劉璐（大慶油田設(shè)計院有限公司）

1 現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計，各行業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余熱資源約占能量總輸入的17%～67%，這些余熱資源的60%都可以回收利用。油氣田地面場站燃氣發(fā)電機組的熱能有效利用率僅有35%左右，發(fā)電機組的高溫煙氣通常被當作廢氣排放掉。油田生產(chǎn)現(xiàn)場根據(jù)自身的生產(chǎn)特點和使用條件，合理的選擇余熱利用技術(shù)和方式，能夠取得良好節(jié)能減排效果的同時，降低原油生產(chǎn)成本[1-4]。

A燃氣輪機注水站現(xiàn)有燃氣輪機直拖注水泵兩套，以天然氣為燃料，用于油田提壓注水。燃氣輪機轉(zhuǎn)速為10 300 r/min，單套額定功率為4 050～4 080 kW，排氣量42.5～44.1 kg/s，排煙溫度為410℃～434℃，排氣壓力0.11 MPa，燃氣熱值11 734 kCal/kg。每天耗天然氣（11.5～12.1)×104m3，兩臺泵日注水量為40 000 m3，注水泵排量為724 m3/h，水泵出口壓力為（15.6±1.5）MPa，泵效為87%。

根據(jù)現(xiàn)場收集和運行現(xiàn)狀分析，存在以下幾方面的問題：能源利用率不高，能量浪費嚴重。目前A注水站無論是有效余熱還是無效余熱全部排放，在可利用的16.7 MW/臺有效熱量中，僅有4.1 MW得以利用，有效能源利用率只有24.6%。由于余熱全部排放，燃氣輪機熱機轉(zhuǎn)換效率僅為19%，剩余81%有效能量全部排放，能源浪費嚴重。其次煙溫超過250℃排放，會使周圍熱污染加重；燃氣輪機排煙溫度超過400℃，普通碳鋼內(nèi)部就有一定的蠕變，使鋼材熱腐蝕和熱氧腐蝕成倍增加，隨時都有泄漏的危險，容易造成煙囪的坍塌，若有人在周圍，危險性更大。為此，開展燃氣輪機高溫煙氣余熱利用很有必要。

2 技術(shù)方案

2.1 安全應(yīng)用余熱的條件

燃氣輪機在拖動注水泵后連續(xù)排出煙氣且溫度較高，若不正確地利用余熱，會使余熱鍋爐的鋼材在低負荷輸出時因溫度升高而發(fā)生蠕變，導致鍋爐內(nèi)換熱管鼓包，裂紋，甚至爆炸。所以安全應(yīng)用余熱基本條件是：一是被加熱的介質(zhì)能連續(xù)且穩(wěn)定運行吸熱；二是被加熱的介質(zhì)所用熱負荷不小于余熱量；三是不連續(xù)間斷的熱負荷需要在不運行時有儲熱的功能；四是不連續(xù)且不穩(wěn)定的熱負荷不能用余熱。四種條件中，前兩種組合是最佳組合，尤其是第二條件是必不可少的。第三種條件是有儲熱功能即能被連續(xù)升溫加熱，若所需負荷大于余熱時，需要配合前兩種條件的熱負荷，使總負荷不小于余熱；若所需負荷不小于余熱時，可以直接利用余熱[5-7]。

2.2 余熱利用模式

?值越大，利用率越高，經(jīng)濟性越好。煙氣溫度越高，?的潛力越大，能轉(zhuǎn)化為動力的熱?值越高。由此分析，將高溫煙氣能轉(zhuǎn)化為動力是首選。不能轉(zhuǎn)化為動力的，溫度高的余熱可加熱油田所需溫度高的介質(zhì)，溫度低的余熱可加熱油田所需溫度低的介質(zhì)。該理念符合國家提倡的能源梯級利用政策，可以稱為油田版的余熱梯級利用。

2.3 余熱梯級利用動力

目前，油田采用的動力只有電拖和燃氣輪機直拖兩種方式。今后可以拓展動力的有燃氣發(fā)動機直拖泵、汽輪機直拖泵（或其它轉(zhuǎn)動機械、或發(fā)電機）等方式。

燃氣輪機、燃氣發(fā)動機、汽輪機直拖泵（或其他轉(zhuǎn)動機械）動力損失少，動力負荷100%利用，減少了發(fā)電→變電→電網(wǎng)→變電→電動機等各個環(huán)節(jié)的損失，且不用考慮發(fā)完電后能否全部被利用問題，無論是管理還是安全運行等方面，均優(yōu)于發(fā)完電后再被利用過程。

2.4 余熱梯級利用可加熱的介質(zhì)

