王星源（大慶油田工程建設(shè)有限公司）

高溫水源熱泵機組在油田污水余熱回收利用中的應(yīng)用

王星源（大慶油田工程建設(shè)有限公司）

開發(fā)利用油田高溫污水余熱資源成為油田新的效益增長點。介紹了高溫水源熱泵機組工作原理、特點、現(xiàn)場應(yīng)用情況以及應(yīng)用效果分析等。實踐證明，采用BOO項目管理模式實現(xiàn)污水余熱開發(fā)利用，可以有效解決油田節(jié)能項目資金不足的問題，高溫水源熱泵機組在油田污水余熱回收利用中的應(yīng)用其技術(shù)是成熟可行的，完全能滿足油田高溫污水通過兩級換熱的利用方式的技術(shù)要求，具有良好的推廣應(yīng)用價值。

高溫水源；熱泵機組；污水余熱；回收利用；應(yīng)用

隨著老油田開采難度的逐年增加，其能耗也在不斷上升，特別是在油田稠油開發(fā)區(qū)塊，其熱力系統(tǒng)能耗占比就達(dá)70%以上，降低熱力系統(tǒng)能耗成為降本增效的主要目標(biāo)［1］。油田在采出液處理過程中，需要大量的熱能以滿足原油生產(chǎn)需要，同時又有大量的40～70℃污水余熱沒有充分利用就進(jìn)行回注或外排，不僅造成了余熱資源的浪費，而且對污水處理系統(tǒng)和注水系統(tǒng)設(shè)備管網(wǎng)造成嚴(yán)重結(jié)垢腐蝕，使維修維護成本越來越高。實施綠色低碳發(fā)展戰(zhàn)略，開發(fā)利用污水余熱資源，實現(xiàn)企業(yè)節(jié)能降耗和降本增效已成為各油田一項重要的研究課題，而油田污水熱余熱資源作為一種清潔能源已越來越得到廣泛重視，開發(fā)利用油田高溫污水余熱將成為油田新的效益增長點[2-3]。為此，某油田結(jié)合低油價的嚴(yán)峻形勢，對污水余熱利用項目進(jìn)一步評價優(yōu)化，按效益優(yōu)化排序，提出了《高溫水源熱泵機組在油田污水余熱回收利用中的應(yīng)用》這一攻關(guān)課題，并取得了良好的應(yīng)用效果。

1 高溫水源熱泵機組

1.1 工作原理

高溫水源熱泵機組是一種利用油田采出液中的高溫污水制取較高溫度熱水的空調(diào)熱源設(shè)備，采用先進(jìn)高效耐腐蝕、高傳熱效率的波紋換熱管，與被加熱原油實現(xiàn)熱換熱，達(dá)到高溫污水余熱回收利用目的[4]。其制熱原理是壓縮機將從冷水側(cè)蒸發(fā)器回來的制冷劑蒸氣，壓縮成高壓氣體，并送到熱水側(cè)冷凝器中，氣態(tài)制冷劑的熱量由熱水循環(huán)系統(tǒng)帶走被冷凝成液體，液態(tài)制冷劑經(jīng)過液路操作閥、干燥過濾器、熱力式膨脹閥進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中制冷劑液體吸收冷水循環(huán)系統(tǒng)中水的熱量而蒸發(fā)成氣體再進(jìn)入壓縮機。冷水循環(huán)系統(tǒng)中的冷水溫度被降低，這樣周而復(fù)始地工作從而達(dá)到制熱的目的。

1.2 特點

1）結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡單。機組將制冷循環(huán)系統(tǒng)中的制冷壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、干燥過濾器、電子式膨脹閥、壓力表、壓力控制器、油壓控制器、溫度控制器、制冷管路及電控箱等全部零部件整體組裝，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、操作簡單，為用戶設(shè)計、安裝、操作及維護提供了最大的方便性和經(jīng)濟性。

2）采用先進(jìn)的控制方法，具有全自動控制功能。西門子S7-200系列PLC，操作界面采用西門子TP系列觸摸屏、6ES7-231（EM231）熱電阻輸入模塊，是用于自動控制系統(tǒng)的可靠裝置。可編程序控制器具有故障自診斷、報警及保護功能。它應(yīng)用于水源熱泵機組中不但能顯示機組的運行參數(shù)、報警參數(shù)，而且還能對機組的某些控制參數(shù)在現(xiàn)場進(jìn)行設(shè)定。在機組正常運行時能一直監(jiān)控檢測熱水的出水溫度和回水溫度，并能根據(jù)回水溫度自動控制壓縮機的上載、卸載，從而準(zhǔn)確地控制機組的供熱量，達(dá)到運行安全可靠及高效節(jié)能的目的。

