勝利油田河口采油廠首站余熱回收系統淺析

孫 霖 孫靈念

中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司河口采油廠, 山東 東營 257200

0 前言

在油氣生產過程中,油、氣、水三相分離和原油脫水、外輸、摻水加熱及站內供暖都需要消耗大量的熱能,目前基本采用傳統的燃油、燃煤、燃氣鍋爐進行供熱,不僅效率低、費用高,還消耗大量的一次能源,加劇了環境污染[1-5]。余熱回收系統主要從生產工藝上來提高能源利用效率,通過改善工藝結構和增加節能裝置以最大限度地利用生產過程中產生的勢能和廢熱、余熱等。這些多余、廢棄的能源包括高溫廢氣余熱、廢氣廢水余熱、冷卻介質余熱和廢料余熱等[5-20]。隨著“十二五”期間國家重點節能工程的開展,高效換熱器、高效熱泵、蓄能技術等相關的技術應用正日漸成熟并得到逐步推廣,為采油廠余熱回收系統的應用提供了很好的技術支持。

1 勝利油田河口采油廠首站基本情況

勝利油田河口采油廠首站擔負著河口采油廠原油綜合處理的任務,目前以天然氣為能源,采用6臺燃氣鍋爐為外輸原油和來油加熱。據現有資料可知,該站年用電量為320×104kW·h,年用氣量為364×10 m3,首站工藝流程見圖1。

圖1 首站工藝流程

該站現有加熱系統存在如下問題:

1)當地地下有豐富的地下熱水資源未被利用。

2)原油生產工藝需要消耗大量熱能,目前采用的加熱爐主要為燃氣水套加熱爐的形式,能量利用方式是采用燃燒高品位能源獲得低品位熱能,一次能源效率較低。

2 勝利油田河口采油廠首站能源現狀

據現有資料,河口采油廠首站地下水溫度較高。該地區燃氣暫時按東營市非民用燃氣價格2.8元/m3計算,供熱周期為全年,實行峰谷電價,全天峰谷電價見圖2。

圖2 全天峰谷電價

3 供熱負荷估算

通過計算可得峰價時的供熱負荷,見表1。

日負荷特點:冬季及過渡季全天加熱原油,1月典型負荷日負荷見圖3。

年負荷特點:運行加熱時間約為全年,逐月負荷統計見表2。

表1 峰價時的供熱負荷

負荷類型被加熱介質日流量/(t·d-1)小時流量/(t·h-1)比熱/(J·kg-1·℃-1)初始溫度/℃需要加熱/℃能夠加熱/℃負荷/kW稀油進站稀油1 68084.04 20055.085.070.01 470.0外輸油加熱原油2 400120.04 20055.075.070.02 100.0合計-------3 570.0

圖3 1月典型負荷日負荷

4 系統流程介紹

一般把地下200 m以內的地熱能叫做淺層地熱能。淺層地熱能是一種分布廣泛、開采容易、具有一定可再生能力的低焓能源,在我國已得到了廣泛的推廣使用。大力開發使用淺層地熱能對于節能減排、改善環境、降低供冷/供熱成本意義重大,利國利民。余熱回收系統就是有效利用淺層地熱能的最佳工程系統。

表2 逐月負荷統計

月份月最大峰值/kW月最大日負荷/kW·h外輸油/t西線來油/t月累計/kW·h13 56073 0562 3001 5802 123 58123 35261 2412 0711 3241 937 49033 26465 2802 1941 5361 976 25043 10662 1182 0881 4621 819 17052 95359 0581 9851 3901 783 36862 79555 8961 8791 3151 632 51072 79055 7941 8751 3131 682 28682 94858 9561 9821 3871 780 20693 10162 0162 0851 4591 816 110103 25965 1782 1911 5341 973 088113 41568 2552 2941 6062 002 270123 57171 4002 4111 6802 165 945合計----22 735 188

東營地區有豐富的地下熱水資源可供使用。勝利油田河口采油廠首站地熱代氣項目的基本原理為抽取地下底層200 m地下熱水,利用6組鈦合金換熱器將站內埕東、義和、采暖等3套用熱需求為70 ℃的流程進行換熱,將40 ℃的原油加熱至70 ℃。

與此同時,對于需要高溫80 ℃的穩定原油,首先利用燃氣鍋爐加熱軟化水至90 ℃以上,用90 ℃的軟化水對70 ℃的地下水進行一次換熱至90 ℃以上,利用升溫后的二次地下水對穩定原油進行換熱,保持穩定原油溫度在85 ℃以上。