油田內(nèi)需要被加熱的介質(zhì)：轉(zhuǎn)油放水站（轉(zhuǎn)油站）有摻水和熱洗等；聯(lián)合站有脫水、外輸?shù)?；不加熱集輸井所需車載式熱洗水；各種站的采暖伴熱；原穩(wěn)站原油加熱等。隨著油田進一步開發(fā)，半稠油區(qū)塊或?qū)酉档母邷刈⑺彩且环N被加熱的介質(zhì)。以上介質(zhì)，除采暖伴熱受氣候影響外，其它均不受氣候影響。以上用熱，能夠連續(xù)穩(wěn)定用熱的介質(zhì)有聚驅(qū)轉(zhuǎn)油（放水）站摻水和半稠油區(qū)塊（層系）的高溫注水；能夠連續(xù)趨于穩(wěn)定用熱有聯(lián)合站的脫水和外輸；小負荷不連續(xù)不穩(wěn)定用熱，但通過技術(shù)手段轉(zhuǎn)化為連續(xù)近似于穩(wěn)定的熱負荷有不加熱集輸?shù)能囕d式熱洗水；階段式連續(xù)但不穩(wěn)定用熱的為采暖伴熱；采油廠外的天然氣公司有的站原油穩(wěn)定加熱屬于連續(xù)穩(wěn)定用熱；而轉(zhuǎn)油（放水）站熱洗為不連續(xù)不穩(wěn)定用熱負荷。根據(jù)實際情況，首選聚驅(qū)轉(zhuǎn)油（放水）站的摻水，次選半稠油開采所用的高溫熱水，再選是脫水、外輸和車載式熱洗水，若實際用熱量滿足后，煙氣溫度仍在150～200℃，可以考慮采暖伴熱用熱，應(yīng)徹底摒棄轉(zhuǎn)油站（放水）站中的熱洗用熱。綜合考慮用熱方案，確定一種或幾種組合式余熱利用方式[8-10]。

2.5 余熱利用后各單元流程

①梯級應(yīng)用中動力產(chǎn)生單元環(huán)節(jié)：該單元采用余熱加熱無鹽水產(chǎn)生2～3 MPa蒸汽，驅(qū)動汽輪機直拖泵或拖動發(fā)電機。

驅(qū)動汽輪機直拖注水泵流程中包含余熱蒸汽鍋爐、汽輪機、注水泵、無鹽水處理系統(tǒng)、除氧器等，簡易流程如下：

驅(qū)動汽輪機拖動發(fā)電機流程：直拖注水泵流程中的注水泵改為發(fā)電機，發(fā)電機之前的流程與直拖流程一致，發(fā)電機及之后流程如下：

②摻水加熱單元：包括轉(zhuǎn)油站（放水）站升壓泵、汽/摻水摻混裝置、緩沖裝置、摻水泵等。簡易流程如下：

③脫水、外輸、原油穩(wěn)定各加熱單元：包括汽/脫水防垢防堵?lián)Q熱器（或汽/外輸?shù)龋?、凝結(jié)水回收系統(tǒng)等。簡易流程如下：

④車載熱洗水加熱單元流程：包括汽/清水防垢摻混加熱裝置、蓄熱緩沖罐、蓄熱循環(huán)泵、倒水泵等。簡易流程如下：

⑤采暖伴熱加熱單元流程：包括循環(huán)泵、pH值調(diào)和裝置、補水裝置等。軟化水取自無鹽水處理系統(tǒng)，加熱取自余熱鍋爐末端。簡易流程如下：

⑥不產(chǎn)生動力時的余熱利用單元：包括余熱鍋爐、導熱油循環(huán)裝置、導熱油輔助裝置等。簡易流程如下：

⑦不產(chǎn)生動力時各加熱單元：包括防垢防堵?lián)Q熱器、在線清淤系統(tǒng)等，其中防垢防堵?lián)Q熱器可加熱摻水、加熱脫水、加熱外輸油或加熱原油穩(wěn)定等介質(zhì)。采暖伴熱加熱仍按⑤中流程，車載熱洗水加熱除蒸汽/清水摻混加熱裝置修改為清水/導熱油防垢換熱器，其它同流程④，各加熱單元簡易流程如下：

⑧半稠油區(qū)塊高溫注水加熱單元，簡易流程如下：

2.6 余熱利用方式

不同的余熱利用方式，有不同的投資和運行成本，產(chǎn)生的效益不同。根據(jù)A注水站周邊轉(zhuǎn)油放水站摻水用熱情況、車載熱洗水用熱情況以及產(chǎn)生動力用途等情況，可以有三種不同用途組合的余熱利用方式。方式一：不產(chǎn)生動力，直接全部加熱各轉(zhuǎn)油（放水）站摻水和車載式熱洗水。方式二：蒸汽驅(qū)動汽輪機直拖注水泵+加熱轉(zhuǎn)油（放水）站摻水+加熱車載式熱洗水。方式三：蒸汽驅(qū)動汽輪機直拖注水泵+半稠油區(qū)塊注水加熱+加熱車載式熱洗水。

方式一主要設(shè)備有余熱導熱油鍋爐2臺、導熱油循環(huán)系統(tǒng)2套、防垢防堵型汽/摻水混合裝置108套等，流程為⑦+⑧；方式二主要設(shè)備有余熱蒸汽鍋爐2臺、汽輪機直拖注水泵2套、防垢防堵型汽/摻水混合裝置76套等，流程為①+②+④；方式三主要設(shè)備有余熱蒸汽鍋爐2臺，汽輪機直拖注水泵2套、防垢防堵型汽/摻水混合裝置68套等，流程為①+②+⑧。

