熱泵技術在回收油田污水余熱資源中的應用

王 冰，成慶林，孫 巍

（東北石油大學， 黑龍江 大慶 163318）

熱泵技術在回收油田污水余熱資源中的應用

王 冰，成慶林，孫 巍

（東北石油大學， 黑龍江 大慶 163318）

熱泵技術可以將油田污水中的低品位熱能進行回收，以一小部分能量為代價，將這部分低溫熱能應用于油田中其他需要熱的環節，解決了油田污水余熱的浪費問題。總結了大慶、孔店、勝利等油田對熱泵系統的應用情況，及熱泵系統和換熱器的發展現狀，對油田今后實施同類節能改造項目具有一定的借鑒意義。

熱泵；換熱器；油田污水；余熱回收

目前，我國各主要油田的開發已進入高含水期，大慶、勝利、遼河等油田的含水率高達90%。而且我國的超稠油藏數量較多，需要應用熱采技術，這就導致了污水溫度較高。遼河油田曙五聯合站外排含油污水10 693 m3/d，溫度在71～73 ℃之間[1]，新疆油田九1～九5區塊每天有 52 ℃的污水 1.3× 104～1.5×104m3[2]，孔店油田每天有48～52 ℃的污水7 300 m3[3]，勝利油田孤東采油廠4號聯合站每天有70 ℃高溫污水2 550 m3，38～40 ℃低溫污水12 000 m3[4]。傳統的做法是將分離后的水用于注水開發或直接排入環境，這種做法既浪費了這部分污水中蘊含的大量的能量，又對環境造成不可逆的影響。如果將這部低品位熱能回收，用于油區的用熱環節，如輕質、重質原油罐區的加熱，鍋爐除鹽水加熱，冬季采暖等，可以節約大量煤、原油或者天然氣的消耗，提高了能源利用率，避免了污水直接排放，保護了環境。

熱泵技術正是能夠將這些低溫余熱進行回收的有效的節能手段，研究表明，一旦電動熱泵的制熱系數比3大，則從能源利用方面熱泵就比熱效率為80%的區域鍋爐房用能節能[5]，而且環保無污染。國內外水源熱泵技術在各個領域的應用規模不斷擴大，尤其在國家大力推行節能減排的大背景下，水源熱泵技術得到了空前的發展，先后在多項工程中獲得實際應用，如2008北京奧運村水源熱泵應用項目、2010廣州亞運會太陽能和水源熱泵區域集中供能項目等。近些年，油田在熱泵用于污水余熱資源回收方面也有了一些成功的探索，本文闡述了熱泵及換熱器的研究進展，重點闡述大慶、勝利、新疆等油田在熱泵系統利用方面的應用情況。

1 污水源熱泵系統

熱泵這種高效制熱技術，其本質上是熱能提升裝置，該裝置以耗費少量電能或燃料能為代價，將大量無用的低品位熱能轉化為可以利用的高品位熱能，用于其他對熱有需求的場合。其工作原理類似于制冷機，都是遵循逆卡諾循環工作，但是工作溫度區間不同，熱泵工作溫度的下限一般是環境溫度，上限則根據用戶需求而定，可高于100 ℃[6]。

熱泵可以依據驅動方式的不同，分為電力驅動的壓縮式熱泵和天然氣驅動的吸收式熱泵。鄧壽祿比較了吸收式和壓縮式熱泵循環系統，得出壓縮式熱泵在回收油田污水余熱時，其制熱系數要比吸收式熱泵制熱系數高[7]。但是吸收式熱泵相比于壓縮式熱泵，其沒有運轉部件，壽命更長，維護較方便，而且壓縮式熱泵在轉化為一次能源后，能效比將低于吸收式熱泵。具體考慮采用何種熱泵需結合驅動能源情況和用戶的其他要求而定。

污水源熱泵是熱泵的一種形式，是可以將污水中充足的低品味熱能提升為高品位熱能并加以利用的熱力設備[8]。通常用戶所能獲得的熱量是污水源熱泵系統消耗能量的四倍，這是一種高效制熱技術，可以大大減少油田中不必要能源的消耗。污水源熱泵系統在形式上分為直接式和間接式兩種，二者相比較而言，間接式污水源熱泵系統多了換熱器和二次水（中介水）循環水泵，設備配置增多，初期投資增大，由于需要設置中介水循環泵，系統耗電量增多，導致系統COP低。但是直接式污水源熱泵系統對水質和防阻防腐工藝設備要求比較高，就油田含有污水現有的情況，含油污水中雜質過多，含油量及礦化度較高，多使用間接式污水源熱泵系統。這樣一套污水回收利用裝置主要有換熱器、熱泵機組以及末端設備。