由于首站為工業用熱,實行峰谷電價,故采用蓄能系統,將低溫污水作為高溫熱泵熱源,為原油加熱提供熱量。峰電時由蓄能罐向原油加熱系統提供熱量,谷電時高溫熱泵全負荷運行進行蓄能,可最大限度降低運行費用。

本系統特點為:

1)由于采用了蓄能系統,在峰值負荷時段負荷是由高溫熱泵主機+蓄能罐共同承擔的,因此本系統的高溫熱泵主機裝機容量小于峰值負荷。

2)未配置常規水蓄能系統所需要的換熱器,系統簡單,且節省了水泵運行功耗,系統效率高。

3)可利用溫差大,蓄熱溫差為10 ℃,蓄熱效率高。

4)由于配置相當容量的蓄能罐,高溫熱泵主機基本在所有時段都處于滿負荷狀態運行,比如在峰電時段可以減少高溫熱泵主機的開啟數量,負荷不足部分由蓄能罐補充,在平電時段高溫熱泵主機可以最大容量(滿負荷)運行,超過負荷的部分蓄存至蓄能罐,因此高溫熱泵主機運行效率高。

5 設備投資及運行費用

采用不同高溫熱泵主機,對系統投資有較大影響,為了更加全面地分析投資和運行情況,進行了多種系統比較。

5.1 離心高溫蓄能熱泵系統

該系統的設備投資估算清單見表3,全年運行能耗費用見表4。

表3 設備投資估算清單

投資項目投資估算/萬元比例/(%)指標/(元·W-1)熱泵630.0021.531.76水泵27.470.940.08換熱器832.5628.452.33蓄能罐336.0011.480.94水處理7.500.260.02配電、自控231.697.920.65機房97.503.330.27施工353.1312.070.99其他410.7914.041.15合計2 926.65100.008.20

表4 全年運行能耗費用

月份天數/d日耗電/(kW·h)日運行費用/元日耗氣/m3月運行費用/元月耗電/(kW·h)月耗氣/m3月耗熱/(kW·h)13119 5227 7780241 348606 67602 168 13222918 7047 2390209 933542 40801 937 49033117 8766 6920207 464554 17001 979 41243017 0486 1490184 464511 43401 820 70053116 2215 6100173 913502 83701 786 53063015 2044 9510148 536456 12001 634 04073115 1144 9510153 487471 32401 679 02283116 0855 5220171 167498 65001 777 04493017 0486 1490184 464511 43401 814 580103117 7416 6040204 718549 98301 969 926113018 7047 2390217 172561 11102 001 240123119 5007 7780241 118604 87602 162 808合計366---2 337 5576 369 223022 731 924

5.2 氨高溫蓄能熱泵系統

該系統的設備投資估算清單見表5,全年能耗運行費用估算見表6。

表5 設備投資估算清單

投資項目投資估算/萬元比例/(%)指標/(元·W-1)熱泵974.6137.582.73水泵18.000.690.05換熱器444.0517.121.24蓄能罐144.005.550.40水處理7.500.290.02配電、自控141.765.470.40機房144.005.550.40施工324.4912.510.91其他394.9215.231.11合計2 593.33100.007.26

5.3 國產高溫蓄能熱泵系統

該系統的設備投資估算清單見表7,全年運行能耗費用估算見表8。

6 經濟性

為了全面分析各種系統的優劣,對比了多個系統的投資、運行費用及投資回收期，見表9。

考慮到資金的時間價值,進行了動態投資分析,進一步考察項目在整個壽命期內收入與支出情況,使方案更為科學、全面。動態經濟分析的計算條件如下:運營年限為15年;基準收益率為0.08;折舊年限為12年;運營模式為EMC模式;營業稅為免征營業稅;1～3年企業所得稅為0.125,4～15年企業所得稅為0.25。由此得到不同運營年限-內部收益率對照表,見圖4；不同運營年限-投資回收期對照表見圖5。

