熱泵技術在油田污水余熱回收工程的應用

張祖峰 李彥 倪心富 姬瑞（大港油田第六采油廠工藝研究所）

熱泵技術在油田污水余熱回收工程的應用

張祖峰 李彥 倪心富 姬瑞（大港油田第六采油廠工藝研究所）

針對孔店油田產(chǎn)出污水處理合格后外排，污水中的大量余熱散失到環(huán)境中，造成熱量浪費和環(huán)境熱污染等問題，研究應用了吸收式水源熱泵技術，該技術以油田伴生氣為驅動源，提取外排污水余熱，替代孔店聯(lián)合站現(xiàn)有加熱爐加熱系統(tǒng)。通過熱泵技術的應用，實現(xiàn)了污水余熱回收利用，提高了孔店聯(lián)合站加熱系統(tǒng)熱能利用效率，減少了煙塵和氮氧化物的排放量，達到了節(jié)能減排的目的。

熱泵技術 油田污水 余熱 板式換熱器 節(jié)能減排

引言

熱泵技術的應用在上世紀 60年代起源于美國，主要用于建筑行業(yè)，進入70年代，熱泵工業(yè)迎來了黃金時期，并被世界各國所重視，到 90年代末，熱泵技術被引進到中國，并得到了蓬勃發(fā)展。在北京、上海、廣州等城市已規(guī)模應用地源熱泵技術為居民供暖和制冷。在 2008年北京奧運會主體育場“鳥巢”中，地源熱泵也得到了應用。在勝利油田和華北油田應用了吸收式水源熱泵提取污水余熱給生活采暖供熱。

孔店油田位于河北省黃驊市孔韓莊西。隨著油田勘探開發(fā)規(guī)模的不斷擴大，油田產(chǎn)液量逐年增高，目前，孔店油田每天產(chǎn)出污水 7300m3，產(chǎn)出污水的年平均溫度在 48～52 ℃，因為污水溫度高，無法滿足油田污水生化處理系統(tǒng)要求，需要進行降溫處理，經(jīng)計算每小時散失熱量 5000kW左右，增加了污水處理成本，同時造成了污水中的大量熱能浪費。

1 工藝現(xiàn)狀

孔店聯(lián)合站擔負著孔店油田的原油和污水處理，以及大港南部油田的來油加熱和轉輸任務。其主體工藝為：油田產(chǎn)出液經(jīng)過加熱爐升溫后進入分離緩沖罐脫氣，再進入沉降罐沉降脫水，沉降后的低含水原油進入儲油罐，和南部來油一起加熱后轉輸；污水則進入污水處理系統(tǒng)，經(jīng)過一次處理后，部分污水作為油田回注水注入地層，剩余污水經(jīng)冷卻塔降溫后進行生化處理，達到國家二級排放標準后外排 （圖1）。站內(nèi)加熱系統(tǒng)主要由 6具加熱爐組成，分別為南部來油、脫水系統(tǒng)、原油外輸、油田產(chǎn)出液、油田摻水、生活采暖供熱，最高負荷為8403kW，加熱爐燃料為油田伴生氣和原油，年消耗天然氣 401×104m3，原油 3409.5t。

圖1 孔店聯(lián)合站原有主體工藝流程

2 技術原理

結合孔店聯(lián)合站主體工藝現(xiàn)狀，在不改變其他工藝的情況下，以油田伴生氣為驅動源，應用吸收式水源熱泵技術，提取外排污水余熱，利用列管換熱器對需熱介質進行加熱，替代傳統(tǒng)加熱爐加熱工藝，實現(xiàn)污水余熱回收再利用。

2.1熱泵工作原理

熱泵機組主要由蒸發(fā)器、吸收器、發(fā)生器、冷凝器 4部分組成 （圖2），以天然氣為驅動源，利用冷媒介質的氣液轉化，以溴化鋰溶液為載體，提取熱源污水中的低品位余熱，并完成低品位熱能向高品位熱能的轉變，服務于油田生產(chǎn)。

