王旭東

（大慶油田有限責任公司第六采油廠）

地熱能是一種清潔能源，開發(fā)利用地熱能具有顯著的節(jié)能減排、改善環(huán)境的作用。為貫徹落實集團公司有關地熱能業(yè)務的要求，科學推動油田地熱業(yè)務發(fā)展[1]，大慶油田開展了余熱利用技術研究。大慶油田屬于注水開發(fā)油田，年回注含油污水量約5.55×108m3，含油污水的溫度為30~35 ℃。含油污水蘊含豐富的熱能，由于溫位較低，含油污水蘊含的熱能不能直接利用。通過利用熱泵技術，用熱泵機組替代現(xiàn)有鍋爐與加熱爐，具有良好的節(jié)能效果[2]。 喇360 轉(zhuǎn)油放水站含油污水處理量為3.45×104m3/d，含油污水溫度約35 ℃左右，按6 ℃溫差取熱，每天可提取熱量1 297.89 GJ，如果余熱全部回收利用，相當于每天節(jié)省天然氣36 532 Nm3。

1 現(xiàn)狀

1.1 喇360 轉(zhuǎn)油放水站

喇360 轉(zhuǎn)油放水站為聚驅(qū)轉(zhuǎn)油放水站，擔負著北東塊喇230、喇470、喇380 聚驅(qū)轉(zhuǎn)油站的放水任務，管轄油井176 口，計量間12 座。含油污水分別輸至喇290 含油污水處理站、喇360 污水處理站及喇Ⅱ-1 污水站進行處理，低含水油外輸至喇Ⅱ-1聯(lián)合站處理。

1）轉(zhuǎn)油站。站外油井采用雙管摻水(熱洗)集油流程，來液進入分離緩沖游離水脫除器（三合一）進行油氣水分離。分離出的伴生氣經(jīng)天然氣除油器進一步處理后，計量外輸；分離出的含水油與轉(zhuǎn)油站來液一起進入站內(nèi)游離水脫除器進行放水；沉降出的污水經(jīng)加熱緩沖裝置（二合一）加熱至摻水溫度，一部分經(jīng)摻水泵增壓后去摻水閥組，直接用于站外油井摻水，一部分經(jīng)熱洗泵增壓后去臥式圓筒爐（熱洗爐）二次升溫，再去熱洗閥組，用于站外油井熱洗。

2）放水站，站外轉(zhuǎn)油站來液進入站內(nèi)游離水脫除器進行放水，沉降出的含油污水經(jīng)污水沉降罐沉降，污水泵升壓，外輸至喇290 含油污水處理站及喇360 污水處理站進行處理；分離出的低含水油進入含水油緩沖罐，經(jīng)外輸油泵增壓后外輸至喇Ⅱ-1 聯(lián)合站處理。

1.2 喇Ⅱ-1 聯(lián)合站

喇Ⅱ-1 聯(lián)合站擔負著6 座水驅(qū)轉(zhuǎn)油站和1 座轉(zhuǎn)油放水站的油、氣、水處理任務。6 座水驅(qū)轉(zhuǎn)油站來液和喇360 轉(zhuǎn)油放水站來低含水油混合進入游離水脫除器放水。放水后30%低含水油進入本站脫水加熱爐，升溫后進入電脫水器進行脫水處理，脫水處理后的凈化油進入凈化油緩沖罐，再由外輸泵增壓、外輸爐升溫后外輸至喇二聯(lián)合站。

喇360 轉(zhuǎn)油放水站及喇Ⅱ-1 聯(lián)合站（與喇360站相距300 m）分別設鍋爐房供各自站內(nèi)采暖伴熱用熱，供熱負荷為5.3 MW。喇360 轉(zhuǎn)油放水站設有摻水爐、熱洗爐，喇Ⅱ-1 站設有脫水爐、外輸爐，總供熱負荷達到9.71 MW。

