熱泵技術(shù)在回收油田污水余熱資源中的應(yīng)用

王 冰，成慶林，孫 巍

（東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163318）

熱泵技術(shù)在回收油田污水余熱資源中的應(yīng)用

王 冰，成慶林，孫 巍

（東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163318）

熱泵技術(shù)可以將油田污水中的低品位熱能進(jìn)行回收，以一小部分能量為代價(jià)，將這部分低溫?zé)崮軕?yīng)用于油田中其他需要熱的環(huán)節(jié)，解決了油田污水余熱的浪費(fèi)問題?？偨Y(jié)了大慶、孔店、勝利等油田對(duì)熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用情況，及熱泵系統(tǒng)和換熱器的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)油田今后實(shí)施同類節(jié)能改造項(xiàng)目具有一定的借鑒意義。

熱泵；換熱器；油田污水；余熱回收

目前，我國(guó)各主要油田的開發(fā)已進(jìn)入高含水期，大慶、勝利、遼河等油田的含水率高達(dá)90%。而且我國(guó)的超稠油藏?cái)?shù)量較多，需要應(yīng)用熱采技術(shù)，這就導(dǎo)致了污水溫度較高。遼河油田曙五聯(lián)合站外排含油污水10 693 m3/d，溫度在71～73 ℃之間[1]，新疆油田九1～九5區(qū)塊每天有 52 ℃的污水 1.3× 104～1.5×104m3[2]，孔店油田每天有48～52 ℃的污水7 300 m3[3]，勝利油田孤東采油廠4號(hào)聯(lián)合站每天有70 ℃高溫污水2 550 m3，38～40 ℃低溫污水12 000 m3[4]。傳統(tǒng)的做法是將分離后的水用于注水開發(fā)或直接排入環(huán)境，這種做法既浪費(fèi)了這部分污水中蘊(yùn)含的大量的能量，又對(duì)環(huán)境造成不可逆的影響。如果將這部低品位熱能回收，用于油區(qū)的用熱環(huán)節(jié)，如輕質(zhì)、重質(zhì)原油罐區(qū)的加熱，鍋爐除鹽水加熱，冬季采暖等，可以節(jié)約大量煤、原油或者天然氣的消耗，提高了能源利用率，避免了污水直接排放，保護(hù)了環(huán)境。

熱泵技術(shù)正是能夠?qū)⑦@些低溫余熱進(jìn)行回收的有效的節(jié)能手段，研究表明，一旦電動(dòng)熱泵的制熱系數(shù)比3大，則從能源利用方面熱泵就比熱效率為80%的區(qū)域鍋爐房用能節(jié)能[5]，而且環(huán)保無污染。國(guó)內(nèi)外水源熱泵技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大，尤其在國(guó)家大力推行節(jié)能減排的大背景下，水源熱泵技術(shù)得到了空前的發(fā)展，先后在多項(xiàng)工程中獲得實(shí)際應(yīng)用，如2008北京奧運(yùn)村水源熱泵應(yīng)用項(xiàng)目、2010廣州亞運(yùn)會(huì)太陽能和水源熱泵區(qū)域集中供能項(xiàng)目等。近些年，油田在熱泵用于污水余熱資源回收方面也有了一些成功的探索，本文闡述了熱泵及換熱器的研究進(jìn)展，重點(diǎn)闡述大慶、勝利、新疆等油田在熱泵系統(tǒng)利用方面的應(yīng)用情況。

1 污水源熱泵系統(tǒng)

熱泵這種高效制熱技術(shù)，其本質(zhì)上是熱能提升裝置，該裝置以耗費(fèi)少量電能或燃料能為代價(jià)，將大量無用的低品位熱能轉(zhuǎn)化為可以利用的高品位熱能，用于其他對(duì)熱有需求的場(chǎng)合。其工作原理類似于制冷機(jī)，都是遵循逆卡諾循環(huán)工作，但是工作溫度區(qū)間不同，熱泵工作溫度的下限一般是環(huán)境溫度，上限則根據(jù)用戶需求而定，可高于100 ℃[6]。

