X聯(lián)合站污水余熱利用的熱泵選擇分析

于慶（大慶油田有限責任公司第九采油廠）

1 含油污水余熱評價

1.1 含油污水資源概況

X聯(lián)站內(nèi)的含油污水深度處理站，設計規(guī)模為7 500 m3/d，目前實際處理量為5 569 m3/d。設計處理后含油污水水質(zhì)：含油量≤8 mg/L；懸浮固體含量≤3 mg/L；懸浮物粒徑中值≤2μm。處理后含油污水溫度為37℃。可見X聯(lián)污水站含油污水水量十年預測見表1。

表1 X聯(lián)合站含油污水水量十年預測Tab.1 Ten year prediction of Oil-polluted water volume of X united station

1.2 污水余熱可利用潛力

目前，X聯(lián)合站含油污水全部回注地下，造成了熱量的浪費。如采用熱泵技術(shù)，可以提取部分低溫含油污水熱能，生產(chǎn)高溫的熱能，用于替代站內(nèi)燃氣的采暖系統(tǒng)和工藝用熱系統(tǒng)熱源[1-3]。按照含油污水水量5 500 m3/d，提溫15℃時，可提取熱量4 MW；提溫13℃時，可提取熱量3.46 MW。

2 站場用熱現(xiàn)狀

2.1 X聯(lián)合站燃氣設備現(xiàn)狀

X聯(lián)合站內(nèi)已建加熱爐共8臺，其中摻水爐3臺，外輸爐2臺，采暖爐2臺，熱水爐1臺；已建五合一裝置5臺，四合一裝置2臺。

2.2 可替代加熱爐熱負荷及參數(shù)

由于X聯(lián)合站的含油污水水量水溫的限制，利用熱泵技術(shù)可提供的熱量有限，四合一、五合一裝置功能較多，不適合替代，熱水爐供熱溫度為85℃，溫度過高，也不適合替代，只有采暖、外輸及摻水用熱負荷可以替代。

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查、往年的運行數(shù)據(jù)以及工藝需要，采暖加熱爐最冷季的實際供水溫度為70℃，外輸爐出口溫度為65℃（夏季）、75℃（冬季），摻水。爐出口溫度為65℃（夏季）、70℃（冬季）。

根據(jù)加熱介質(zhì)的不同，采暖系統(tǒng)熱水可以直進熱泵機組；外輸爐為凈化油，摻水爐為含油污水，這2種介質(zhì)均不能直進熱泵機組，須經(jīng)換熱器換熱。可見X聯(lián)地區(qū)采暖、外輸及摻水熱負荷、參數(shù)見表2。

表2 X聯(lián)合站地區(qū)采暖、外輸及摻水熱負荷、參數(shù)Tab.2 Heat load and parameters of heating，export and water mixing of X united station

3 熱泵機組型式選擇

3.1 熱泵機組型式

熱泵機組按驅(qū)動力分類，主要有兩種類型，即壓縮式和吸收式熱泵。吸收式熱泵機組又分為第Ⅰ類（增熱型通過利用少量高溫熱源的熱能，產(chǎn)生大量中溫有用的熱能）和第Ⅱ類（升溫型通過利用大量中溫熱源的熱能，產(chǎn)生少量高溫有用的熱能）。壓縮式熱泵工質(zhì)依靠機械功（壓縮機）驅(qū)動工質(zhì)在熱泵中循環(huán)流動，從而連續(xù)的將熱量從低溫熱源“泵送”到高溫熱匯供給用戶[4]。吸收式熱泵則是用熱能驅(qū)動工質(zhì)循環(huán)，實現(xiàn)對熱能的“泵送”功能[5]。

3.2 熱泵機組性能

根據(jù)含油污水現(xiàn)狀，可供選擇的熱泵機組有兩種2種型式熱泵機組性能對比見表3，一種是電動壓縮式熱泵機組，另一種是燃氣吸收式熱泵機組（Ⅰ類）。

表3 2種型式熱泵機組性能對比Tab.3 Performance comparison of two types of heat pump units

3.3 電動壓縮式熱泵機組供熱

3.3.1 熱泵站規(guī)模及供熱負荷

含油污水直進熱泵機組，污水用量5 500 m3/d，按照平均COP為4，含油污水最高提溫15℃，熱泵機組的最大供熱量為5.33 MW，采用電動壓縮式熱泵機組可替代用熱負荷及參數(shù)見表4。

