某油田聯(lián)合站污水余熱利用研究

劉佳（遼河油田特種油開發(fā)公司）

隨著原油從地下采出，再通過管道被輸送至轉(zhuǎn)油站，最后到達(dá)聯(lián)合站，在聯(lián)合站完成原油的脫水處理，被處理為合格的原油才能外輸。原油的脫水流程主要為熱化學(xué)沉降，整個的原油脫水過程，需要消耗大量的天然氣加熱原油[1-2]。同時隨著油田產(chǎn)出液含水率增高[3]，原油的脫水過程會增加能源的消耗，產(chǎn)生大量的高溫污水。這一過程將采用節(jié)能的熱泵技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

熱泵的節(jié)能原理：對于理想的熱泵制熱循環(huán)，如果忽略其它熱損失，則由熱力學(xué)第一定律可得出熱平衡關(guān)系式：

式中：Q1為冷凝器的熱負(fù)荷，即單位時間被加熱介質(zhì)吸熱量，W；Q0為蒸發(fā)器的熱負(fù)荷，即單位時間提取低溫?zé)嵩吹臒崃浚琖；W為外界輸入的功，W。

熱泵制熱性能系數(shù)εCOP為：

由公式（1）、（2）可以看出，熱泵的供熱量等于從低溫?zé)嵩粗形盏睦淠裏崃亢屯饨巛斎氲墓ρa(bǔ)償熱量之和，即對于第一類吸收式熱泵和壓縮式熱泵制熱性能系數(shù)永遠(yuǎn)大于1，供熱量始終大于消耗的高品位驅(qū)動能量的熱量。熱泵是采用逆卡諾循環(huán)，使熱量從低溫物體流向高溫物體，整個過程消耗少量的逆循環(huán)凈功，可以得到較大的供熱量。熱泵根據(jù)驅(qū)動方式的不同，油田常用的熱泵主要分為吸收式和壓縮式兩種，國內(nèi)眾多學(xué)者對熱泵技術(shù)進(jìn)行研究，利用熱泵對油田的污水余熱進(jìn)行回收，提供熱量用于原油加熱或聯(lián)合站采暖[4-6]。文中以某油田聯(lián)合站為例，利用壓縮式熱泵將處理后污水中熱量進(jìn)行回收，用于聯(lián)合站來液一段加熱和冬季采暖。

1 聯(lián)合站概況

1.1 現(xiàn)狀

聯(lián)合站設(shè)計處理能力為100×104t/a，污水設(shè)計處理能力1.2×104m3/d。目前站內(nèi)原油生產(chǎn)流程為二段熱化學(xué)沉降工藝，現(xiàn)有1.15×104m3/d 各站來的采出液，經(jīng)過脫水分離后，再經(jīng)過污水處理后污水約11 000 m3/d，該部分污水溫度冬季40 ℃，處理后污水含油小于5 mg/L，懸浮物小于10 mg/L，且流量穩(wěn)定。目前該部分污水用于回注，污水的余熱沒有利用[7-8]。

原油處理系統(tǒng)流程見圖1，進(jìn)站來液首先經(jīng)加熱爐提溫后進(jìn)入沉降罐脫水，脫出污水進(jìn)入污水處理系統(tǒng)，沉降罐上層原油進(jìn)入緩沖罐，脫水泵抽緩沖罐中原油進(jìn)入脫水加熱爐進(jìn)一步提溫后，進(jìn)入二段脫水器脫水之后，進(jìn)入好油罐靜沉，原油在好油罐脫水合格達(dá)標(biāo)后經(jīng)外輸加熱爐提溫外輸。

圖1 原油處理系統(tǒng)流程Fig.1 Flow of crude oil treatment system

污水處理系統(tǒng)流程見圖2，原油處理系統(tǒng)脫出污水首先進(jìn)入斜管除油罐，處理后污水進(jìn)入浮選機(jī)處理，浮選機(jī)處理后污水進(jìn)入過濾吸水池，過濾泵吸過濾吸水池，將污水增壓進(jìn)入過濾器，最后污水進(jìn)入注水罐用于注水。

圖2 污水處理系統(tǒng)流程Fig.2 Flow of sewage treatment system

1.2 用熱情況

聯(lián)合站用熱主要包括進(jìn)來液一段加熱、二段加熱、原油外輸加熱和采暖等，所有用熱均由天然氣加熱爐提供，目前聯(lián)合站內(nèi)擁有加熱爐9 臺，其中進(jìn)站加熱爐4 臺（3 臺1 750 kW，1 臺1 250 kW），脫水加熱爐2 臺（1 750 kW），外輸加熱爐2 臺（1 750 kW），采暖加熱爐1 臺（1 250 kW），9 臺加熱爐每年消耗大量的天然氣。