3）機組能夠高效運行。采用熱力式膨脹閥，可根據(jù)冷水測水溫及機組運行情況自動調(diào)節(jié)制冷劑流量，使機組始終處于最佳高效運行狀態(tài)。

4）保護功能齊全，運行可靠。機組設(shè)有較完善的安全保護系統(tǒng)，它們是壓縮機的排氣壓力過高保護、壓縮機的吸氣壓力過低保護、電動機保護、油位過低保護、斷水保護、冷水溫度過低保護、熱水溫度過高保護等，因此機組運行安全可靠。

5）體積小，結(jié)構(gòu)先進(jìn)。采用半封閉往復(fù)式制冷壓縮機作為主機，該壓縮機具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)先進(jìn)、噪音低、振動極小等特點，而且該壓縮機運行工況范圍較廣。

6）換熱效率高。機組的兩大換熱器，均采用容積式與管殼式換熱器相結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)換熱器，換熱管采用耐腐蝕、高傳熱效率的波紋換熱管，不僅有效解決了高溫污水對換熱器的腐蝕和結(jié)垢堵塞問題，而且換熱效率高。

7）壓力容器安全可靠。機組的容器均嚴(yán)格按照壓力容器的有關(guān)規(guī)定設(shè)計制造，并通過了壓力容器監(jiān)察部門的檢查和驗收。蒸發(fā)器、冷凝器的水測設(shè)計壓力均高達(dá)1.6 MPa，完全適合油田生產(chǎn)現(xiàn)場工藝流程和高層建筑的需要。

8）雙系統(tǒng)運行保障方式。采用多機頭雙系統(tǒng)形式，可根據(jù)負(fù)荷的變化情況自動調(diào)節(jié)壓縮機的運轉(zhuǎn)臺數(shù)，節(jié)能效果顯著。當(dāng)其中一個系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，另一個系統(tǒng)仍可正常運轉(zhuǎn)。

9）先進(jìn)的污水過濾工藝。采用日本原裝DAST自動清洗過濾器，為了解決過濾油性液體時，網(wǎng)壁上產(chǎn)生油膜而堵塞濾網(wǎng)及油污廢水中含有高分子聚合物等問題，日本制造公司在DAST的刮刀上設(shè)計了反吸器裝置，其工作原理是在過濾器的底部再設(shè)計一個排污口，排污口與反吸器是相通并在排污口設(shè)一個電磁開關(guān)控制。當(dāng)傳感器檢測到網(wǎng)孔被油污和高分子聚合物堵塞時，在啟動刮刀旋轉(zhuǎn)的同時，排污口的控制閥按設(shè)定方式執(zhí)行打開、閉合的程序啟動動作，達(dá)到自動和高效清洗過濾的目的。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

該高溫水源熱泵機組于2015年10月在某油田某聯(lián)合站投入現(xiàn)場應(yīng)用。污水余熱利用項目實施前該聯(lián)合站內(nèi)每天污水流量達(dá)6000 m3，污水溫度為72℃至79℃，余熱沒有被利用，就直接進(jìn)行了回注，造成了余熱資源浪費。另外，如此高的污水溫度，使得污水處理系統(tǒng)和注水系統(tǒng)設(shè)備管網(wǎng)易結(jié)垢并腐蝕嚴(yán)重，維修維護成本變高。該聯(lián)合站污水余熱利用項目采用B00模式實施，由技術(shù)服務(wù)商投資建設(shè)和運營，油田“買熱”。項目實施運行后，被加熱原油溫度及流量分別為46℃、65.6 m3/h，加熱后原油溫度達(dá)到了74.1℃。實際取用污水溫度、流量分別為76.16℃、185 m3/h，換熱后污水溫度為56.94℃。高溫水源熱泵機組應(yīng)用前后對比數(shù)據(jù)見表1。

表1 高溫水源熱泵機組應(yīng)用前后對比數(shù)據(jù)