由于注水管網(wǎng)是連通的大網(wǎng)，產(chǎn)生動力拖動注水泵可以在其它注水站停運電拖注水泵，故產(chǎn)生的動力可以100%利用。而熱利用中車載式熱洗水用熱量固定后，周圍2 km內(nèi)聚驅(qū)轉(zhuǎn)油放水站摻水用熱是決定第一種和第二種余熱利用率的關(guān)鍵。聚驅(qū)摻水及車載熱洗用熱量見表1。

2臺燃氣輪機有效余熱為25.2 MW。方式一中，全部六座站摻水用熱+車載式熱洗水用熱量為23.51 MW，利用率93.2%，屬于優(yōu)質(zhì)節(jié)能項目；方式二余熱產(chǎn)生動力5 MW，剩余余熱為20.2 MW，去除較遠的6#站的摻水用熱，利用率超100%。方式三余熱產(chǎn)生動力5 MW，車載熱洗1.7 MW，按注水量100 m3/d/口計，剩余余熱18.5 MW可以為80口提供注高溫水。

3 效益分析

3.1 收益分析

收益中，第一種方式為節(jié)氣、節(jié)約柴油收益；第二種方式為節(jié)電、節(jié)氣、節(jié)約柴油效益；第三種方式有節(jié)電、節(jié)氣、節(jié)約柴油和增油的綜合效益。

若2臺燃氣輪機全部啟動，且年運行時數(shù)為300 d時，第一種方式節(jié)氣為2 371.8×10 m3，節(jié)約柴油1 110 t；第二種方式節(jié)電3 240×104kWh，節(jié)氣1 901.2×104m3，節(jié)約柴油1 110 t；第三種方式節(jié)電3 240×104kWh，節(jié)氣1 901.2×104m3，節(jié)約柴油1 110 t，預計年增油2.642×104t。氣價按采油廠價（冬0.3元/m3，夏0.1元/m3）和出售價（1.47元/m3），柴油價5 500元/t，以及電價按0.637元/kWh，原油價格2 070元/t分別計算，三種方式的收益見表2。

表1 聚驅(qū)摻水及平載熱洗用熱量Tab.1 Heat consumption of polymer flooding water blending

表2 三種方式收益Tab.2 Income statement of three methods 萬元

3.2 效益評價分析

評價分析要有三要素，投資、成本和收益，根據(jù)三要素計算投資回收年限和內(nèi)部收益率，三種方式下的效益評價見表3。

表3 三種方式下的效益評價Tab.3 Benefit evaluation under three modes

第一種方式中成本無氣費，只有少許輔助的電費、大修費、維修費、折舊等，約為825.4萬元（折舊費比例最多），投資為7 360萬元；第二種成本中無氣費，其它費合計成本1 266.8萬元，投資為9 280萬元；第三種成本中無氣費，其它費合計成本1 796.3萬元，投資為1.22億元，其中收益1為采油廠氣價，收益2為外銷售氣價。

3.3 經(jīng)濟評價結(jié)論

1）除了按采油廠氣價評價不產(chǎn)生動力直接用熱外，其余方式和氣價情況下，投資回收年限均低于6 a，為節(jié)能投資良好項目，只要有動力產(chǎn)生的方式二和方式三，投資回收年限均低于6 a，建議采用。

2）能產(chǎn)生動力的余熱，盡量以產(chǎn)生動力為主，無論任何氣價，只要有動力產(chǎn)生，投資回收年限均低于6 a。

3）余熱利用越廣，產(chǎn)生的效益越好。

4 結(jié)論與建議

1）燃氣輪機產(chǎn)生的余熱質(zhì)優(yōu)量大，只要能夠利用，均有一定的節(jié)氣、節(jié)電、甚至節(jié)約柴油等效果。

2）A注水站余熱能夠產(chǎn)生動力的，盡量滿足產(chǎn)出，建議采用梯級利用組合方式二（蒸汽驅(qū)動汽輪機直拖注水泵+加熱轉(zhuǎn)油（放水）站摻水+加熱車載式熱洗水）和方式三（蒸汽驅(qū)動汽輪機直拖注水泵+半稠油區(qū)塊注水加熱+加熱車載式熱洗水），動力后的蒸汽可以直接與摻水或車載式熱洗水混摻加熱，較換熱器式換熱吸收熱量更徹底，也比換熱器換熱節(jié)約投資40%以上。

3）余熱產(chǎn)生的動力盡量直拖注水泵（或其它泵、壓縮機等），較發(fā)電后再利用，節(jié)省了變損-網(wǎng)損-變損-電機損失的電能，利用率更高，更具有節(jié)約能源的意義。

4）建議在聯(lián)合站或轉(zhuǎn)油放水站（聚驅(qū)）旁建燃氣輪機直拖注水泵站，余熱利用更方便，投資更低，效益更好。