jié)論

聯(lián)合站的含油污水直接回注地下，會造成污水余熱的浪費(fèi)，實現(xiàn)污水余熱的有效利用是一種切實可行的節(jié)能方式。關(guān)于聯(lián)合站污水余熱利用的熱泵選用，在伴生氣不足的地區(qū)，可優(yōu)先選用電動壓縮式熱泵，其在投資和節(jié)能量上具有明顯的優(yōu)勢。在伴生氣富足的地區(qū)，可優(yōu)先選用燃?xì)馕帐綗岜?，既能減少伴生氣的浪費(fèi)，又能達(dá)到較高的投資收益率。