油田采出水熱泵應(yīng)用技術(shù)研究

樊夢(mèng)芳 劉亮德 李 云

中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司華北分公司, 河北 任丘 062552

0 前言

根據(jù)國(guó)務(wù)院印發(fā)《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》要求,實(shí)施工業(yè)能效趕超行動(dòng),在重點(diǎn)耗能行業(yè)全面推行能效對(duì)標(biāo);工業(yè)能源利用效率和清潔化水平顯著提高,大型工業(yè)企業(yè)單位增加值能耗比2015年降低18%以上,特別指出石油石化、化工等重點(diǎn)耗能行業(yè)能源利用效率達(dá)到或接近世界先進(jìn)水平[1]。

根據(jù)國(guó)家政策的要求,要實(shí)現(xiàn)能源消費(fèi)總量和強(qiáng)度“雙控”目標(biāo),應(yīng)力爭(zhēng)從源頭上減少污染物排放，倒逼經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變[2]。2018年,某石油企業(yè)率先響應(yīng)國(guó)家號(hào)召,根據(jù)自身站場(chǎng)資源和用熱狀況及熱泵高效節(jié)能特性,結(jié)合其在清潔能源利用[3]、高效溫度轉(zhuǎn)換[4]、工業(yè)余熱回收[5]、油田余熱回收[6]等領(lǐng)域的研究成果,嘗試進(jìn)行熱泵技術(shù)的工程應(yīng)用研究,采用熱泵替代加熱爐,實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。本文結(jié)合具體的工程技術(shù)條件,對(duì)某轉(zhuǎn)油站吸收式熱泵和壓縮式熱泵的技術(shù)經(jīng)濟(jì)方案進(jìn)行了研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

1 熱泵機(jī)組

1.1 熱泵的制熱性能系數(shù)及影響因素分析

熱泵的經(jīng)濟(jì)性以消耗單位功得到的供熱量即制熱性能系數(shù)[7]來(lái)衡量[8],是熱泵所實(shí)現(xiàn)的制熱量和輸入功率的比值。在相同工況下,比值越大說(shuō)明熱泵效率越高、越節(jié)能。

1.1.1 壓縮式熱泵

壓縮式熱泵的蒸發(fā)器從低品位余熱吸收熱量,冷凝器向用戶供應(yīng)高溫位熱量[9]。根據(jù)能量守恒定律和熱力學(xué)第二定律,不考慮壓縮機(jī)的散熱,熱泵制熱功率等于從低品位余熱吸收的熱量與輸入功率之和,可見(jiàn)制熱性能系數(shù)值恒大于1。熱泵制熱性能系數(shù)計(jì)算公式見(jiàn)式(1)[10]:

COP=(P+QC)/P=1+QC/P

(1)

式中:COP為熱泵制熱性能系數(shù);P為輸入功率,kW;QC為從低品位余熱吸收的熱量,kW。

影響熱泵制熱性能系數(shù)的因素包括：冷凝器出水溫度(制取熱水供水溫度)T1、進(jìn)水溫度(制取熱水回水溫度)T2，蒸發(fā)器出水溫度(余熱熱源回水溫度)T3、進(jìn)水溫度(余熱熱源供水溫度)T4。冷凝器出水溫度與蒸發(fā)器進(jìn)水溫度溫差盡量合理[11]，這樣，有利于提高熱泵制熱性能系數(shù)，但起到?jīng)Q定作用的是冷凝器出水溫度和蒸發(fā)器出水溫度，計(jì)算公式見(jiàn)式(2)[12]。

COP=12.503 41-0.237 85T1-0.331 36T3+

(2)

式中:T1為制取熱水供水溫度,℃;T3為余熱熱源回水溫度,℃。

1.1.2 吸收式熱泵

吸收式熱泵分為增熱型吸收式熱泵(即第一類吸收式熱泵)和升溫型吸收式熱泵(即第二類吸收式熱泵)[13],考慮到油田站場(chǎng)的安全間距[14],一般采用第一類吸收式熱泵。按照供熱循環(huán)又可分為單效型吸收式熱泵和雙效型吸收式熱泵[15]。第一類吸收式熱泵制熱性能系數(shù)大于1,單效型吸收式熱泵制熱性能系數(shù)一般為1.5～1.8[16]。計(jì)算公式見(jiàn)式(3)[10]:

COP=Q/Q入

(3)

式中:Q為制取的熱量,kW;Q入為輸入驅(qū)動(dòng)熱量,kW。

影響吸收式熱泵制熱性能系數(shù)的主要因素是發(fā)生器溫度、冷凝器溫度、蒸發(fā)器溫度以及吸收器溫度,它們與余熱熱源供/回水溫度和制取熱水供/回水溫度相互影響。在制取熱水條件和驅(qū)動(dòng)熱源條件相同時(shí),余熱熱源回水溫度越低,則熱泵制熱性能系數(shù)越低。同理,利用相同的余熱熱源條件和驅(qū)動(dòng)熱源條件,要制取熱水供水溫度越高,則熱泵制熱性能系數(shù)越低。制取熱水供水溫度對(duì)熱泵的影響大于余熱熱源回水溫度對(duì)熱泵的影響[17]。

1.2 熱泵系統(tǒng)組成

油田采出水余熱利用熱泵系統(tǒng)包括熱泵、中間換熱系統(tǒng)、循環(huán)供熱系統(tǒng)、補(bǔ)水定壓系統(tǒng)、軟化水處理系統(tǒng)[18]。

1)熱泵:熱泵分為壓縮式熱泵和吸收式熱泵(指第一類吸收式熱泵，下同),見(jiàn)圖1～2。壓縮式熱泵包括壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、閥組、儀表及管路；吸收式熱泵由吸收器、發(fā)生器、蒸發(fā)器、冷凝器、閥組、儀表及管路等組成[19]。兩種熱泵均可實(shí)現(xiàn)熱負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)等功能。

圖1 壓縮式熱泵照片

圖2 吸收式熱泵照片

2)中間換熱系統(tǒng)：包括換熱器、中介水循環(huán)泵、過(guò)濾器、閥組、儀表及管路，換熱器宜采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修清洗方便的板式換熱器。

3)循環(huán)供熱系統(tǒng)：包括循環(huán)水泵、除污器、用熱單元、儀表及管路，循環(huán)水泵選用普通清水離心泵。

4)補(bǔ)水定壓系統(tǒng)：包括補(bǔ)水泵(高架水箱)、閥組、儀表及管路,補(bǔ)水泵電機(jī)宜采用變頻調(diào)速電機(jī)。

5)軟化水處理系統(tǒng)：包括軟化水箱和軟化水裝置。原水經(jīng)鈉離子交換器去除Ca2+、Mg2+,防止大面積產(chǎn)生水垢。

2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究

2.1 工程技術(shù)條件

2.1.1 供熱負(fù)荷

某轉(zhuǎn)油站經(jīng)過(guò)站場(chǎng)優(yōu)化簡(jiǎn)化,由輸送合格原油改為輸送低含水油,停用站內(nèi)電脫水器,站外單井實(shí)現(xiàn)單管集輸,工藝供熱負(fù)荷減少。冬季工藝用熱負(fù)荷為1 294 kW,采暖用熱負(fù)荷為120 kW,共計(jì)1 414 kW;夏季工藝用熱負(fù)荷為1 035 kW;制取熱水的供/回水溫度為75/60 ℃。

2.1.2 油田采出水量及采出水溫度

表1為2018年某轉(zhuǎn)油站采出水參數(shù)統(tǒng)計(jì),平均采出水量為1 517 m3/d,2019年前4個(gè)月平均采出水量為1 455 m3/d,因老井恢復(fù)及生產(chǎn)井含水上升情況,2019年4月以后,采出水水量可達(dá)到平均值1 517 m3/d,采出水溫度48 ℃。

表1 2018年某轉(zhuǎn)油站采出水參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2.1.3 油田采出水組分