熱泵可以依據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同，分為電力驅(qū)動(dòng)的壓縮式熱泵和天然氣驅(qū)動(dòng)的吸收式熱泵。鄧壽祿比較了吸收式和壓縮式熱泵循環(huán)系統(tǒng)，得出壓縮式熱泵在回收油田污水余熱時(shí)，其制熱系數(shù)要比吸收式熱泵制熱系數(shù)高[7]。但是吸收式熱泵相比于壓縮式熱泵，其沒有運(yùn)轉(zhuǎn)部件，壽命更長(zhǎng)，維護(hù)較方便，而且壓縮式熱泵在轉(zhuǎn)化為一次能源后，能效比將低于吸收式熱泵。具體考慮采用何種熱泵需結(jié)合驅(qū)動(dòng)能源情況和用戶的其他要求而定。

污水源熱泵是熱泵的一種形式，是可以將污水中充足的低品味熱能提升為高品位熱能并加以利用的熱力設(shè)備[8]。通常用戶所能獲得的熱量是污水源熱泵系統(tǒng)消耗能量的四倍，這是一種高效制熱技術(shù)，可以大大減少油田中不必要能源的消耗。污水源熱泵系統(tǒng)在形式上分為直接式和間接式兩種，二者相比較而言，間接式污水源熱泵系統(tǒng)多了換熱器和二次水（中介水）循環(huán)水泵，設(shè)備配置增多，初期投資增大，由于需要設(shè)置中介水循環(huán)泵，系統(tǒng)耗電量增多，導(dǎo)致系統(tǒng)COP低。但是直接式污水源熱泵系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)和防阻防腐工藝設(shè)備要求比較高，就油田含有污水現(xiàn)有的情況，含油污水中雜質(zhì)過多，含油量及礦化度較高，多使用間接式污水源熱泵系統(tǒng)。這樣一套污水回收利用裝置主要有換熱器、熱泵機(jī)組以及末端設(shè)備。

2 換熱器

污水換熱器可以避免含油污水對(duì)熱泵機(jī)組的直接損害，將污水中的能量與中間介質(zhì)水進(jìn)行交換。目前油田污水-清水換熱裝置主要有：平板式換熱器、噴淋式換熱器、盤管浸沒式換熱器、螺旋板換熱器和管殼式換熱器。對(duì)污水換熱器有三方面的要求：（1）由于污水與中間介質(zhì)的溫差很小，為了盡可能減小熱量損失，因此要求換熱器要有特別高的換熱強(qiáng)度；（2）污水換熱器的防腐蝕性能要求高，鑒于含油污水機(jī)械雜質(zhì)含量、油含量和礦化度高，換熱器要抗垢且便于清洗；（3）在高強(qiáng)度的工作情況下，要求換熱器造價(jià)低廉且運(yùn)行安全，安裝簡(jiǎn)單便于維修。

勝利油田引入的是鈦管式換熱器，代替了鈦板換熱器，是由于鈦-鋼復(fù)合板具有很強(qiáng)的防腐能力，而且鈦管比其他金屬光滑利于傳熱。王強(qiáng)在設(shè)計(jì)聯(lián)合站回注污水余熱直接供暖系統(tǒng)時(shí)，提出了油田污水平板式石墨換熱器[9]。為了提高換熱器的防腐能力，一般都采用鈦合金或者增加普通金屬壁厚的方式，但是這必然導(dǎo)致系統(tǒng)成本大幅度提高，塑料換熱器的出現(xiàn)解決這一問題。哈爾濱工程大學(xué)，山東建筑大學(xué)等對(duì)塑料（聚合物）換熱器進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，分別分析了蛇形盤管塑料換熱器在不同換熱條件下的換熱能力，聚乙烯管路沉浸式換熱器的換熱性能[10]。楊毅等人又結(jié)合工程條件，對(duì)塑料換熱器進(jìn)行了分析，得出結(jié)論：聚合物換熱器實(shí)際使用時(shí)外側(cè)流速對(duì)換熱影響較大，流速越高，換熱效果越好。此類換熱器應(yīng)盡量使用曝氣強(qiáng)化換熱方式。采用曝氣強(qiáng)化換熱后，其換熱量明顯提升，可達(dá)到500～550 W/m2[11]。

