文 // 王莉莉 黨偉 中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院 于承迎 北京節(jié)能環(huán)保中心
圖1 聯(lián)合站工藝流程示意圖
表1 聯(lián)合站加熱負(fù)荷
目前,我國大部分油田已進(jìn)入中后開采期,采出液含水率高,東部老油田多數(shù)含水率已達(dá)80%以上,油田產(chǎn)出污水量大,僅中石化各油田產(chǎn)水量就超過940000m3/d。污水產(chǎn)出水溫度一般50℃左右,余熱資源豐富,產(chǎn)出污水一般處理后直接回注地層,其中大量的熱能沒有充分利用而被浪費,同時為保證油田聯(lián)合站生產(chǎn)運(yùn)行所需熱能,需要消耗大量燃料油、天然氣、煤。若將污水余熱回收利用,可降低燃料消耗,符合國家有關(guān)節(jié)能減排的政策要求。
本文以中石化某聯(lián)合站污水余熱回收利用為例,研究污水余熱回收利用技術(shù)及效益。
該聯(lián)合站設(shè)計液量處理能力30000m3/d,實際處理液量19300m3/d,原油外輸量700t/d,采用熱化學(xué)沉降、電脫水原油處理工藝。污水量為13000m3/d,采用“除油-氣?。两担^濾”的處理工藝,處理后的污水用于油田注水。聯(lián)合站原油及污水處理工藝詳見圖1。
聯(lián)合站內(nèi)主要的加熱負(fù)荷為外輸原油加熱、摻水加熱、稠油加熱及建筑采暖。聯(lián)合站建有10臺加熱爐,其中2臺用于稠油進(jìn)站加熱及脫水加熱,2臺用于原油外輸加熱,3臺用于取暖,3臺用于摻水加熱,全部為燃?xì)饧訜釥t。聯(lián)合站冬季負(fù)荷為8147.8kW,用氣量20000m3/d;非冬季負(fù)荷為4895.1kW,用氣量12000m3/d。加熱負(fù)荷具體見表1。
該聯(lián)合站污水量為13000m3/d,溫度為46℃,采用熱泵技術(shù)回收污水余熱,按照熱泵可產(chǎn)生熱源溫降為10℃的熱量計算,該聯(lián)合站污水余熱可回收熱負(fù)荷為6319kW,熱值為199300GJ/a,相當(dāng)于天然氣17500m3/d的熱量,可滿足原油外輸、摻水所需熱量(5478.5kW)。
⑴ 低溫?zé)嵩磽Q熱器一次側(cè)進(jìn)口溫度46℃、出口溫度36℃,二次側(cè)進(jìn)口溫度32℃、出口溫度42℃。
⑵ 摻水換熱器一次側(cè)進(jìn)口溫度77℃、出口溫度67℃,二次側(cè)進(jìn)口溫度50.9℃、出口溫度70℃。
⑶ 原油換熱器一次側(cè)進(jìn)口溫度77℃、出口溫度67℃,二次側(cè)進(jìn)口溫度49℃、出口溫度70℃。
采用8500kW蓄能式高溫水源熱泵機(jī)組。由于峰谷電價相差較大,熱泵系統(tǒng)在電價平、谷電價期,熱泵機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn),將產(chǎn)生的多余熱量儲存于蓄能水罐中,在電價尖峰電價期,停運(yùn)熱泵機(jī)組,采用蓄能水罐中的熱水用于摻水及原油加熱。
主要工藝流程為:污水通過低溫?zé)嵩幢迷鰤汉笈c低溫循環(huán)水換熱,溫度由46℃降低到36℃,然后回注。低溫循環(huán)水吸收污水中的余熱,溫度從32℃升高到42℃。高溫?zé)岜孟到y(tǒng)中通過蒸發(fā)器吸收低溫循環(huán)水中的熱能,輸出溫度為77℃的熱水,向蓄能水罐、摻水換熱器和原油加熱換熱器供熱,經(jīng)過換熱器后的熱水溫度降低至67℃。摻水溫度從50.9℃提升至70℃,原油溫度從49℃提升至70℃。工藝流程見圖2。
3.3.1 換熱器
板式換熱器同管式換熱器相比,傳熱系數(shù)高,結(jié)構(gòu)緊湊,重量輕,熱損失小,不易結(jié)垢。其缺點是,由于板片間通道窄,當(dāng)換熱介質(zhì)含有較大顆粒或纖維物質(zhì)時,容易堵塞板間通道。
該聯(lián)合站處理后的污水含油、懸浮物較少,不易堵塞板式換熱器。故本工程采用板式換熱器。換熱器前安裝過濾器,解決水中雜質(zhì)堵塞問題。采用Na3PO4、Na4P2O7、(NaPO3)6、Na5P3O10等防垢劑解決換熱器結(jié)垢的問題。
按照冬季的加熱負(fù)荷計算換熱器的換熱面積,低溫?zé)嵩磽Q熱器換熱面積為1580m2,選用換熱量2500kW換熱器4臺。摻水加熱換熱器換熱面積為464m2,選用換熱量3370kW換熱器3臺。原油加熱換熱器換熱面積為150m2,選用換熱量500kW換熱器2臺。
3.3.2 高溫?zé)岜?/p>
冬季高溫?zé)岜霉β蕿?354.5kW,非冬季為4483.2kW,詳見表2。選擇制熱量8500kW高溫?zé)岜?臺,熱泵制熱額定功率為1884kW,備用制熱量1500kW高溫?zé)岜?臺。
3.3.3 二級泵