根據(jù)采暖和工藝用熱負荷情況，熱泵站需設置2套循環(huán)系統(tǒng)，1套用于采暖系統(tǒng)，1套用于工藝用熱系統(tǒng)。為保障運行可靠，熱泵站新建3臺2 MW電動壓縮式熱泵機組，夏季運行2臺熱泵機組，冬季熱泵機組全部運行。

3.3.2 熱泵站運行方式

從表4中可以看出采用電動壓縮式熱泵機組可以滿足夏季全部工藝用熱負荷，夏季外輸爐和摻水爐全部停運。冬季優(yōu)先滿足采暖負荷，按照加熱介質(zhì)溫度不同，剩余負荷優(yōu)先替代摻水（70℃）和外輸（75℃）。采暖初末期，運行1臺熱泵機組供采暖系統(tǒng)；2臺熱泵機組供工藝用熱系統(tǒng)。隨著采暖負荷的增加，超過2 MW時，需運行2臺熱泵機組給采暖系統(tǒng)供熱，1臺熱泵用于工藝系統(tǒng)供熱，工藝系統(tǒng)供熱負荷由4 MW降至2.61 MW。因此，冬季采暖爐停運，外輸爐和摻水爐各運行1臺。

表4 采用電動壓縮式熱泵機組可替代用熱負荷及參數(shù)Tab.4 Alternative heat load and parameters of electric compression heat pump unit

3.3.3 熱泵站供熱參數(shù)的確定

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查、往年的運行數(shù)據(jù)以及工藝需要，采暖加熱爐最冷季的實際供水溫度為70℃，脫水爐的出口溫度為55℃，外輸爐出口溫度為65℃（夏季）、75℃（冬季），摻水爐出口溫度為65℃（夏季）、70℃（冬季）。根據(jù)加熱介質(zhì)的不同，采暖系統(tǒng)熱水可以直進熱泵機組；外輸爐為凈化油，摻水爐為含油污水，這二種介質(zhì)均不能直進熱泵機組，須經(jīng)換熱器換熱?？紤]換熱器最小端差5℃，夏季外輸和摻水要求的出口溫度65℃，確定熱泵站出口溫度至少70℃，同時根據(jù)實際采暖系統(tǒng)供回水溫度70/55℃，確定熱泵機組供熱端設計供回水溫度70/55℃。由于外輸爐進口溫度55℃，確定外輸換熱系統(tǒng)回水溫度60℃，摻入55℃熱泵站回水。

確定電動壓縮式熱泵機組供熱端設計供回水溫度70/55℃，采暖系統(tǒng)與工藝用熱系統(tǒng)參數(shù)相同。

3.4 燃氣吸收式熱泵機組供熱

3.4.1 熱泵站規(guī)模及供熱負荷

采用燃氣吸收式熱泵機組方案，含油污水不能直進熱泵機組，需要經(jīng)過中間換熱器換熱[9]，污水用量5 500 m3/d，按照COP為1.67，含油污水最高提溫13℃，中間水最高取溫13℃，熱泵機組的最大供熱量為8.53 MW，采用燃氣吸收式熱泵機組可替代用熱負荷及參數(shù)見表5。

根據(jù)熱負荷情況，熱泵站新建3臺3.5 MW燃氣吸收式熱泵機組，夏季運行1臺熱泵機組，最冷季熱泵機組全部運行，總供熱負荷可以達到8.66 MW。

3.4.2 熱泵站運行方式

從表5中可以看出采用燃氣吸收式熱泵機組可以滿足夏季全部工藝用熱負荷，夏季外輸爐和摻水爐全部停運。冬季除外輸要求75℃不能滿足，需進行二次加熱，采暖爐、摻水爐全部停運。夏季運行1臺熱泵機組替代外輸和摻水負荷；冬季運行1臺熱泵機組替代采暖負荷[10]，運行2臺熱泵機組替代外輸和摻水負荷。