原油一段從45 ℃加熱至51 ℃，加熱熱負(fù)荷為2 600 kW。冬季采暖負(fù)荷為900 kW，采暖供回水溫度為60 ℃/45 ℃。原油二段加熱和原油外輸加熱溫度分別為80 ℃和90 ℃，原油不能通過熱泵直接加熱，需采用熱水換熱，根據(jù)《油田油氣集輸設(shè)計規(guī)范》GB 50350—2015 第4.5.18 條要求“端溫差不宜小于15 ℃”。根據(jù)當(dāng)前參數(shù)污水溫度（冬季38 ℃）以及熱泵技術(shù)條件，熱泵可制取80 ℃熱水，該溫度熱水無法實(shí)現(xiàn)原油二段脫水加熱和原油外輸加熱。故只考慮將一段加熱和供暖加熱負(fù)荷進(jìn)行替代，熱負(fù)荷合計3 500 kW。

壓縮式熱泵在運(yùn)行中不消耗化石能源，無污染物、CO2排放，更加符合國家和對碳減排的政策要求，因此采用壓縮式熱泵作為熱源替代原有燃?xì)饧訜釥t[9-10]。

2 熱泵設(shè)計方案

設(shè)計規(guī)模為1 臺1 000 kW 和1 臺3 000 kW 壓縮式熱泵，熱泵采用污水作為熱泵的低溫?zé)嵩?，采用電能作為?qū)動能源。站內(nèi)現(xiàn)有燃?xì)饧訜崃鞒瘫Ａ簦?dāng)熱泵系統(tǒng)檢修停運(yùn)時可恢復(fù)原有流程。采暖循環(huán)系統(tǒng)可以利舊，此次設(shè)計只需完善管網(wǎng)。

2.1 工藝流程

2.1.1 采暖加熱系統(tǒng)

以處理后污水為低溫?zé)嵩?，處理后污水?0 ℃，124 m3/h）先通過板式換熱器將熱量交換給循環(huán)水，循環(huán)水進(jìn)、出口溫度分別為24 ℃、34 ℃，處理后污水溫度降至34.8 ℃后輸回污水處理系統(tǒng)。

循環(huán)水進(jìn)入采暖熱泵機(jī)組撬裝裝置的蒸發(fā)側(cè)，采暖回水（52 m3/h）進(jìn)入熱泵機(jī)組冷凝側(cè)，將采暖回水自45 ℃加熱至60 ℃用于建筑單體供暖。采暖加熱原理流程見圖3。

圖3 采暖加熱原理流程Fig.3 Flow of heating principle

2.1.2 工藝加熱系統(tǒng)

以處理后污水為低溫?zé)嵩?，處理后污水?0 ℃，333.9 m3/h）先通過板式換熱器將熱量交換給循環(huán)水，循環(huán)水進(jìn)、出口溫度分別為24 ℃、34 ℃，處理后污水溫降至34.8 ℃后輸回污水處理系統(tǒng)。

循環(huán)水進(jìn)入伴熱熱泵機(jī)組撬裝裝置的蒸發(fā)側(cè)，原油一段換熱回水（224 m3/h）進(jìn)入熱泵機(jī)組冷凝側(cè)，將換熱回水自60 ℃加熱至70 ℃用于原油一段換熱。工藝加熱原理流程見圖4。

圖4 工藝加熱原理流程Fig.4 Flow of process heating principle

2.2 主要設(shè)備選型

2.2.1 熱泵

熱泵機(jī)組采用全自動控制系統(tǒng)，具有程序啟動、程序檢漏、自動調(diào)節(jié)、超溫報警等控制及安全保護(hù)功能。

熱泵選型原則：為使熱泵在較高能效比狀態(tài)中運(yùn)行，設(shè)置2 臺熱泵分別加熱采暖水和原油脫水的來液。采暖熱負(fù)荷900 kW，原油加熱負(fù)荷2 600 kW，機(jī)組考慮10%左右附加系數(shù)，則采暖熱泵機(jī)組額定制熱量1 000 kW，原油熱泵機(jī)組額定制熱量3 000 kW。

熱泵機(jī)組負(fù)荷側(cè)熱負(fù)荷為900 kW，因機(jī)組僅為冬季采暖用，當(dāng)機(jī)組發(fā)生故障時可由燃?xì)獠膳仩t保障，因此設(shè)置1 臺熱泵機(jī)組，單臺熱泵機(jī)組額定制熱量1 000 kW。

工藝熱泵機(jī)組負(fù)荷側(cè)熱負(fù)荷為2 600 kW，因機(jī)組僅為冬季工藝換熱用，當(dāng)機(jī)組發(fā)生故障時可由燃?xì)忮仩t保障，因此設(shè)置1 臺熱泵機(jī)組，單臺熱泵機(jī)組額定制熱量3 000 kW。壓縮式熱泵機(jī)組運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 壓縮式熱泵機(jī)組運(yùn)行參數(shù)Tab.1 Operating parameter of compression heat pump unit

