熱泵技術(shù)在油田地面工程中的應(yīng)用

黃 輝，邱偉偉 （中石化石油勘探開發(fā)研究院地面工程研究所，北京100191）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國油田每天可產(chǎn)含油污水190×104m3。這些油田污水溫度約在35～60℃之間，余熱回收潛力巨大。采用水源熱泵技術(shù)將這些污水熱能用于油田的生產(chǎn)和生活服務(wù)，可有效減少能耗及碳排放，是油田節(jié)能降耗的新途徑。另外，在偏遠(yuǎn)的井場或污水資源不足的油田，空氣源熱泵和地?zé)釤岜眉夹g(shù)采用取之不盡、用之不竭的空氣和地?zé)豳Y源作為低溫?zé)嵩矗o井場原油加熱，也是一種高效節(jié)能、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的新型方式。

1 熱泵技術(shù)基本原理

20世紀(jì)初，在卡諾理論的基礎(chǔ)上，熱泵技術(shù)開始發(fā)展。隨著20世紀(jì)70年代末能源價(jià)格的升高，熱泵節(jié)能、高效的特點(diǎn)引起了人們的重視，熱泵技術(shù)進(jìn)入了快速發(fā)展階段。20世紀(jì)80年代初在北歐瑞典、挪威等國家以污水為低溫?zé)嵩吹拇笮退礋岜谜鞠嗬^投入運(yùn)行。目前，熱泵技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，廣泛應(yīng)用于生活生產(chǎn)。瑞典斯德哥爾摩有40%的建筑物采用水源熱泵技術(shù)供熱，其中10%是利用污水處理廠的出水。

圖1 熱泵基本工作原理

常用的壓縮式熱泵機(jī)組主要由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器組成 （見圖1），其基本工作原理可分為蒸發(fā)吸熱階段 （從膨脹閥出來的低溫液態(tài)制冷劑，進(jìn)入蒸發(fā)器，與低溫?zé)嵩催M(jìn)行熱交換，制冷劑溫度升高，變?yōu)闅鈶B(tài)）、壓縮升溫階段 （制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)，變?yōu)楦邷馗邏簹怏w）、冷凝放熱階段 （高溫高壓制冷劑氣態(tài)進(jìn)入冷凝器后，與供熱循環(huán)水或所需供熱介質(zhì)進(jìn)行熱交換，溫度降低，變?yōu)橐簯B(tài)）、膨脹降溫階段 （液態(tài)的制冷劑繼續(xù)循環(huán)到膨脹閥，節(jié)流降溫，變?yōu)榈蜏氐蛪阂簯B(tài)制冷劑，輸送至蒸發(fā)器，繼續(xù)循環(huán)）4個(gè)階段。在循環(huán)過程中，制冷劑將低品位熱能與輸入電能之和轉(zhuǎn)換給換熱介質(zhì)，降低了電能的損耗，達(dá)到了節(jié)能的目的。

2 應(yīng) 用

2.1 聯(lián)合站的采暖及伴熱

1）大慶油田 大慶油田2000年開始將熱泵技術(shù)應(yīng)用于站場、生產(chǎn)輔助用房的生產(chǎn)用熱和采暖，其第五作業(yè)區(qū)、南七聯(lián)、南十聯(lián)等站場采用含油污水和生活污水為熱源，通過熱泵技術(shù)實(shí)現(xiàn)采暖以及聯(lián)合站內(nèi)的伴熱。下面以南七聯(lián)為例說明熱泵在大慶油田聯(lián)合站的應(yīng)用［1－3］。

南七聯(lián)合站應(yīng)用熱泵技術(shù)的工藝流程 （見圖2）為：污水站來部分含油污水經(jīng)升壓泵升壓后，至板式換熱器與清水換熱后回注。吸收污水熱能的清水，被送至熱泵機(jī)組，釋放熱能后，進(jìn)入開式水箱并循環(huán)使用。采暖水在熱泵機(jī)組內(nèi)吸收高品位熱能，送至采暖系統(tǒng)釋放熱量，供給用戶并循環(huán)使用。該工程2001年12月投產(chǎn)，從運(yùn)行情況看，采暖效果良好，當(dāng)室外溫度在－3～－26℃之間變化時(shí)，熱泵出水溫度為60.7～64.3℃，室溫始終保持在18℃ 左右，滿足南七聯(lián)冬季采暖要求，且能夠保證污水處理、脫水及注水等系統(tǒng)工藝的伴熱，伴熱效果能夠滿足生產(chǎn)需要。熱泵系統(tǒng)代替了原來的水套爐、鍋爐等設(shè)施，節(jié)約了燃料，操作簡單，降低了成本，每年可節(jié)約139t標(biāo)準(zhǔn)煤，靜態(tài)回收期為2年。

