油田余熱回收技術研究

陳玥（大慶油田有限責任公司第四采油廠）

1 背景介紹

在原油生產過程中，污水處理流程會產生大量的回注地層水，水溫通常保持在30～35 ℃，其含有大量可利用的熱量，當采用回收裝置時可充分利用剩余能量，具有較大的余熱開發前景[1]。目前，大慶油田現有500余座注水站，每日污水處理量達到100×104m3以上，平均每小時可達到4×104m3。按照回收溫差10 ℃計算，可從油田污水中獲得的熱量為4×108kcal，即為通過鍋爐燃燒666 t 的介質所獲取的熱量。并且根據現場應用情況得知，油田污水系統內可應用的溫差遠遠超過10 ℃，即利用余熱回收可大幅度的降低油田生產成本，有效助力油田生產的降本增效。此外，降低油田污水溫度可有效抑制細菌生長，降低油田污水處理難度，從而提升注入水質[2]。

2 熱泵技術應用原理

1）采暖供熱原理。熱泵的主要構成包括冷凝器、制冷壓縮機、膨脹閥以及冷凝器等裝置，其組成了制冷劑回路，將制冷劑充入制冷回路[3]。接入三相交流電后壓縮機通過高速旋轉，將低壓低溫的制冷劑氣體轉化為高壓高溫制冷劑氣體，其通過冷凝器中的冷凝水冷卻后，轉化為中壓中溫的制冷劑液體，其通過膨脹閥有效節流，升壓后進入蒸發器進行蒸發?？偨Y而言，制冷劑實現蒸發的全過程，等同于制冷劑在吸收地下水低溫熱量的吸熱過程，實現了熱交換，滿足用戶的供暖需求[4]，采暖供熱系統原理見圖1。

圖1 采暖供熱系統原理

2）制冷原理。水源熱泵空調系統中有8 只轉換閥門，利用它可以將制熱系統轉換成制冷系統。采暖回路由冷凝器放熱端構成，其通過轉換閥門改在蒸發器的吸熱段，而原有的消防池內的換熱清水系統由蒸發器的吸熱端組成，其通過轉換閥門改在冷凝器的放熱端，原有的制冷劑回路無變化[5-6]。當機組進入制冷工作模式時，壓縮機會將吸熱端吸入的低壓低溫制冷劑氣體壓縮，轉變為高壓高溫制冷劑氣體后，其進入了冷凝器，通過連接的冷凝器實現換熱，經過消防池內的清水系統后轉為中溫中壓的制冷劑液體，最后通過膨脹節實現節流減壓，進入蒸發器內進行膨脹蒸發吸熱，最終完成了制冷的功能，地能水源熱泵制冷系統原理見圖2。

圖2 地能水源熱泵制冷系統原理

3 熱泵提取油田余熱回收工藝選定

3.1 負荷計算

以杏北油田杏十二注水站為例：采暖熱負荷250 kW，供熱面積為1 170 m2。注水電動機冷卻水回水溫度小于40 ℃，注水電動機冷卻水來水溫度小于35 ℃。

上游的污水溫度30~35 ℃，來水量可達到4 000 m3/d。對其供熱能力進行計算，按照回注溫度為28 ℃，釋放溫度2 ℃，注水電動機冷卻水溫差在2 ℃，泵排量47 m3/h 計算，采暖需要的最大熱負荷[7]為：

式中：Q供暖為采暖用戶供暖熱量，kW；Q污水為污水供給熱量，kW；Q注水電動機為注水電動機釋放的熱量，kW；Q熱泵為熱泵自身利用點能轉為機械能而產生的少許熱能，kW。