2.2.2 換熱器

目前換熱器以板式換熱器、管殼式換熱器應(yīng)用最為廣泛。板式換熱器具有傳熱系數(shù)高、占地面積小、價格低、熱損失小等優(yōu)點(diǎn)，因此選用板式換熱器。

換熱器高溫側(cè)介質(zhì)為污水，為提高系統(tǒng)可靠性，該工程板式換熱器選擇2 臺，一運(yùn)一備。根據(jù)換熱器換熱量、冷熱介質(zhì)參數(shù)進(jìn)行工藝計算，換熱器設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 換熱器設(shè)計參數(shù)Tab.2 Design parameter of heat exchanger

熱泵系統(tǒng)的主要設(shè)備及設(shè)計參數(shù)見表3，其余配套工程包括：場區(qū)管線，供配電及自控儀表，采暖循環(huán)泵及水箱可利舊。

表3 熱泵系統(tǒng)主要設(shè)備及設(shè)計參數(shù)Tab.3 Main equipment and design parameter of heat pump system

3 現(xiàn)場應(yīng)用能耗與經(jīng)濟(jì)性分析

工程實(shí)施前，站內(nèi)主要供熱系統(tǒng)是通過消耗天然氣化學(xué)能實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移，采暖熱負(fù)荷為900 kW，工藝加熱熱負(fù)荷為2 600 kW，采暖天數(shù)為150 d，工藝加熱為全年運(yùn)行，天然氣熱值為3.5×104kJ/m3，考慮加熱爐效率85%，經(jīng)計算，年消耗天然氣320×104m3，年消耗電量23×104kWh。

工程實(shí)施后，利用熱泵回收污水中的熱量替代現(xiàn)有聯(lián)合站采暖加熱爐和工藝加熱爐壓縮式熱泵采用電驅(qū)動，采暖系統(tǒng)出水溫度為60 ℃，εCOP相對較高為5.5，工藝系統(tǒng)出水溫度為70 ℃，εCOP較采暖系統(tǒng)低4.2，考慮熱泵機(jī)組和蒸發(fā)器側(cè)及冷凝器側(cè)循環(huán)泵耗電，全年耗電量為653×104kWh。

工程實(shí)施前后對比見表4，熱泵機(jī)組替代原加熱爐系統(tǒng)，每年節(jié)能8 932×104MJ，折合標(biāo)煤減少3 481.8 t，減少CO2排放2 024.5 t。

表4 工程實(shí)施前后對比Tab.4 Comparison before and after project implementation

該項(xiàng)目的工程費(fèi)投資概算為1 560 萬元，為了便于比較，天然氣和電價采用市場價格進(jìn)行折算，天然氣價為3.1 元/m3，電價為0.54 元/kWh，工程實(shí)施前，年能源消耗為1 004.4 萬元，工程實(shí)施后，年能源消耗為352.6 萬元，每年可節(jié)省能源消耗費(fèi)用651.8 萬元，投資回收期為2.4 a，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 結(jié)論

“雙碳”目標(biāo)是國家的一項(xiàng)重大戰(zhàn)略決策，是各行各業(yè)各領(lǐng)域共同奮斗的發(fā)展目標(biāo)。隨著油田開發(fā)已進(jìn)入中后期，節(jié)能降耗、綠色低碳成為油田企業(yè)發(fā)展的主要基調(diào)，采用新能源技術(shù)對已有的工藝技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化簡化、技術(shù)替代是油田綠色發(fā)展的主要途徑。得到的結(jié)論如下：

1）通過對已建聯(lián)合站中原油處理流程和污水處理系統(tǒng)的工藝進(jìn)行深入分析，得出可以利用處理后污水作為低溫?zé)嵩?，采用壓縮式熱泵替代現(xiàn)有燃?xì)饧訜釥t，用于原油處理一段用熱和站內(nèi)采暖用熱。

2）通過壓縮式熱泵作為熱源，工程實(shí)施后，每年可節(jié)能8 932×104MJ，折合標(biāo)煤減少3 481.8 t，減少CO2排放2 024.5 t，可以大規(guī)模減少化石能源消耗，提高清潔能源利用率，有力支撐國家“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，該項(xiàng)目節(jié)能減排效果顯著。

3）工程實(shí)施后，壓縮式熱泵較原燃?xì)饧訜釥t每年可節(jié)省燃料消耗費(fèi)用651.8 萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。采用電氣化壓縮式熱泵替代燃?xì)饧訜釥t，具有很好的應(yīng)用前景，可以在油田大規(guī)模推廣，促進(jìn)油田發(fā)展過程中的降本增效。