圖2 南七聯(lián)應(yīng)用熱泵技術(shù)工藝流程

2）遼河油田 遼河油田也在海南聯(lián)合站采用熱泵技術(shù)為油罐伴熱及站內(nèi)冬季采暖［4］，選用1臺LSBLGRG （I）－445W的含油污水超高溫水源熱泵機(jī)組，供冬季油罐伴熱、辦公樓供暖和夏季油罐伴熱。采用該項(xiàng)技術(shù)后，每年可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用73.2萬元。

遼河油田錦采歡三聯(lián)合站污水余熱利用熱泵系統(tǒng)主要有2臺熱泵機(jī)組、3臺污水循環(huán)泵、3臺中間循環(huán)泵、3臺末端循環(huán)泵、1臺污水軟水換熱器、1臺原油軟水換熱器。每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1189.8t，年節(jié)約一次能源消耗83.28×108kcal。

3）塔里木油田 塔里木油田桑吉作業(yè)區(qū) （生產(chǎn)污水量為3100m3／d，溫度為50℃）、塔中聯(lián)合站（生產(chǎn)污水量為4500m3／d，溫度為50℃）通過污水源熱泵機(jī)組供采暖或站內(nèi)生產(chǎn)用熱，可分別節(jié)約標(biāo)煤2.75t／d和4t／d，對于節(jié)能減排意義重大［5］。

2.2 注水站的采暖及注水泵冷卻

自2002年至今，大慶油田已在第二采油廠、第三采油廠、第七采油廠、第九采油廠、井下作業(yè)三大隊(duì)等建成投產(chǎn)10余座熱泵房［6］，以油田回注水作為低溫?zé)嵩?，采用熱泵技術(shù)用于房間采暖和提供冷卻水。下面以大慶油田薩西二注水站、葡Ⅰ－1注水站為例說明熱泵技術(shù)用于注水站的注水泵冷卻以及冬季采暖。

大慶油田薩西二注水站2002年開始采用熱泵技術(shù)，利用含油污水及注水電機(jī)冷卻水作低溫?zé)嵩?，制熱用于冬季采暖，制冷用于注水電機(jī)冷卻。冬季采暖運(yùn)行流程與聯(lián)合站流程相似。將注水電動機(jī)與冷卻水泵串聯(lián)，用電動機(jī)冷卻清水循環(huán)替代聯(lián)合站采暖流程中的普通清水循環(huán)。注水電機(jī)冷卻水經(jīng)電機(jī)升溫后，與污水在板式換熱器內(nèi)再次升溫作為熱泵的低溫?zé)嵩?。而夏季流程相?dāng)于冬季流程的逆循環(huán)，如圖3所示。

冷卻水經(jīng)注水電動機(jī)吸收熱量，循環(huán)至熱泵機(jī)組蒸發(fā)器，釋放熱量后，返回冷卻水箱，循環(huán)使用。循環(huán)清水在熱泵機(jī)組冷凝器內(nèi)吸收高品位熱能，循環(huán)至板式換熱器釋放熱量，返回開式水箱供循環(huán)使用。含油污水在板式換熱器內(nèi)吸收循環(huán)清水釋放的熱量，回注地下。經(jīng)驗(yàn)證，該系統(tǒng)采暖和冷卻效果都較好，室內(nèi)溫度保持在16～18℃之間，冷卻系統(tǒng)水溫穩(wěn)定在20～23℃ 之間。應(yīng)用該熱泵后每年可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用21.9萬元，靜態(tài)經(jīng)濟(jì)回收期為3年。