換熱器在熱泵系統(tǒng)中有著舉足輕重的地位，影響著機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和機(jī)組效率，因此在應(yīng)用熱泵系統(tǒng)回收油田污水余熱的時(shí)候，選擇一種高效、經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單、適于本油田的污水換熱器十分重要。

3 污水源熱泵系統(tǒng)在油田中的應(yīng)用

熱泵發(fā)展到今天，技術(shù)已較為成熟，正充分發(fā)揮著高效制熱技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，已應(yīng)用于干燥（木材、食品等）、種植、養(yǎng)殖等多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域，用其大規(guī)模對(duì)居民進(jìn)行供暖和制冷在北京、上海、廣州等城市已有很多成功案例。但熱泵技術(shù)在油田污水余熱資源回收中的應(yīng)用還不是很廣泛，大部分油田還處于先導(dǎo)性試驗(yàn)階段。

大慶油田南七聯(lián)于 2001年對(duì)采暖系統(tǒng)進(jìn)行全面改造，通過熱泵技術(shù)取代鍋爐，利用所提取的污水余熱進(jìn)行供暖和工藝管道伴熱。停運(yùn)了了兩臺(tái)采暖伴熱鍋爐（4 t/h），取而代之的是兩臺(tái)熱泵機(jī)組（每臺(tái)的輸入電功率為115 kW，輸出功率為310 kW）。熱泵所耗的電量與節(jié)約的天然氣相抵，相當(dāng)于節(jié)約130×104kW·h/a的電能。按運(yùn)行15 a考慮，節(jié)約總費(fèi)用572萬元[12]。

大慶油田采油五廠于2009年進(jìn)行了改造工程，采用熱泵技術(shù)為65 075 m2的面積進(jìn)行采暖、制冷，工程投資2 009萬元，年運(yùn)行成本453.9萬元，與原油的鍋爐供暖相比多耗電624.4萬kW·h，年節(jié)約天然氣72.4萬m3、原油2 523萬t[13]。

孔店油田在結(jié)合主體工藝情況下，應(yīng)用2臺(tái)水源熱泵和5具列管換熱器代替原有加熱爐系統(tǒng)。經(jīng)第三方測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，改造前由油田伴生氣或原油提供的加熱系統(tǒng)能源消耗總量為33 035.34 MJ/h，改造后為27 621.62 MJ/h，其中4 940.8 MJ/h為熱泵提供，22 680.80 MJ/h是由熱泵和加熱爐消耗油田伴生氣提供。新系統(tǒng)節(jié)約能量110 354.52 MJ/h，按原油價(jià)格4 696元/t計(jì)算，年節(jié)約資金1 017.4萬元[3]。

遼河油田曙光采油廠曙五聯(lián)合站利用熱泵機(jī)組，替換了加熱原油的燃油加熱爐，曙五聯(lián)合站每天有外排污水13 000 m3，溫度為71～73 ℃。該廠熱泵系統(tǒng)中的設(shè)備主要有：污水源熱泵機(jī)組、油水混合物-污水換熱器、油水混合物-軟化水換熱器、污水-軟化水換熱器以及全自動(dòng)軟化水處理裝置。2011年10月份，經(jīng)過中國(guó)石油天然氣股份有限公司油田節(jié)能監(jiān)測(cè)中心的跟蹤測(cè)試，結(jié)果表示改造后的熱泵系統(tǒng)相比于之前的加熱爐系統(tǒng)節(jié)能率為91.79%，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行兩年的創(chuàng)效可達(dá)1 246.73萬元[14]。

鄯善聯(lián)合污水處理站經(jīng)過污水源熱泵改造工程后，用熱泵代替了加熱爐和分體式空調(diào)進(jìn)行制熱和制冷。每天污水量2 700 m3，冬季的水溫基本穩(wěn)定在25 ℃，按冬季工況計(jì)算，利用到15 ℃，這部分污水可利用的熱量達(dá)到1 936 kW，每年預(yù)計(jì)可節(jié)省資金17.3萬元[15]。