在蒸發(fā)器中，中介水與液態(tài)冷媒介質進行熱交換，液態(tài)冷媒介質吸熱氣化變成冷媒蒸汽進入吸收器，完成污水余熱回收。

在吸收器中，高溫高濃溴化鋰溶液吸收冷媒蒸汽后，變成低溫低濃溴化鋰溶液，釋放的熱量被熱媒水吸收，實現(xiàn)低品位余熱利用。

在發(fā)生器中，來自吸收器的低溫低濃溴化鋰溶液加熱后變?yōu)楦邷馗邼怃寤嚾芤海瑫r產(chǎn)生大量的高溫冷媒蒸汽進入冷凝器。

在冷凝器中，高溫冷媒蒸汽與熱媒水進行第二次熱交換，冷媒蒸汽放出熱量后液化變成液態(tài)冷媒介質進入蒸發(fā)器，同時產(chǎn)生高溫熱媒水。

圖2 熱泵工作原理圖

2.2熱泵系統(tǒng)熱交換工藝過程（圖3）

2.2.1 熱源污水放熱

利用泵給熱源污水提供動力進入板式換熱器，在板式換熱器內(nèi)，熱源污水與中介水發(fā)生熱交換，換熱后的熱源污水進入污水處理系統(tǒng)進行一次處理后，部分污水作為油田回注水注入地層，剩余污水進行生化處理，達到國家二級排放標準后外排。

2.2.2 中介水循環(huán)

利用泵給中介水提供動力進入板式換熱器，在板式換熱器內(nèi)，中介水提取熱源污水中的余熱，升溫后的中介水進入熱泵機組，在熱泵的蒸發(fā)器內(nèi)與液態(tài)冷媒介質發(fā)生熱交換，換熱后的中介水重新進入板式換熱器提取熱源污水余熱。

2.2.3 熱媒水循環(huán)

利用泵給熱媒水提供動力進入熱泵機組，在熱泵吸收室內(nèi)，熱媒水進行一次熱交換后進入冷凝室，二次熱交換后變成高溫熱媒水，產(chǎn)生的高溫熱媒水進入列管換熱器與需熱介質進行熱交換，換熱后的熱媒水重新進入熱泵進行熱交換。

2.2.4 需熱介質吸熱

需熱介質進入列管式換熱器，與熱泵機組出來的高溫熱媒水發(fā)生熱交換，升溫后的需熱介質溫度達到生產(chǎn)要求。

圖3 熱泵系統(tǒng)熱交換工藝簡圖

2.3技術難題及創(chuàng)新

2.3.1 如何提高板式換熱器的換熱效率

針對水源熱泵的熱源為油田產(chǎn)出污水易結垢的難題，配套了板式換熱器清洗除垢工藝，并對垢的組成和成垢周期進行了分析，篩選了有效的除垢劑，制定了周期除垢措施。

2.3.2 如何提高熱泵機組運行的穩(wěn)定性

針對熱泵機組的驅動源為油田伴生氣穩(wěn)定性差的難題，在熱泵機組的前端增加了伴生氣穩(wěn)壓處理裝置，同時對熱泵機組設置了低壓停機保護系統(tǒng)。

2.3.3 如何準確匹配列管換熱器的供熱量

針對需熱介質的需熱量不同，列管換熱器準確匹配供熱量的難題，在列管換熱器前端配套自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過自動調(diào)節(jié)高溫熱媒水循環(huán)水量，匹配不同需熱介質的供熱量。

3 孔店油田余熱回收工程應用

孔店聯(lián)合站在不改變主體工藝的情況下，應用2臺水源式熱泵消耗油田伴生氣，提取熱源污水余熱產(chǎn)生高溫熱媒水，通過5具列管換熱器給孔店聯(lián)合站脫水系統(tǒng)、油田產(chǎn)出液、油田摻水、冬季生活采暖、原油外輸加熱，替代原有加熱爐加熱系統(tǒng)。熱泵系統(tǒng) （圖4）投運后運行平穩(wěn)，孔店聯(lián)合站各需熱系統(tǒng)加熱溫度能夠滿足實際生產(chǎn)要求 （表1）。