2 設備比選

2.1 熱泵機組型式選擇

根據(jù)大慶油田含油污水現(xiàn)狀，可供選擇的熱泵機組有兩種：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。電動壓縮式與燃氣吸收式熱泵機組性能對比見表1。因含油污水來水溫度較低，經(jīng)熱泵升溫后的供熱介質(zhì)溫度仍不能滿足要求，所以選用第Ⅰ類（增熱型）吸收式熱泵，第Ⅱ類（升溫式）吸收式熱泵不適合此站庫的應用。

表1 機組性能對比Tab.1 Comparison of unit performance

由于集輸工藝介質(zhì)不能直接進入熱泵機組加熱，因此需設置換熱器。集輸工藝介質(zhì)運行溫度為70 ℃左右，為保證換熱溫差，熱泵機組供水溫度應達到80 ℃。在滿足運行條件和供熱參數(shù)的前提下，電動壓縮式熱泵設備廠家測算：當含油污水溫度30~35 ℃，熱泵機組供熱溫度70 ℃時，能效比為3.8；溫度80 ℃時，能效比降至3.2，甚至更低。機組電耗大幅度增加，節(jié)能效益較差。燃氣吸收式熱泵機組循環(huán)工質(zhì)單一，低溫水源溫度30~35 ℃，供水溫度80 ℃時，能耗比變化小，節(jié)能效果明顯。若采用燃氣吸收熱泵機組替代工藝加熱爐供熱，能保證工藝生產(chǎn)運行參數(shù)，節(jié)能效果更好[3-4]。

2.2 余熱利用換熱器的優(yōu)選

熱泵換熱技術在各大油田已廣泛應用，但摻水工藝用換熱器無實際應用案例，應用時需采用換熱器將熱量從熱源水置換到污水中使用。鑒于喇嘛甸油田采出液含聚濃度高、含油量大、雜質(zhì)多的特殊性，通過開展工藝用換熱器優(yōu)選試驗，喇360 余熱現(xiàn)場試驗選定寬流道換熱器和板式換熱器兩種[5-6]。

2.2.1 板式換熱器

板式換熱器采用254 SMO 奧氏體不銹鋼波紋板片，耐腐蝕性強；板片設計靈活，方便拆卸，并可根據(jù)熱負荷的需求增減板片；可通過在線清洗機清洗，對現(xiàn)場破壞小。板式換熱器（污水換熱、脫水換熱）結(jié)構(gòu)見圖1，污水側(cè)下進上出，中介水側(cè)上進下出，兩種流體在密封墊的引導下分別交替流過各自的流道進行對流換熱。

2.2.2 寬流道換熱器

寬流道換熱器污水側(cè)通道截面大，不易堵塞；污水側(cè)內(nèi)部無觸點，延緩污垢聚集；兩側(cè)有活動門板，方便清淤。寬流道換熱器（用于摻水換熱，按照結(jié)構(gòu)寬流道換熱器與板式換熱器相近，均在金屬板兩側(cè)換熱）結(jié)構(gòu)見圖2，污水側(cè)上進下出，采用大截面單流程，中介水側(cè)下進上出，采用小截面多層并聯(lián)設計，兩種流體在各自流道中對流進行換熱。

圖2 寬流道換熱器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of wide channel heat exchanger

3 工藝原理

3.1 喇360 站熱泵系統(tǒng)工藝流程

喇360 轉(zhuǎn)油放水站與喇Ⅱ-1 聯(lián)合站兩站合建1座熱泵站，熱泵站設3 臺4 MW 直燃吸收式熱泵機組，替代喇360 站內(nèi)3 臺2.8 MW 熱水鍋爐、2 臺2.25 MW 和2 臺1.74 MW 摻水爐及喇Ⅱ-1 站內(nèi)3 臺2.8 MW 熱水鍋爐、3 臺2.5 MW 脫水爐，共計13 臺鍋爐及加熱爐，供采暖伴熱及工藝生產(chǎn)用熱。燃氣吸收式熱泵機組燃料為干天然氣，單臺熱泵最大耗氣量約270 Nm3/h，喇360 站內(nèi)已建燃氣調(diào)壓計量閥組來氣（0.1~0.3 MPa）接至熱泵站，熱泵機組配置全自動燃氣低氮燃燒器。