表5 采用燃氣吸收式熱泵機組可替代用熱負荷及參數(shù)Tab.5 Alternative heat load and parameters of Gas absorption heat pump unit

3.4.3 熱泵站供熱參數(shù)的確定

根據(jù)含油污水溫度和工藝加熱介質(zhì)溫度要求，確定用于工藝加熱系統(tǒng)的燃氣吸收式熱泵機組供熱端設計參數(shù)為80/60℃。

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查、往年的運行數(shù)據(jù)以及工藝需要，采暖加熱爐最冷季的實際供水溫度為70℃，脫水爐的出口溫度為55℃，確定用于采暖系統(tǒng)的燃氣吸收式熱泵機組供熱端設計參數(shù)為70/55℃。

3.5 熱泵方案對比

X聯(lián)合站采用熱泵機組回收利用含油污水余熱，根據(jù)選用的熱泵機組型式可按2個熱泵站方案，方案一選用電動壓縮式熱泵，方案二選用燃氣吸收式熱泵，站內(nèi)含油污水余熱利用以能用盡用為原則，由于壓縮式熱泵與吸收式熱泵提取相同的余熱量，供熱負荷不同，在熱泵站實施前后站內(nèi)總用熱負荷不變的前提下，對該工程2個熱泵站方案進行比選。

X聯(lián)合站冬季供暖和工藝（摻水和外輸）熱負荷8.88 MW，夏季工藝（摻水和外輸）熱負荷2.88 MW。站內(nèi)含油污水量為5 500 m3/d，溫度35℃，采用電動壓縮式熱泵最大供熱負荷為5.33 MW，采用燃氣吸收式熱泵機組的最大供熱負荷為8.53 MW。按照熱量平衡進行方案對比，供熱負荷對比見表6。

表6 供熱負荷對比Tab.6 Comparison of heating load

按照供熱負荷冬季8.88 MW，夏季2.88 MW進行方案對比。方案一與方案二實施后，X聯(lián)合站供熱能耗和運行成本的變化見表7。

表7 X聯(lián)合站供熱能耗和運行成本變化Tab.7 Comparison of heating energy consumption and operation cost of X combined station

4 經(jīng)濟效益

采用方案一電動壓縮式熱泵，年增加電耗871.3×104kWh/a，節(jié)約天然氣393.1×104m3/a（標況），年節(jié)約3 702.6 t標煤。

采用方案二燃氣吸收式熱泵，年增加電耗95.6×104kWh/a，節(jié)約天然氣261.5×104m3/a（標況），年節(jié)約3 057.9 t標煤。

方案一比方案二節(jié)能效果好，多節(jié)約644.7 t標煤；方案一建設投資比方案二少699.88萬元，一次性投資少；方案一投資及十年費用現(xiàn)值比方案二多1 183.94萬元，方案一稅后收益率為-11.17%，方案二稅后收益率為8.82%。電價為0.720元/kWh（含增值稅）；天然氣價格為1.64元/m3（含增值稅）。方案一年運行成本比方案二高280.92萬元。

綜合對比，方案二采用吸收式熱泵機組雖然投資高，節(jié)能量少，但站內(nèi)供熱能耗運行費用較低，投資收益率高。

5 結(jié)論

聯(lián)合站的含油污水直接回注地下，會造成污水余熱的浪費，實現(xiàn)污水余熱的有效利用是一種切實可行的節(jié)能方式。關(guān)于聯(lián)合站污水余熱利用的熱泵選用，在伴生氣不足的地區(qū)，可優(yōu)先選用電動壓縮式熱泵，其在投資和節(jié)能量上具有明顯的優(yōu)勢。在伴生氣富足的地區(qū)，可優(yōu)先選用燃氣吸收式熱泵，既能減少伴生氣的浪費，又能達到較高的投資收益率。