高溫水源熱泵機(jī)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）

高溫水源熱泵機(jī)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(zhǎng)點(diǎn)。介紹了高溫水源熱泵機(jī)組工作原理、特點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況以及應(yīng)用效果分析等。實(shí)踐證明，采用BOO項(xiàng)目管理模式實(shí)現(xiàn)污水余熱開發(fā)利用，可以有效解決油田節(jié)能項(xiàng)目資金不足的問題，高溫水源熱泵機(jī)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(jí)換熱的利用方式的技術(shù)要求，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

高溫水源；熱泵機(jī)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(shí)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(fèi)，而且對(duì)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(hù)成本越來越高。實(shí)施綠色低碳發(fā)展戰(zhàn)略，開發(fā)利用污水余熱資源，實(shí)現(xiàn)企業(yè)節(jié)能降耗和降本增效已成為各油田一項(xiàng)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(zhǎng)點(diǎn)[2-3]。為此，某油田結(jié)合低油價(jià)的嚴(yán)峻形勢(shì)，對(duì)污水余熱利用項(xiàng)目進(jìn)一步評(píng)價(jià)優(yōu)化，按效益優(yōu)化排序，提出了《高溫水源熱泵機(jī)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(jī)組

1.1 工作原理

高溫水源熱泵機(jī)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(shí)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(jī)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(jī)。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(diǎn)

1）結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡(jiǎn)單。機(jī)組將制冷循環(huán)系統(tǒng)中的制冷壓縮機(jī)、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(jiǎn)單，為用戶設(shè)計(jì)、安裝、操作及維護(hù)提供了最大的方便性和經(jīng)濟(jì)性。

2）采用先進(jìn)的控制方法，具有全自動(dòng)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(dòng)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(bào)警及保護(hù)功能。它應(yīng)用于水源熱泵機(jī)組中不但能顯示機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)、報(bào)警參數(shù)，而且還能對(duì)機(jī)組的某些控制參數(shù)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行設(shè)定。在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)能一直監(jiān)控檢測(cè)熱水的出水溫度和回水溫度，并能根據(jù)回水溫度自動(dòng)控制壓縮機(jī)的上載、卸載，從而準(zhǔn)確地控制機(jī)組的供熱量，達(dá)到運(yùn)行安全可靠及高效節(jié)能的目的。

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

4）保護(hù)功能齊全，運(yùn)行可靠。機(jī)組設(shè)有較完善的安全保護(hù)系統(tǒng)，它們是壓縮機(jī)的排氣壓力過高保護(hù)、壓縮機(jī)的吸氣壓力過低保護(hù)、電動(dòng)機(jī)保護(hù)、油位過低保護(hù)、斷水保護(hù)、冷水溫度過低保護(hù)、熱水溫度過高保護(hù)等，因此機(jī)組運(yùn)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(jī)作為主機(jī)，該壓縮機(jī)具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)先進(jìn)、噪音低、振動(dòng)極小等特點(diǎn)，而且該壓縮機(jī)運(yùn)行工況范圍較廣。

6）換熱效率高。機(jī)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(duì)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(jī)組的容器均嚴(yán)格按照壓力容器的有關(guān)規(guī)定設(shè)計(jì)制造，并通過了壓力容器監(jiān)察部門的檢查和驗(yàn)收。蒸發(fā)器、冷凝器的水測(cè)設(shè)計(jì)壓力均高達(dá)1.6 MPa，完全適合油田生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工藝流程和高層建筑的需要。

8）雙系統(tǒng)運(yùn)行保障方式。采用多機(jī)頭雙系統(tǒng)形式，可根據(jù)負(fù)荷的變化情況自動(dòng)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)，節(jié)能效果顯著。當(dāng)其中一個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，另一個(gè)系統(tǒng)仍可正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

9）先進(jìn)的污水過濾工藝。采用日本原裝DAST自動(dòng)清洗過濾器，為了解決過濾油性液體時(shí)，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(jì)了反吸器裝置，其工作原理是在過濾器的底部再設(shè)計(jì)一個(gè)排污口，排污口與反吸器是相通并在排污口設(shè)一個(gè)電磁開關(guān)控制。當(dāng)傳感器檢測(cè)到網(wǎng)孔被油污和高分子聚合物堵塞時(shí)，在啟動(dòng)刮刀旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，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(dòng)動(dòng)作，達(dá)到自動(dòng)和高效清洗過濾的目的。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該高溫水源熱泵機(jī)組于2015年10月在某油田某聯(lián)合站投入現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。污水余熱利用項(xiàng)目實(shí)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(fèi)。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(hù)成本變高。該聯(lián)合站污水余熱利用項(xiàng)目采用B00模式實(shí)施，由技術(shù)服務(wù)商投資建設(shè)和運(yùn)營(yíng)，油田“買熱”。項(xiàng)目實(shí)施運(yùn)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(shí)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(jī)組應(yīng)用前后對(duì)比數(shù)據(jù)見表1。

表1 高溫水源熱泵機(jī)組應(yīng)用前后對(duì)比數(shù)據(jù)

從表1中可以看出，應(yīng)用高溫水源熱泵機(jī)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(jī)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(fèi)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(fèi)。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(jì)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(duì)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(jià)格2100元計(jì)算，則節(jié)省燃油費(fèi)用321.93萬元，減去年購(gòu)熱費(fèi)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(xiàng)目運(yùn)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(jì)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(jī)組后只需要1名員工負(fù)責(zé)與項(xiàng)目技術(shù)服務(wù)商的協(xié)調(diào)、能耗統(tǒng)計(jì)與費(fèi)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(duì)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(hù)成本，延長(zhǎng)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(duì)于油田節(jié)能減排、降本減費(fèi)增效將發(fā)揮重要作用。實(shí)踐證明，采用BOO項(xiàng)目管理模式實(shí)現(xiàn)污水余熱開發(fā)利用，可以有效解決油田節(jié)能項(xiàng)目資金不足的問題，高溫水源熱泵機(jī)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(jí)換熱的技術(shù)要求，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益是可觀的，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)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(shí)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(duì)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。