從表1中可以看出，應(yīng)用高溫水源熱泵機組后，在滿足油田正常生產(chǎn)的前提下，日節(jié)省燃料原油4.2 t，年節(jié)約燃料原油1533 t，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤2190 t、減少碳排放3960 t，高溫污水溫度由利用前的76.16℃下降到余熱回收后的56.94℃，污水溫度下降了19.22℃，被加熱原油由高溫水源熱泵機組換熱前的46℃上升到換熱后的74.1℃，加熱原油與采用加熱爐加熱效果相似，但節(jié)省了一筆相當(dāng)可觀的燃油費用。

3 應(yīng)用效果分析

1）高溫污水余熱得到充分利用。過去聯(lián)合站每日產(chǎn)生的高溫污水余熱未被利用就直接進(jìn)行了回注，造成了余熱資源浪費。應(yīng)用該裝置后，高溫污水余熱資源得到充分開發(fā)利用，不僅替代了聯(lián)合站原有的加熱爐等原油加熱設(shè)備，而且設(shè)計安裝了容積式與管殼式換熱器相結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)換熱器，換熱管采用耐腐蝕、高傳熱效率的波紋換熱管，有效解決了高溫污水對換熱器造成的腐蝕和結(jié)垢堵塞問題。

2）節(jié)能效益明顯。年節(jié)約燃料原油1533 t，按每噸原油價格2100元計算，則節(jié)省燃油費用321.93萬元，減去年購熱費用77.2萬元，直接節(jié)能效益可達(dá)244.73萬元。

3）減排效果明顯。該項目運行后，該站每年可減少燃油（原油）消耗1533 t，按每噸燃油（原油）燃燒產(chǎn)生3.366 t二氧化碳、0.273 6 t二氧化硫、0.136 8 t氮氧化物計算，則每年可減少排放5 160.078 t二氧化碳、419.428 8 t二氧化硫、485.654 4噸氮氧化物。

4）節(jié)省了人工成本。該站原加熱爐崗原需要4名加熱工，應(yīng)用高溫水源熱泵機組后只需要1名員工負(fù)責(zé)與項目技術(shù)服務(wù)商的協(xié)調(diào)、能耗統(tǒng)計與費用核算工作，大大地節(jié)省了人工成本，緩解了企業(yè)用工緊張問題。

5）降低了污水回注溫度。聯(lián)合站污水溫度由原來的76.16℃下降到余熱回收后的56.94℃，污水溫度的降低，有效降低對污水處理系統(tǒng)和注水系統(tǒng)設(shè)備管網(wǎng)造成結(jié)垢腐蝕的問題，減少聯(lián)合站維修維護成本，延長聯(lián)合站設(shè)備設(shè)施使用壽命。

4 結(jié)論

油田具有豐富的高溫污水余熱資源和資源開發(fā)應(yīng)用潛力，高溫污水余熱的開發(fā)利用對于油田節(jié)能減排、降本減費增效將發(fā)揮重要作用。實踐證明，采用BOO項目管理模式實現(xiàn)污水余熱開發(fā)利用，可以有效解決油田節(jié)能項目資金不足的問題，高溫水源熱泵機組在油田污水余熱回收利用中的應(yīng)用技術(shù)是成熟可行的，完全能滿足油田高溫污水通過兩級換熱的技術(shù)要求，其經(jīng)濟效益和社會效益是可觀的，具有良好的推廣應(yīng)用價值。

[1]朱益飛.勝利油田全方位做好節(jié)能減排[J].電力需求側(cè)管理.2012，14（4）：64.

[2]朱益飛.勝利油田實施綠色低碳戰(zhàn)略[J].石油石化節(jié)能2015，5（3）：34-35.

[3]朱益飛.勝利油田熱泵技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及對策應(yīng)用[J].電力需求側(cè)管理2012，14（1）：31-33.

[4]朱益飛.熱泵型原油加熱系統(tǒng)在孤東油田的應(yīng)用[J].變頻器世界2009，10（10）：A9-A12.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.02.003

2016-11-06

（編輯 張興平）

王星源，2013年畢業(yè)于黑龍江工程學(xué)院（土木工程專業(yè)），從事油氣田地面建設(shè)工作，E-mail：418898092@qq.com，地址：黑龍江省大慶市工程建設(shè)有限公司油建公司第四工程部，163000。