二級泵冬季加熱負(fù)荷5478.5kW,流量為471m3/h,非冬季加熱負(fù)荷2561.8kW,流量為220m3/h,詳見表3。選用Q=200m3/h、H=24m、P=18.5kW電機(jī)4臺,冬季3用1備,非冬季2用2備。
3.3.4 一級泵
一級泵選型同二級泵,選用Q=200m3/h、H=24m、P=18.5kW電機(jī)4臺。
3.3.5 蓄能水罐
熱泵機(jī)組的運(yùn)行方式為在電價平、谷期時運(yùn)行,在電價峰、尖峰期停用。冬季峰值、尖峰值為8h,即全天運(yùn)行16h(電價平、谷期),考慮5%熱損失,經(jīng)計算,蓄能水罐加熱功率為2876kW,容積為1972m3。非冬季時,熱泵機(jī)組的運(yùn)行方式為在電價平、谷期時運(yùn)行14h,其余10h停用,考慮5%熱損失,經(jīng)計算,蓄能水罐的加熱功率為1921.4kW,容積為1646.9m3。選取2000m3水罐2座,采用聚乙烯泡沫塑料保溫。詳見表4。
3.3.6 低溫?zé)嵩幢?/p>
聯(lián)合站污水量為13000m3/h,流量為542m3/h,選用Q=200m3/h、H=24m、P=18.5kW電機(jī)4臺(3用1備)。
圖2 聯(lián)合站工藝流程示意圖
表2 高溫?zé)岜脜?shù)計算
表3 二級泵選型參數(shù)計算
該項目運(yùn)行成本包括電費、設(shè)備折舊費、設(shè)備維護(hù)費用、人員工資、管理費用等。
冬季運(yùn)行時間為16h/d,非冬季運(yùn)行時間為14h/d,按需要系數(shù)0.8計算,則全年耗電量為9101000Wh。按平谷期平均電價0.449元/kWh計算,全年電費408.6萬元。
設(shè)備折舊年限取10a,按直線折舊,設(shè)備殘值取3%,每年折舊費335.4萬元。
蓄能式高溫水源熱泵的設(shè)備年維護(hù)費用按投資的5%計取,為172.9萬元/a。
該項目定員7人,人員工資按照5萬元/人/a取,共計35萬元/a。
管理費按工資的150%計取,為52.5萬元/a。
項目總運(yùn)行成本1004.4萬元/a,不含折舊費用的運(yùn)行費用為669.0萬元/a。現(xiàn)有燃?xì)饧訜釥t系統(tǒng)總運(yùn)行成本為1410.0萬元/a,不含折舊費用的運(yùn)行費用為1291.6萬元/a。兩種系統(tǒng)的運(yùn)行成本對比見表5。
項目收益為原系統(tǒng)年運(yùn)行費用與新系統(tǒng)年運(yùn)行費用差值(不含折舊費用),共計622.6萬元/a。
該項目總投資3458.1萬元,其中工程費2831.50萬元。項目的靜態(tài)投資回收期為5.6a。
項目實施后,充分利用污水余熱,有效降低聯(lián)合站生產(chǎn)能耗,每年節(jié)能量折合標(biāo)準(zhǔn)煤2246.4tce,見表6。
加熱爐主要空氣排放指標(biāo)主要包括氮NOx、SO2、煙塵等,按照《環(huán)境保護(hù)實用數(shù)據(jù)手冊》(1994版)規(guī)定的計算系數(shù),項目實施后,減少NOx排放1165.5kg/a,減少SO2排放185.0kg/a,減少煙塵排放444.0kg/a。
表4 蓄能水罐參數(shù)計算
表5 蓄能式高溫水源熱泵及燃?xì)饧訜釥t系統(tǒng)運(yùn)行成本對比及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行參數(shù)
表6 項目節(jié)能量
按照天然氣CO2排放量55.662tCO2/TJ計算,根據(jù)電力等價值將耗電量折算成天然氣消耗量后,原燃?xì)饧訜釥t系統(tǒng)每年排放CO210570.2t,蓄能式高溫水源熱泵系統(tǒng)每年排放CO26563.1t,減排量4007.1t/a。
中石化某聯(lián)合站污水礦化度較低,經(jīng)處理后水質(zhì)較好,適用于污水余熱回收利用;污水對鈦質(zhì)掛片的腐蝕、結(jié)垢速率較低,污水余熱利用換熱器宜采用鈦材質(zhì)換熱器。
采用8500kW蓄能式高溫水源熱泵機(jī)組回收油田污水余熱,熱泵系統(tǒng)在電價平、谷電價期滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn),將產(chǎn)生的多余熱量儲存于蓄能水罐中,在電價尖峰電價期停運(yùn),采用蓄能水罐中的熱水用于摻水及原油加熱。主要設(shè)備包括制熱量8500kW高溫?zé)岜?臺、制熱量1500kW高溫?zé)岜?臺、換熱量2500kW換熱器4臺、換熱量3370kW換熱器3臺、換熱量500kW換熱器2臺等。
項目總投資3458.1萬元,運(yùn)行效益622.6萬元/a,靜態(tài)投資回收期為5.6年。每年節(jié)能量折合標(biāo)煤2246.4tce,減排NOx1165.5kg,減排SO2185.0kg,減排煙塵444.0kg,減排CO24007.1t,經(jīng)濟(jì)及環(huán)保效益顯著。