2 換熱器

污水換熱器可以避免含油污水對熱泵機組的直接損害，將污水中的能量與中間介質水進行交換。目前油田污水-清水換熱裝置主要有：平板式換熱器、噴淋式換熱器、盤管浸沒式換熱器、螺旋板換熱器和管殼式換熱器。對污水換熱器有三方面的要求：（1）由于污水與中間介質的溫差很小，為了盡可能減小熱量損失，因此要求換熱器要有特別高的換熱強度；（2）污水換熱器的防腐蝕性能要求高，鑒于含油污水機械雜質含量、油含量和礦化度高，換熱器要抗垢且便于清洗；（3）在高強度的工作情況下，要求換熱器造價低廉且運行安全，安裝簡單便于維修。

勝利油田引入的是鈦管式換熱器，代替了鈦板換熱器，是由于鈦-鋼復合板具有很強的防腐能力，而且鈦管比其他金屬光滑利于傳熱。王強在設計聯合站回注污水余熱直接供暖系統時，提出了油田污水平板式石墨換熱器[9]。為了提高換熱器的防腐能力，一般都采用鈦合金或者增加普通金屬壁厚的方式，但是這必然導致系統成本大幅度提高，塑料換熱器的出現解決這一問題。哈爾濱工程大學，山東建筑大學等對塑料（聚合物）換熱器進行了大量的實驗，分別分析了蛇形盤管塑料換熱器在不同換熱條件下的換熱能力，聚乙烯管路沉浸式換熱器的換熱性能[10]。楊毅等人又結合工程條件，對塑料換熱器進行了分析，得出結論：聚合物換熱器實際使用時外側流速對換熱影響較大，流速越高，換熱效果越好。此類換熱器應盡量使用曝氣強化換熱方式。采用曝氣強化換熱后，其換熱量明顯提升，可達到500～550 W/m2[11]。

換熱器在熱泵系統中有著舉足輕重的地位，影響著機組運行的穩定性和機組效率，因此在應用熱泵系統回收油田污水余熱的時候，選擇一種高效、經濟、簡單、適于本油田的污水換熱器十分重要。

3 污水源熱泵系統在油田中的應用

熱泵發展到今天，技術已較為成熟，正充分發揮著高效制熱技術的優勢，已應用于干燥（木材、食品等）、種植、養殖等多個行業領域，用其大規模對居民進行供暖和制冷在北京、上海、廣州等城市已有很多成功案例。但熱泵技術在油田污水余熱資源回收中的應用還不是很廣泛，大部分油田還處于先導性試驗階段。

大慶油田南七聯于 2001年對采暖系統進行全面改造，通過熱泵技術取代鍋爐，利用所提取的污水余熱進行供暖和工藝管道伴熱。停運了了兩臺采暖伴熱鍋爐（4 t/h），取而代之的是兩臺熱泵機組（每臺的輸入電功率為115 kW，輸出功率為310 kW）。熱泵所耗的電量與節約的天然氣相抵，相當于節約130×104kW·h/a的電能。按運行15 a考慮，節約總費用572萬元[12]。

大慶油田采油五廠于2009年進行了改造工程，采用熱泵技術為65 075 m2的面積進行采暖、制冷，工程投資2 009萬元，年運行成本453.9萬元，與原油的鍋爐供暖相比多耗電624.4萬kW·h，年節約天然氣72.4萬m3、原油2 523萬t[13]。

孔店油田在結合主體工藝情況下，應用2臺水源熱泵和5具列管換熱器代替原有加熱爐系統。經第三方測試數據顯示，改造前由油田伴生氣或原油提供的加熱系統能源消耗總量為33 035.34 MJ/h，改造后為27 621.62 MJ/h，其中4 940.8 MJ/h為熱泵提供，22 680.80 MJ/h是由熱泵和加熱爐消耗油田伴生氣提供。新系統節約能量110 354.52 MJ/h，按原油價格4 696元/t計算，年節約資金1 017.4萬元[3]。