冬季最冷季節(jié)3 臺機組運行，夏季2 臺機組運行。采暖伴熱循環(huán)系統(tǒng)供回水溫度為75/55 ℃，工藝介質(zhì)加熱循環(huán)系統(tǒng)供回水溫度為80/60 ℃。熱泵站的70 ℃熱水進入二合一加熱爐，喇360 站熱洗泵通過抽取二合一加熱爐的水，進行二次提溫，供給油井熱洗。

3.1.1 含油污水中間換熱系統(tǒng)

含油污水中間換熱系統(tǒng)為閉式循環(huán)系統(tǒng)，由3臺低溫介質(zhì)循環(huán)水泵、4 臺板式換熱器組成。污水站外輸泵出口來水（35 ℃） 經(jīng)除污進板式換熱器換熱，降溫后的含油污水（29 ℃） 直接回外輸管網(wǎng)輸送至各注水站。 熱泵機組低溫側(cè)出水（24 ℃）經(jīng)低溫介質(zhì)循環(huán)水泵加壓進4 臺板式換熱器換熱，升溫至30 ℃進熱泵機組。

采用2 個循環(huán)系統(tǒng)共用的1 臺熱泵機組進行含油污水直進試驗，污水站來含油污水不經(jīng)過中間換熱，直接進入該熱泵機組蒸發(fā)器，溫度降至29℃回至含油污水回水管線。含油污水中間換熱系統(tǒng)流程見圖3。

圖3 含油污水中間換熱系統(tǒng)流程Fig.3 Flow of intermediate heat exchange system for oily sewage

3.1.2 工藝介質(zhì)加熱系統(tǒng)

工藝介質(zhì)加熱系統(tǒng)為閉式循環(huán)系統(tǒng)，由2 臺4 MW 熱泵機組、3 臺工藝加熱循環(huán)水泵、5 臺工藝介質(zhì)換熱器，2 個臥式除污器組成。喇360 站摻水爐換熱器與喇Ⅱ-1 站脫水爐換熱器的加熱側(cè)回水（60 ℃）分別至熱泵站，再經(jīng)除污器過濾、循環(huán)泵加壓后進入熱泵機組，加熱至80 ℃后，分別供至2個站工藝介質(zhì)換熱器加熱摻水和低含水率油。循環(huán)系統(tǒng)采用補水泵回水定壓。工藝介質(zhì)加熱系統(tǒng)流程見圖4。

圖4 工藝介質(zhì)加熱系統(tǒng)流程Fig.4 Flow of process medium heating system

3.2 喇360 站熱泵工作原理

根據(jù)驅(qū)動熱源的不同，溴化鋰吸收式熱泵分為蒸汽型熱泵、熱水型熱泵和直燃型熱泵（包括燃氣熱泵、燃油熱泵）。以高溫熱源（蒸汽、熱水、燃氣）為驅(qū)動熱源，溴化鋰溶液為吸收劑，水為制冷劑，回收利用低溫熱源（廢熱水）的熱能，制取所需的工藝或采暖用高溫熱媒，實現(xiàn)熱量從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體的能量利用。吸收式熱泵是以熱能為補償實現(xiàn)從低溫向高溫輸送熱量的設備，是一種回收余熱的節(jié)能設備。溴化鋰吸收式熱泵單機制熱范圍0.3~60 MW，可利用余熱源范圍10~70 ℃乏汽或熱水，可制取比熱源溫度高40 ℃左右熱水[7]。

