油田余熱回收技術(shù)研究

陳玥（大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠）

1 背景介紹

在原油生產(chǎn)過程中，污水處理流程會產(chǎn)生大量的回注地層水，水溫通常保持在30～35 ℃，其含有大量可利用的熱量，當(dāng)采用回收裝置時可充分利用剩余能量，具有較大的余熱開發(fā)前景[1]。目前，大慶油田現(xiàn)有500余座注水站，每日污水處理量達到100×104m3以上，平均每小時可達到4×104m3。按照回收溫差10 ℃計算，可從油田污水中獲得的熱量為4×108kcal，即為通過鍋爐燃燒666 t 的介質(zhì)所獲取的熱量。并且根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用情況得知，油田污水系統(tǒng)內(nèi)可應(yīng)用的溫差遠遠超過10 ℃，即利用余熱回收可大幅度的降低油田生產(chǎn)成本，有效助力油田生產(chǎn)的降本增效。此外，降低油田污水溫度可有效抑制細菌生長，降低油田污水處理難度，從而提升注入水質(zhì)[2]。

2 熱泵技術(shù)應(yīng)用原理

1）采暖供熱原理。熱泵的主要構(gòu)成包括冷凝器、制冷壓縮機、膨脹閥以及冷凝器等裝置，其組成了制冷劑回路，將制冷劑充入制冷回路[3]。接入三相交流電后壓縮機通過高速旋轉(zhuǎn)，將低壓低溫的制冷劑氣體轉(zhuǎn)化為高壓高溫制冷劑氣體，其通過冷凝器中的冷凝水冷卻后，轉(zhuǎn)化為中壓中溫的制冷劑液體，其通過膨脹閥有效節(jié)流，升壓后進入蒸發(fā)器進行蒸發(fā)。總結(jié)而言，制冷劑實現(xiàn)蒸發(fā)的全過程，等同于制冷劑在吸收地下水低溫?zé)崃康奈鼰徇^程，實現(xiàn)了熱交換，滿足用戶的供暖需求[4]，采暖供熱系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 采暖供熱系統(tǒng)原理

2）制冷原理。水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)中有8 只轉(zhuǎn)換閥門，利用它可以將制熱系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成制冷系統(tǒng)。采暖回路由冷凝器放熱端構(gòu)成，其通過轉(zhuǎn)換閥門改在蒸發(fā)器的吸熱段，而原有的消防池內(nèi)的換熱清水系統(tǒng)由蒸發(fā)器的吸熱端組成，其通過轉(zhuǎn)換閥門改在冷凝器的放熱端，原有的制冷劑回路無變化[5-6]。當(dāng)機組進入制冷工作模式時，壓縮機會將吸熱端吸入的低壓低溫制冷劑氣體壓縮，轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏焊邷刂评鋭怏w后，其進入了冷凝器，通過連接的冷凝器實現(xiàn)換熱，經(jīng)過消防池內(nèi)的清水系統(tǒng)后轉(zhuǎn)為中溫中壓的制冷劑液體，最后通過膨脹節(jié)實現(xiàn)節(jié)流減壓，進入蒸發(fā)器內(nèi)進行膨脹蒸發(fā)吸熱，最終完成了制冷的功能，地能水源熱泵制冷系統(tǒng)原理見圖2。

圖2 地能水源熱泵制冷系統(tǒng)原理

3 熱泵提取油田余熱回收工藝選定

3.1 負(fù)荷計算

以杏北油田杏十二注水站為例：采暖熱負(fù)荷250 kW，供熱面積為1 170 m2。注水電動機冷卻水回水溫度小于40 ℃，注水電動機冷卻水來水溫度小于35 ℃。

上游的污水溫度30~35 ℃，來水量可達到4 000 m3/d。對其供熱能力進行計算，按照回注溫度為28 ℃，釋放溫度2 ℃，注水電動機冷卻水溫差在2 ℃，泵排量47 m3/h 計算，采暖需要的最大熱負(fù)荷[7]為：

式中：Q供暖為采暖用戶供暖熱量，kW；Q污水為污水供給熱量，kW；Q注水電動機為注水電動機釋放的熱量，kW；Q熱泵為熱泵自身利用點能轉(zhuǎn)為機械能而產(chǎn)生的少許熱能，kW。

將數(shù)據(jù)代入式（1）、（2）得出：p污排為73.95 m3/h ，現(xiàn)場供應(yīng)污水量為平均140 m3/h，因此可滿足生產(chǎn)需求。

3.2 熱泵機組選擇

以杏北油田杏十二聯(lián)為例，現(xiàn)場熱負(fù)荷為250 kW，選擇GSHP-C0328M 中高溫型水源冷熱水機組2臺，機組性能技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 熱泵機組性能技術(shù)參數(shù)

GSHP-C0328M 機組制熱實用工況230 kW，選用1 臺機組。根據(jù)制冷制熱負(fù)荷情況，選用2 臺在最嚴(yán)寒時運行困難，日?？蓡⒂?臺，備用1臺。