圖4 應用熱泵技術后孔店聯(lián)合站主要工藝示意圖

表1 目前熱泵系統(tǒng)的生產(chǎn)參數(shù)運行狀況

4 效果評價

孔店聯(lián)合站加熱系統(tǒng)在進行熱泵技術改造前后，經(jīng)具有資質的第三方檢測機構進行了能耗測試，測試方法為“效果比較測定法”，測試結果顯示應用熱泵技術回收利用污水余熱與傳統(tǒng)加熱爐加熱系統(tǒng)相比，具有很好的節(jié)能效益和社會效益（表2）。

表2 應用熱泵技術前后能源消耗對比

依據(jù)第三方測試數(shù)據(jù)：孔店聯(lián)合站加熱系統(tǒng)應用熱泵技術改造前，加熱系統(tǒng)能源消耗總量為33035.34MJ/h，所有熱量均由加熱爐燃燒油田伴生氣或原油提供；改造后，加熱系統(tǒng)能源消耗總量為27621.62MJ/h， 其 中 22680.80MJ/h 由 熱 泵 和 加 熱爐消耗 油 田 伴 生氣提 供 ， 另 外 4940.8MJ/h 為熱泵系統(tǒng)從污水預熱中提取。通過對比，新系統(tǒng)應用后節(jié) 約 能 源 量 為 10354.52MJ/h， 原 油低 位 發(fā) 熱 值 按41.868MJ/kg 計 算 ， 則 每 小 時 節(jié) 約 原 油 247.31kg，原 油 價 格 按 照 4696 元/t計 算 ， 年 節(jié) 約 資 金 1017.4萬元。

5 認識

熱泵系統(tǒng)與加熱爐供熱系統(tǒng)相比，具有更高的熱利用率，同時熱泵機組實現(xiàn)了生產(chǎn)中低品位熱能的回收，并應用于油田生產(chǎn)，減少了煙塵和氮氧化合物的排放，節(jié)能減排效果顯著。

熱泵系統(tǒng)現(xiàn)場應用自動化程度高，通過網(wǎng)絡組態(tài)技術實現(xiàn)了生產(chǎn)參數(shù)自動錄取及動態(tài)監(jiān)測；應用PLC 技術實現(xiàn)了生產(chǎn)運行的自動控制，員工勞動強度明顯降低。

水源熱泵技術在油田的應用，需要有充足的低溫污水作為熱源和連續(xù)的油田伴生氣作為熱泵的驅動源，在應用熱泵技術的前期調(diào)研中要對這兩個關鍵參數(shù)做好預測。

列管換熱器是熱泵系統(tǒng)中熱轉換的關鍵設備之一，其換熱面積大小決定了換熱效果，在換熱器的選型和換熱面積計算時，要充分做好介質需熱量和換熱面積的匹配。

熱泵技術作為一項新技術在油田現(xiàn)場應用時，應充分考慮聯(lián)合站生產(chǎn)工藝的適應性，為確保安全穩(wěn)定運行，可適當保留部分加熱工藝，作為熱泵檢修時的備用工藝。

6 結束語

大港油田孔店聯(lián)合站成功應用熱泵技術回收利用油田污水余熱，替代傳統(tǒng)加熱爐加熱系統(tǒng)，熱泵機組整體橇裝，施工簡便；自動控制程度高，員工勞動強度??；余熱回收利用率高，節(jié)能效果顯著。同時為特高含水油田原油加熱處理和污水降溫處理系統(tǒng)實現(xiàn)高效平穩(wěn)運行開辟了新途徑，對熱泵技術服務于油田生產(chǎn)，實現(xiàn)節(jié)能減排具有借鑒作用。

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.002.004

2012-09-05）

張祖峰，工程師，2003 年畢業(yè)于石油大學 （華東）， 從 事 石 油 開 采 工 作 ， E-mail： 648447553@qq.com， 地 址 ： 河北黃驊大港油田第六采油廠工藝研究所，061100。