遼河油田曙光采油廠曙五聯合站利用熱泵機組，替換了加熱原油的燃油加熱爐，曙五聯合站每天有外排污水13 000 m3，溫度為71～73 ℃。該廠熱泵系統中的設備主要有：污水源熱泵機組、油水混合物-污水換熱器、油水混合物-軟化水換熱器、污水-軟化水換熱器以及全自動軟化水處理裝置。2011年10月份，經過中國石油天然氣股份有限公司油田節能監測中心的跟蹤測試，結果表示改造后的熱泵系統相比于之前的加熱爐系統節能率為91.79%，現場運行兩年的創效可達1 246.73萬元[14]。

鄯善聯合污水處理站經過污水源熱泵改造工程后，用熱泵代替了加熱爐和分體式空調進行制熱和制冷。每天污水量2 700 m3，冬季的水溫基本穩定在25 ℃，按冬季工況計算，利用到15 ℃，這部分污水可利用的熱量達到1 936 kW，每年預計可節省資金17.3萬元[15]。

2014年1月，河南油田下二門聯合站與新星公司聯手，用蓄能式熱泵系統代替了全部加熱外輸原油和摻水的天然氣鍋爐。每天提取1.1萬t污水余熱約9 500 kW，日節省天然氣9 000 m3。且成功開啟了一個新的合作方式，即模擬合同能源管理模式（BOOT），對其他油田具有一定的示范性作用。

4 存在的問題

（1） 夏季與冬季的污水溫度不同，油田冬季污水溫度過低，污水流量不穩定，導致熱泵實際運行情況與設計情況不符，嚴重可造成突然停機，致使供暖不連續冬季供暖不連續。防止這種情況的發生的辦法由兩種，一個是增加輔助性熱，另一個是設置多個換熱器，后者相對復雜一些，也不經濟。

（2） 換熱器結垢和腐蝕問題是影響熱泵機組使用和整體性能的重要因素之一，根據目前的情況，尋求一種高效、經濟、穩定、簡單的污水熱泵系統的實現還需要進一步的研究。所以，應對水質嚴格把關，并根據垢的組成、結構周期制定篩選出有效的除垢劑，制定合理的除垢周期。

（3）由于利用熱泵技術提取污水余熱資源的初期投資太大，使許多企業寧可浪費掉這部分能量也不愿意投資開發余熱資源，因此提高整體的節能意識以及配套的政策支持很重要，河南油田下二門聯合站成功的BOOT合作模式是一個好的開端。

（4）現在國內熱泵市場上產品質量參差不齊，使油田企業對熱泵產品沒有信心，應當提高熱泵產品的準入門檻，對生產條件與技術水平做到嚴格把關。

總之，熱泵技術在油田污水余熱回收的實際應用中不斷創新、突破、完善，推進了污水余熱資源回收再利用的發展。污水源熱泵的應用與發展為油田污水處理提供了一條新途徑，將改變油田上以煤和原油等高品位熱源為管道伴熱和采暖的方式，為探索可再生能源拓展了新的空間，其發展潛力巨大。

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Application of Heat Pump Technology in Waste Heat Recovery of Oilfield Sewage

WANG Bing, CHENG Qing-lin, SUN Wei
（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China）

Heat pump; Heat exchanger; Oilfield sewage; Heat recovery

The low-grade heat energy of oilfield sewage can be recycled by heat pump technology. Part of the low-temperature heat energy can be applied in the other section needing heat in oil field, which solves the waste problem of sewage waste heat. In this article, application of the heat pump system in Daqing, Kongdian and Shengli oil fields was summarized, and the current situation of development of heat pump system and heat exchanger was discussed, which could provide certain reference for the implementation of similar energy-saving renovation project in the future.

國家自然科學基金項目，項目號：51174042。

2015-01-12

王冰（1991-），女，吉林長春人，在讀碩士，研究方向：油氣儲運節能技術。E-mail：18646659603@163.com。

成慶林（1972-），女，教授，博士，研究方向：熱力學分析及油氣儲運系統綜合節能。E-mail：chengqinglin7212@163.com。

TE 974

A

1671-0460（2015）08-1839-03