喇嘛甸油田轉(zhuǎn)油站來液平均溫度35.1~40.3 ℃，適用于吸收式熱泵，制取熱水溫度75.1~80.3 ℃，經(jīng)過換熱后，出水溫度70 ℃左右。溴化鋰吸收式熱泵以蒸汽或燃料（燃氣、燃油）為驅(qū)動熱源，由蒸發(fā)器、吸收器、冷凝器、發(fā)生器、熱交換器和其他附件等組成，原理見圖5。

圖5 溴化鋰吸收式熱泵原理Fig.5 Lithium bromide absorption heat pump

具體工作原理如下：

1）在蒸發(fā)器內(nèi)，利用水在負壓狀態(tài)下沸點降低的原理，來自冷凝器的蒸汽凝水噴淋在蒸發(fā)器換熱管的外表面進行低溫蒸發(fā)，凝水吸收換熱管內(nèi)部流動的低溫余熱的熱量，蒸發(fā)汽化產(chǎn)生蒸汽進入吸收器，完成余熱熱量的提取過程。

2）在吸收器內(nèi)，利用溴化鋰濃溶液的吸水放熱性能，來自發(fā)生器的溴化鋰濃溶液分布在加熱器換熱管外部，吸收來自蒸發(fā)器的水蒸氣，溶液的溫度迅速升高，加熱換熱管內(nèi)需要提高溫度的熱媒，實現(xiàn)了低溫熱源的熱量向被加熱熱媒轉(zhuǎn)移；同時溴化鋰溶液由濃變稀，不再具有吸水性，需要濃縮后循環(huán)使用。

3）在發(fā)生器內(nèi)，利用驅(qū)動熱源的熱量，對來自吸收器的溴化鋰稀溶液進行加熱濃縮，產(chǎn)生的濃溶液繼續(xù)回到吸收器內(nèi)吸收水蒸氣加熱供熱水，溶液濃縮產(chǎn)生的高溫二次蒸汽去冷凝器。

4）在冷凝器內(nèi)，利用來自發(fā)生器的高溫二次蒸汽凝結(jié)潛熱的熱量，對來自吸收器的經(jīng)過一次加熱的熱媒進行再次加熱，最終達到所需溫度的熱媒，蒸汽凝結(jié)成為凝水輸送到蒸發(fā)器繼續(xù)進行循環(huán)蒸發(fā)[8-9]。

4 現(xiàn)場試驗

喇360 熱泵站目前投運2 臺熱泵（其中1 臺用于采暖系統(tǒng)，1 臺用于摻水系統(tǒng)），采暖系統(tǒng)循環(huán)水量為150.8 m3/h，通過熱泵機組回水溫度由55 ℃提升至75 ℃，摻水系統(tǒng)加熱摻水量為183.1 m3/h，進入換熱器的摻水溫度36 ℃，通過摻水換熱器將摻水溫度提升至55 ℃。

2022 年11 月29 日，投運1 臺采暖熱泵，替代喇360 鍋爐房熱負荷，熱泵平均負荷率32.1%。通過能耗調(diào)查，喇360 鍋爐房日均耗氣量為3 048 m3，應用熱泵采暖日均耗氣量為1 938 m3，日節(jié)氣1 110 m3，節(jié)氣率達到36.41%。2022 年12 月18 日，投運1 臺熱泵，替代喇360 部分摻水熱負荷，摻水升溫19 ℃。通過能耗分析，喇360 二合一摻水爐日均耗氣量為6 500 m3，應用熱泵替代部分摻水后日均耗氣量為4 228 m3， 日節(jié)氣量為2 272 m3，節(jié)氣率達到34.95%。2023 年5 月12 日，運行1 臺熱泵，完全替代摻水熱負荷，4 臺摻水爐全部停運。喇360 轉(zhuǎn)油站4 臺摻水爐原日耗氣量為7 900 m3，采用熱泵替代后日耗氣量4 900 m3，日節(jié)氣量為3 000 m3，節(jié)氣率約為37%。摻水熱泵平均負荷率68.9%，累計節(jié)氣52.86×104m3。