表6 全年運行能耗費用

月份天數/d日耗電/(kW·h)日運行費用/元日耗氣/m3月運行費用/元月耗電/(kW·h)月耗氣/m3月耗熱/(kW·h)13121 83211 9490370 415676 80702 169 13222921 05811 1350322 929610 68701 937 49033120 15310 1900315 882624 75301 979 41243019 1129 1130273 388573 36801 820 70053118 2078 3750259 623564 43001 786 53063017 1667 6000230 998514 99101 634 04073117 1557 7110238 698532 15701 679 02283117 9618 2130254 609556 78801 777 04493019 1129 1130273 388573 36801 814 580103119 9079 9310307 860617 11101 969 926113021 05811 1350334 064631 74502 001 240123121 83211 9490370 415676 80702 162 808合計366---3 552 2717 153 013022 731 924

表7 設備投資估算清單

投資項目投資估算/萬元比例/(%)指標/(元·W-1)熱泵449.8220.981.26水泵18.000.840.05換熱器595.9827.801.67蓄能罐144.006.720.40水處理7.500.350.02配電、自控142.606.650.40機房144.006.720.40施工268.6912.530.75其他373.5317.421.05合計2 144.12100.006.01

7 環境效益

8 投產前后對比

余熱回收系統投產后燃氣鍋爐燃氣消耗量與投產前的對比情況見表11。

表8 全年運行能耗費用

月份天數/d日耗電/(kW·h)日運行費用/元日耗氣/m3月運行費用/元月耗電/(kW·h)月耗氣/m3月耗熱/(kW·h)13122 28012 1920377 964690 69502 169 13222921 49011 3620329 504623 21501 937 49033120 56610 3970322 294637 55901 979 41243019 5049 2980278 930585 12801 820 70053118 5818 5440264 867575 99601 786 53063017 5187 8250235 659525 55101 634 04073117 3387 8550243 514543 06901 679 02283118 3298 3790259 750568 19601 777 04493019 5049 2980278 930585 12801 814 580103120 31510 1320314 107629 75901 969 926113021 49011 3620340 866644 70502 001 240123123 38012 1110377 544690 69502 162 808合計366---3 624 3497 299 696022 731 924

表9 不同系統形勢對比表

系統形式總投資/萬元電費、燃料費/萬元基本電費/萬元維護費用/萬元年費用/萬元10年壽命期內投資折舊10年壽命期內年均費用10年壽命期內年均費用現有系統運行費/萬元改造方案運行費/萬元稅費支出/萬元靜態投資回收期/a離心高溫蓄能熱泵2 926.62 926.62 926.62 926.62 926.62 926.62 926.62 926.62 926.62 926.62 926.62 926.6氨高溫蓄能熱泵2 593.32 593.32 593.32 593.32 593.32 593.32 593.32 593.32 593.32 593.32 593.32 593.3國產高溫蓄能熱泵2 144.12 144.12 144.12 144.12 144.12 144.12 144.12 144.12 144.12 144.12 144.12 144.1燃氣鍋爐833.1833.1833.1833.1833.1833.1833.1833.1833.1833.1833.1833.1

圖4 運營年限-內部收益率對照表

圖5 運營年限-投資回收期對比表

表10 能源消耗及二氧化碳排放量

系統形式能源消耗折合標準煤/t二氧化碳排放量/t電/(kW·h)燃油/t燃氣/m3電燃油燃氣合計電燃油燃氣合計離心高溫蓄能熱泵6 369 223002 293002 2936 191006 191氨高溫蓄能熱泵7 153 013002 575002 5756 953006 953國產高溫熱泵7 299 696002 628002 6287 095007 095燃氣鍋爐159 63002 882 6975803 5003 55815506 2556410

圖6 各種系統折合標準煤消耗、二氧化碳排放對比

表11 投產前后加熱爐耗氣量對比表

投產前投產后時間加熱爐燃氣消耗量/m3時間加熱爐燃氣消耗量/m3減少率/(%)減少量折合標準煤/t2017.1499 5172018.1254 754493262017.2217 6012018.2117 505461332017.3416 0112018.3216 326482652017.4329 4092018.4174 587472062017.553 7312018.529 55245322017.6108 0802018.662 57442602017.7119 6352018.761 60748772017.879 2342018.841 39047502017.993 2632018.942 02554682017.10168 9262018.1083 07750114

9 結論

1)本系統節能改造的優勢有:用熱點的設備壓力較低,只有0.6 MPa,便于選擇換熱器;用熱周期長,為全年加熱,熱回收量大。

2)經濟性方面，三種方案差異不大。節能減排方面,相對于清潔能源的燃氣來說,效率較低的熱泵系統在減少碳排放方面沒有優勢;就安全、穩定、可靠、經濟合理、環境保護而言,最終采用安裝離心高溫蓄能熱泵系統。