2014年1月，河南油田下二門聯(lián)合站與新星公司聯(lián)手，用蓄能式熱泵系統(tǒng)代替了全部加熱外輸原油和摻水的天然氣鍋爐。每天提取1.1萬t污水余熱約9 500 kW，日節(jié)省天然氣9 000 m3。且成功開啟了一個(gè)新的合作方式，即模擬合同能源管理模式（BOOT），對(duì)其他油田具有一定的示范性作用。

4 存在的問題

（1） 夏季與冬季的污水溫度不同，油田冬季污水溫度過低，污水流量不穩(wěn)定，導(dǎo)致熱泵實(shí)際運(yùn)行情況與設(shè)計(jì)情況不符，嚴(yán)重可造成突然停機(jī)，致使供暖不連續(xù)冬季供暖不連續(xù)。防止這種情況的發(fā)生的辦法由兩種，一個(gè)是增加輔助性熱，另一個(gè)是設(shè)置多個(gè)換熱器，后者相對(duì)復(fù)雜一些，也不經(jīng)濟(jì)。

（2） 換熱器結(jié)垢和腐蝕問題是影響熱泵機(jī)組使用和整體性能的重要因素之一，根據(jù)目前的情況，尋求一種高效、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、簡(jiǎn)單的污水熱泵系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)還需要進(jìn)一步的研究。所以，應(yīng)對(duì)水質(zhì)嚴(yán)格把關(guān)，并根據(jù)垢的組成、結(jié)構(gòu)周期制定篩選出有效的除垢劑，制定合理的除垢周期。

（3）由于利用熱泵技術(shù)提取污水余熱資源的初期投資太大，使許多企業(yè)寧可浪費(fèi)掉這部分能量也不愿意投資開發(fā)余熱資源，因此提高整體的節(jié)能意識(shí)以及配套的政策支持很重要，河南油田下二門聯(lián)合站成功的BOOT合作模式是一個(gè)好的開端。

（4）現(xiàn)在國(guó)內(nèi)熱泵市場(chǎng)上產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，使油田企業(yè)對(duì)熱泵產(chǎn)品沒有信心，應(yīng)當(dāng)提高熱泵產(chǎn)品的準(zhǔn)入門檻，對(duì)生產(chǎn)條件與技術(shù)水平做到嚴(yán)格把關(guān)。

總之，熱泵技術(shù)在油田污水余熱回收的實(shí)際應(yīng)用中不斷創(chuàng)新、突破、完善，推進(jìn)了污水余熱資源回收再利用的發(fā)展。污水源熱泵的應(yīng)用與發(fā)展為油田污水處理提供了一條新途徑，將改變油田上以煤和原油等高品位熱源為管道伴熱和采暖的方式，為探索可再生能源拓展了新的空間，其發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

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Application of Heat Pump Technology in Waste Heat Recovery of Oilfield Sewage

WANG Bing, CHENG Qing-lin, SUN Wei
（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China）

Heat pump; Heat exchanger; Oilfield sewage; Heat recovery

The low-grade heat energy of oilfield sewage can be recycled by heat pump technology. Part of the low-temperature heat energy can be applied in the other section needing heat in oil field, which solves the waste problem of sewage waste heat. In this article, application of the heat pump system in Daqing, Kongdian and Shengli oil fields was summarized, and the current situation of development of heat pump system and heat exchanger was discussed, which could provide certain reference for the implementation of similar energy-saving renovation project in the future.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：51174042。

2015-01-12

王冰（1991-），女，吉林長(zhǎng)春人，在讀碩士，研究方向：油氣儲(chǔ)運(yùn)節(jié)能技術(shù)。E-mail：18646659603@163.com。

成慶林（1972-），女，教授，博士，研究方向：熱力學(xué)分析及油氣儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)綜合節(jié)能。E-mail：chengqinglin7212@163.com。

TE 974

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1671-0460（2015）08-1839-03