由于喇Ⅱ-1 聯(lián)合站的脫水、采暖沒有采用熱泵替代，喇360 熱泵站總體的運行負荷為32.65%，上半年總節(jié)氣量68.05×104m3。目前喇360 熱泵站余熱利用系統(tǒng)運行平穩(wěn)，污水日處理量為3.45×104m3，通過吸收式熱泵提取污水余熱，全部替代喇360 站和喇Ⅱ-1 站內(nèi)9.71 MW 的13 臺加熱爐及鍋爐后，預計年節(jié)氣量達到330×104m3。

5 換熱器清洗界限研究

喇360 熱泵站前端污水換熱使用板式換熱器、摻水使用寬流道換熱器（按照換熱原理和結(jié)構(gòu)分析屬于寬流道板式換熱器）。根據(jù)GB/T 151—2014《熱交換器》：熱交換器運行期間應監(jiān)測、記錄熱交換器的運行參數(shù)，評價熱交換器的工藝性能和結(jié)垢程度。當傳熱與阻力偏離設計值過大，或者不能滿足工藝系統(tǒng)要求時，應該根據(jù)介質(zhì)特性和熱交換器的結(jié)垢情況，選擇有效的除垢方法進行清洗，恢復熱交換器的工藝性能。NB/T 47004.1—2017《板式熱交換器》規(guī)定了板式換熱器能效值級別（1 級能效值227，2 級能效值200，3 級能效值176，4 級能效值168）。板式換熱器能效值低于176 代表板式換熱器的能效低，也可能是板式換熱器結(jié)垢、淤堵油污。換熱器能效低，說明其處于不經(jīng)濟的運行狀態(tài)。

1）板式換熱器清洗周期的確定。按照板式換熱器能效值為168 計算，在相同的水量情況下，與最佳能效（227） 相比較，換熱能力降低25.99%。應用石油行業(yè)場所的設備，介質(zhì)如果腐蝕性很強、易爆易燃，每年要對板式換熱器清洗或維護。根據(jù)板式換熱器標準：當板式換熱器換熱能力降低25.99%時，結(jié)合供熱的情況，選擇合適的時機，要采取措施，提升換熱能力。

2）寬流道換熱器清洗周期的確定。進入寬流道換熱器的2 類介質(zhì)（摻水、軟化水）在通道內(nèi)逆流流動，熱介質(zhì)將熱能傳遞給板片，板片又將熱能傳遞給另一側(cè)的冷介質(zhì)，在熱交換方面與板式換熱器相近。寬流道換熱器清洗界限可以參照板式換熱器標準：換熱能力降低25.99%時進行清洗[10]。

6 結(jié)論

1） 喇360 熱泵站首次用于油田工藝加熱（摻水、脫水用熱），喇360 站余熱利用現(xiàn)場試驗，將為其他熱泵站的建設以及熱泵余熱系統(tǒng)的油田工業(yè)化提供指導。

2)從現(xiàn)場應用效果看，寬流道換熱器具有較大的流道，能夠有效地提高污水流動性，從而保持換熱器的換熱效果，且受污水水質(zhì)影響較小。因此，流道的大小是今后污水換熱器選用的重要指標。

3）利用熱泵技術，通過蒸發(fā)吸熱、冷凝放熱加熱介質(zhì)，從而取代加熱爐。工藝熱泵溫度可達到80 ℃，采暖熱泵溫度可達到75 ℃，能夠滿足工藝需求溫度。

4） 喇360 熱泵站目前按照無人值守、有人巡檢設計。前段污水換熱器溫度、壓力只能就地顯示。建議增加污水板式換熱器溫度、壓力遠傳功能，形成壓差、溫差歷史記錄，便于分析換熱能力變化情況，為喇360 站污水量調(diào)整、換熱器清洗提供依據(jù)。