表2 某轉(zhuǎn)油站采出水組分表

2.1.4 加熱爐及其燃料

該轉(zhuǎn)油站內(nèi)無(wú)伴生氣,原設(shè)有3臺(tái)2 330 kW燃?xì)饧訜釥t,站場(chǎng)通過(guò)工藝優(yōu)化簡(jiǎn)化后,目前僅運(yùn)行1臺(tái)加熱爐,氣源來(lái)自當(dāng)?shù)厝細(xì)夤臼姓芫W(wǎng)。

2.2 技術(shù)方案

2.2.1 方案一

壓縮式熱泵：48 ℃采出水熱源供水自注水罐經(jīng)提升泵送至換熱器換熱,溫度降至31 ℃后,輸至過(guò)濾裝置。中介水經(jīng)采出水換熱器換熱后,溫度由27 ℃升至45 ℃,再進(jìn)入1 500 kW壓縮式熱泵機(jī)組蒸發(fā)器。熱泵機(jī)組冷凝器將制取熱水回水溫度由60 ℃提升至75 ℃,成為制取熱水供水輸送至工藝換熱器和建筑單體散熱器，將原油加熱到65 ℃以上和為建筑單體供暖。壓縮式熱泵系統(tǒng)工藝流程見(jiàn)圖3[20]。

圖3 壓縮式熱泵工藝流程簡(jiǎn)圖

2.2.2 方案二

吸收式熱泵:以天然氣燃燒產(chǎn)生的熱能為驅(qū)動(dòng)源時(shí),在發(fā)生器內(nèi)加熱溴化鋰稀溶液產(chǎn)生水蒸氣,水蒸氣進(jìn)入冷凝器放出熱量,冷凝成液體后進(jìn)入蒸發(fā)器,在蒸發(fā)器低溫、低壓環(huán)境下吸收45 ℃中介水的熱量蒸發(fā),這部分低溫、低壓蒸汽進(jìn)入吸收器被濃溴化鋰溶液吸收,放出熱量將制取熱水回水溫度由60 ℃提升至75 ℃,成為制取熱水供水輸送至工藝換熱器和建筑單體散熱器，將原油加熱到65 ℃以上和為建筑單體供暖。稀釋后的溴化鋰溶液再進(jìn)入發(fā)生器開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)。吸收式熱泵系統(tǒng)工藝流程見(jiàn)圖4[20]。

圖4 吸收式熱泵工藝流程簡(jiǎn)圖

2.3 方案比選

根據(jù)以上兩種技術(shù)方案的工程量、工程投資,同時(shí)結(jié)合運(yùn)行費(fèi)用,對(duì)兩種技術(shù)方案進(jìn)行比選,具體內(nèi)容見(jiàn)表3。

表3 方案比選表

綜合比較,考慮初投資及運(yùn)行情況,推薦方案一,即采用1臺(tái)1 500 kW壓縮式熱泵。

3 實(shí)施效果分析

某轉(zhuǎn)油站壓縮式熱泵及其配套工藝于2019年10月開(kāi)始建設(shè),12月2日正式投運(yùn),根據(jù)2019年12月10日—2020年02月30日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),運(yùn)行時(shí)制熱性能系數(shù)在4.55～5.08之間。熱泵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，熱泵投產(chǎn)前、后運(yùn)行成本對(duì)比見(jiàn)表5。

表4 熱泵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表

表5 熱泵投產(chǎn)前、后運(yùn)行成本對(duì)比表

由表3和表5可知，某轉(zhuǎn)油站壓縮式熱泵及其配套工程建設(shè)投資為485.26萬(wàn)元,每年經(jīng)濟(jì)效益為170.07萬(wàn)元,投資回收期約4.3 a。

4 結(jié)論

2)采出水熱源回水溫度越低,制取熱水供水溫度越高,熱泵的制熱性能系數(shù)越低。在工程應(yīng)用中,合理利用采出水余熱熱源,并非采出水熱源回水溫度越低越好。

3)選用何種熱泵機(jī)組,與項(xiàng)目工程投資，以及當(dāng)?shù)厝細(xì)鈨r(jià)格和電價(jià)有很大關(guān)系,應(yīng)根據(jù)具體情況具體分析。