大慶油田葡Ⅰ－1注水站2009年開始應(yīng)用水源熱泵冷卻注水電機(jī)系統(tǒng)，同時(shí)冷卻余熱供注水站內(nèi)1600m2。建筑的冬季采暖［7］，具有良好的節(jié)能、節(jié)水效果，每年可節(jié)約181.66萬元，投入運(yùn)行65d即可回收投資。

圖3 注水站應(yīng)用熱泵技術(shù)的夏季運(yùn)行流程

2.3 井場原油加熱

江蘇油田2012年在樁13井區(qū)2口井 （日產(chǎn)液20m3／d）井場集輸中，采用空氣源熱泵技術(shù)代替電加熱 （見圖4），將稠油輸送至儲油罐。采用自動控制裝置，當(dāng)原油溫度低于45℃時(shí)，熱泵自動啟動；高于51℃時(shí)，熱泵停止加熱。熱泵本身帶有電加熱裝置，冬季時(shí)，若空氣溫度過低，可采用電加熱。采用熱泵技術(shù)管理方便，維護(hù)簡單，每天可節(jié)約用電83kW·h，經(jīng)濟(jì)回收期為2年。

河南張店油田井場儲油罐中原油加熱后才能放出拉運(yùn)。2008年對3口井應(yīng)用了地源熱泵式儲油罐加熱系統(tǒng)［8］，運(yùn)行效果較好，年節(jié)約費(fèi)用29.6萬元，對偏遠(yuǎn)稠油井生產(chǎn)具有很好的借鑒意義。

圖4 井口加熱工藝流程圖

2.4 熱泵供暖在油田的其他應(yīng)用

2006～2008年遼河油田供水公司在7座水源站開始使用水源熱泵技術(shù)供暖，供暖溫度為55～60℃，滿足實(shí)際需要［4］。采用水源熱泵技術(shù)供暖后，2008～2009和2009～2010采暖期分別節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用36.24萬元和26.42萬元，個(gè)別水源站投產(chǎn)3年后即可回收投資。

2009年，新疆重油開發(fā)公司在克淺污水處理站應(yīng)用熱泵技術(shù)采暖［9］，采暖效果較好，滿足冬季采暖要求，單個(gè)采暖期節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用37萬元。

3 注意事項(xiàng)

熱泵技術(shù)應(yīng)用于油田地面工程系統(tǒng)優(yōu)勢明顯，具有節(jié)能減排的重要意義，可以得到廣泛推廣。但是，在應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意以下問題：

（1）熱泵熱源形式多樣，油田常用的為污水源熱泵，主要應(yīng)用于注水站、聯(lián)合站等低溫污水資源豐富的場所。而空氣源熱泵只能在冬季環(huán)境溫度較高的南方油田應(yīng)用，而且適合于邊遠(yuǎn)零散油田。因此，熱泵的選擇應(yīng)根據(jù)油田自身資源條件及經(jīng)濟(jì)性，選擇性價(jià)比較高的推廣應(yīng)用。

（2）熱泵相對于鍋爐、電加熱爐等初始投資較高，對于供熱需求大，需要改造工程量較大的場所不建議進(jìn)行改造。在新建加熱系統(tǒng)或熱源充足的聯(lián)合站及注水站等，可考慮采用熱泵系統(tǒng)。另外，由于低溫?zé)嵩幢冒l(fā)展非常成熟，對采暖溫度及伴熱溫度要求不高的場所，可采用熱泵系統(tǒng)。

（3）油田污水中含油等雜質(zhì)，容易對設(shè)備腐蝕與附著，易結(jié)垢，嚴(yán)重影響水源設(shè)備的使用壽命和運(yùn)行效率，對水源熱泵系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。采用清水與污水進(jìn)行熱量交換，避免含油污水與熱泵主機(jī)的直接接觸，是解決該問題的方法之一，但是對于換熱器材料防腐提出了更高的要求。另外，高溫污水熱源泵技術(shù)尚不成熟，仍有待提高。

（4）由于空氣源熱泵在使用過程中涉及到隨著季節(jié)變化空氣溫度發(fā)生變化，尤其是冬季空氣溫度較低，熱泵系統(tǒng)效率降低，例如江蘇油田所采用空氣源熱泵工作溫度低于－5℃時(shí)，嚴(yán)重影響工作效率。因此，需要在冬季增加電加熱等輔助加熱措施。