將數據代入式（1）、（2）得出：p污排為73.95 m3/h ，現場供應污水量為平均140 m3/h，因此可滿足生產需求。

3.2 熱泵機組選擇

以杏北油田杏十二聯為例，現場熱負荷為250 kW，選擇GSHP-C0328M 中高溫型水源冷熱水機組2臺，機組性能技術參數見表1。

表1 熱泵機組性能技術參數

GSHP-C0328M 機組制熱實用工況230 kW，選用1 臺機組。根據制冷制熱負荷情況，選用2 臺在最嚴寒時運行困難，日常可啟用1臺，備用1臺。

4 余熱回收技術應用情況

4.1 大慶油田應用情況

近年來，大慶油田充分利用油田污水余熱滿足了各類別建筑的采暖需求，在注水站、注入站以及辦公樓等均利用余熱實現生產生活供暖，節能效果顯著[8]。與此同時，油田污水余熱的有效利用，有效減少碳排放，對的“碳達峰，碳中和”具有積極促進作用[9]。此外，通過應用余熱回收技術可實現崗位無人值守，有效降低了用人成本，對油田數字化建設起到輔助效果，根據現場實際應用的數據顯示，余熱回收裝置的投資回收期為5年以內。

4.2 熱泵技術應用效果

4.2.1 實現無線監控

水源熱泵可實現定時開關機、無線監控、熱量損失小等優點?？筛鶕F場實際需求設定機組自動啟停時間，利用其配備的無線監控技術，通過手機短信可實現主機、操作人員以及生產廠家的實時聯系，做到熱泵機房無人值守，同時還縮短了故障報警后售后服務人員的響應時間，有效提高了設備運行的自動化程度和可靠性，降低了運行管理費用[10]。

4.2.2 經濟效果分析

以杏北油田杏十二聯合站運行情況為例，對熱泵應用經濟效果進行對比分析見表2。

表2 杏十二聯合站熱泵應用經濟效果對比分析

1）建設費用。杏十二注水站于2009 年應用余熱回收技術代替了鍋爐采暖的弊端，該站建設熱泵房、熱泵機組及配套設備各1 套，建設投資235 萬元。

2）運行費用。應用余熱回收技術后，年機泵耗電 24.9×104kWh，費用15.8 萬元，而用鍋爐取暖需消耗天然氣30.5×104m3，運行費用16.8 萬元，年節成本1.0萬元。

3）人工成本。余熱回收技術可實現24 h 無人值守，常規鍋爐采暖工藝按照3班倒計算至少需求6名員工倒班值守，年可節省人工成本48萬元。

4）投資回收期。應用余熱回收技術后，成本費用235萬元，年節運行費用48.4萬元，經過4.85年可回收初始投資。

綜上熱泵技術采用全自動控制，無需人員值守，且運行安全，與運行鍋爐相比，不論從經濟效益還是從人力資源上熱泵都優于鍋爐采暖，同時熱泵在供暖過程中沒有化學變化，只是利用制冷劑的相變過程來進行熱量的轉移，所以不排放任何污染物，具有很好的環保效益。

4.2.3 運行過程存在問題

1）水質影響。熱源水進入熱泵機組的板式換熱器將二次循環水進行換熱供熱泵機組使用，由于熱源水（供熱泵機組換熱用污水）水質差，含油量（40 mg/L左右）及懸浮物含量高；由于污水處理過程中會投加殺菌劑、絮凝劑等，污水內容易形成聚合物，造成了污水泵進出口以及板式換熱器的進口過濾器堵塞，長期堵塞會導致進液量減少，使得換熱量不滿足熱泵機組的運行溫度，容易造成機組升溫困難，出口溫度偏低，換熱器換熱效果不好，造成機組低溫停機等問題，嚴重影響正常運行，存在著較大的安全隱患。

2）后期維修保養。熱泵機組長期運行后，換熱器前的過濾器因污水中雜質容易堵塞，需定期更換，零配件需有廠家進行后期的維修保養，其直接關系到處理熱效率的大小。此外，水源熱泵機組采取無人值守，設備內部有無線監控系統，一旦損壞，需由廠家進行維修。因此，選擇能提供長期有效設備維護保養的生產廠家是設備高效平穩運行的保障。

5 結論

1）針對具備上游污水熱源的小型注水站，由于用熱需求小，系統相對簡單，建議在有供熱設施改造時采用熱泵技術。

2）余熱回收技術宜應用于位置較為偏遠，供氣半徑長區域的小型站庫應用。

3）選擇能提供長期有效設備維護保養的生產廠家是設備高效平穩運行的保障。

4）建議選用水質較好的深度污水站作為熱水源，可有效提高熱效降低維修保養費用。