4 余熱回收技術(shù)應(yīng)用情況

4.1 大慶油田應(yīng)用情況

近年來，大慶油田充分利用油田污水余熱滿足了各類別建筑的采暖需求，在注水站、注入站以及辦公樓等均利用余熱實現(xiàn)生產(chǎn)生活供暖，節(jié)能效果顯著[8]。與此同時，油田污水余熱的有效利用，有效減少碳排放，對的“碳達峰，碳中和”具有積極促進作用[9]。此外，通過應(yīng)用余熱回收技術(shù)可實現(xiàn)崗位無人值守，有效降低了用人成本，對油田數(shù)字化建設(shè)起到輔助效果，根據(jù)現(xiàn)場實際應(yīng)用的數(shù)據(jù)顯示，余熱回收裝置的投資回收期為5年以內(nèi)。

4.2 熱泵技術(shù)應(yīng)用效果

4.2.1 實現(xiàn)無線監(jiān)控

水源熱泵可實現(xiàn)定時開關(guān)機、無線監(jiān)控、熱量損失小等優(yōu)點。可根據(jù)現(xiàn)場實際需求設(shè)定機組自動啟停時間，利用其配備的無線監(jiān)控技術(shù)，通過手機短信可實現(xiàn)主機、操作人員以及生產(chǎn)廠家的實時聯(lián)系，做到熱泵機房無人值守，同時還縮短了故障報警后售后服務(wù)人員的響應(yīng)時間，有效提高了設(shè)備運行的自動化程度和可靠性，降低了運行管理費用[10]。

4.2.2 經(jīng)濟效果分析

以杏北油田杏十二聯(lián)合站運行情況為例，對熱泵應(yīng)用經(jīng)濟效果進行對比分析見表2。

表2 杏十二聯(lián)合站熱泵應(yīng)用經(jīng)濟效果對比分析

1）建設(shè)費用。杏十二注水站于2009 年應(yīng)用余熱回收技術(shù)代替了鍋爐采暖的弊端，該站建設(shè)熱泵房、熱泵機組及配套設(shè)備各1 套，建設(shè)投資235 萬元。

2）運行費用。應(yīng)用余熱回收技術(shù)后，年機泵耗電 24.9×104kWh，費用15.8 萬元，而用鍋爐取暖需消耗天然氣30.5×104m3，運行費用16.8 萬元，年節(jié)成本1.0萬元。

3）人工成本。余熱回收技術(shù)可實現(xiàn)24 h 無人值守，常規(guī)鍋爐采暖工藝按照3班倒計算至少需求6名員工倒班值守，年可節(jié)省人工成本48萬元。

4）投資回收期。應(yīng)用余熱回收技術(shù)后，成本費用235萬元，年節(jié)運行費用48.4萬元，經(jīng)過4.85年可回收初始投資。

綜上熱泵技術(shù)采用全自動控制，無需人員值守，且運行安全，與運行鍋爐相比，不論從經(jīng)濟效益還是從人力資源上熱泵都優(yōu)于鍋爐采暖，同時熱泵在供暖過程中沒有化學(xué)變化，只是利用制冷劑的相變過程來進行熱量的轉(zhuǎn)移，所以不排放任何污染物，具有很好的環(huán)保效益。

4.2.3 運行過程存在問題

1）水質(zhì)影響。熱源水進入熱泵機組的板式換熱器將二次循環(huán)水進行換熱供熱泵機組使用，由于熱源水（供熱泵機組換熱用污水）水質(zhì)差，含油量（40 mg/L左右）及懸浮物含量高；由于污水處理過程中會投加殺菌劑、絮凝劑等，污水內(nèi)容易形成聚合物，造成了污水泵進出口以及板式換熱器的進口過濾器堵塞，長期堵塞會導(dǎo)致進液量減少，使得換熱量不滿足熱泵機組的運行溫度，容易造成機組升溫困難，出口溫度偏低，換熱器換熱效果不好，造成機組低溫停機等問題，嚴(yán)重影響正常運行，存在著較大的安全隱患。

2）后期維修保養(yǎng)。熱泵機組長期運行后，換熱器前的過濾器因污水中雜質(zhì)容易堵塞，需定期更換，零配件需有廠家進行后期的維修保養(yǎng)，其直接關(guān)系到處理熱效率的大小。此外，水源熱泵機組采取無人值守，設(shè)備內(nèi)部有無線監(jiān)控系統(tǒng)，一旦損壞，需由廠家進行維修。因此，選擇能提供長期有效設(shè)備維護保養(yǎng)的生產(chǎn)廠家是設(shè)備高效平穩(wěn)運行的保障。

5 結(jié)論

1）針對具備上游污水熱源的小型注水站，由于用熱需求小，系統(tǒng)相對簡單，建議在有供熱設(shè)施改造時采用熱泵技術(shù)。

2）余熱回收技術(shù)宜應(yīng)用于位置較為偏遠，供氣半徑長區(qū)域的小型站庫應(yīng)用。

3）選擇能提供長期有效設(shè)備維護保養(yǎng)的生產(chǎn)廠家是設(shè)備高效平穩(wěn)運行的保障。

4）建議選用水質(zhì)較好的深度污水站作為熱水源，可有效提高熱效降低維修保養(yǎng)費用。