某油田聯(lián)合站污水余熱利用研究

劉佳（遼河油田特種油開發(fā)公司）

隨著原油從地下采出，再通過管道被輸送至轉(zhuǎn)油站，最后到達聯(lián)合站，在聯(lián)合站完成原油的脫水處理，被處理為合格的原油才能外輸。原油的脫水流程主要為熱化學沉降，整個的原油脫水過程，需要消耗大量的天然氣加熱原油[1-2]。同時隨著油田產(chǎn)出液含水率增高[3]，原油的脫水過程會增加能源的消耗，產(chǎn)生大量的高溫污水。這一過程將采用節(jié)能的熱泵技術(shù)實現(xiàn)。

熱泵的節(jié)能原理：對于理想的熱泵制熱循環(huán)，如果忽略其它熱損失，則由熱力學第一定律可得出熱平衡關(guān)系式：

式中：Q1為冷凝器的熱負荷，即單位時間被加熱介質(zhì)吸熱量，W；Q0為蒸發(fā)器的熱負荷，即單位時間提取低溫熱源的熱量，W；W為外界輸入的功，W。

熱泵制熱性能系數(shù)εCOP為：

由公式（1）、（2）可以看出，熱泵的供熱量等于從低溫熱源中吸收的冷凝熱量和外界輸入的功補償熱量之和，即對于第一類吸收式熱泵和壓縮式熱泵制熱性能系數(shù)永遠大于1，供熱量始終大于消耗的高品位驅(qū)動能量的熱量。熱泵是采用逆卡諾循環(huán)，使熱量從低溫物體流向高溫物體，整個過程消耗少量的逆循環(huán)凈功，可以得到較大的供熱量。熱泵根據(jù)驅(qū)動方式的不同，油田常用的熱泵主要分為吸收式和壓縮式兩種，國內(nèi)眾多學者對熱泵技術(shù)進行研究，利用熱泵對油田的污水余熱進行回收，提供熱量用于原油加熱或聯(lián)合站采暖[4-6]。文中以某油田聯(lián)合站為例，利用壓縮式熱泵將處理后污水中熱量進行回收，用于聯(lián)合站來液一段加熱和冬季采暖。

1 聯(lián)合站概況

1.1 現(xiàn)狀

聯(lián)合站設(shè)計處理能力為100×104t/a，污水設(shè)計處理能力1.2×104m3/d。目前站內(nèi)原油生產(chǎn)流程為二段熱化學沉降工藝，現(xiàn)有1.15×104m3/d 各站來的采出液，經(jīng)過脫水分離后，再經(jīng)過污水處理后污水約11 000 m3/d，該部分污水溫度冬季40 ℃，處理后污水含油小于5 mg/L，懸浮物小于10 mg/L，且流量穩(wěn)定。目前該部分污水用于回注，污水的余熱沒有利用[7-8]。

原油處理系統(tǒng)流程見圖1，進站來液首先經(jīng)加熱爐提溫后進入沉降罐脫水，脫出污水進入污水處理系統(tǒng)，沉降罐上層原油進入緩沖罐，脫水泵抽緩沖罐中原油進入脫水加熱爐進一步提溫后，進入二段脫水器脫水之后，進入好油罐靜沉，原油在好油罐脫水合格達標后經(jīng)外輸加熱爐提溫外輸。

圖1 原油處理系統(tǒng)流程Fig.1 Flow of crude oil treatment system

污水處理系統(tǒng)流程見圖2，原油處理系統(tǒng)脫出污水首先進入斜管除油罐，處理后污水進入浮選機處理，浮選機處理后污水進入過濾吸水池，過濾泵吸過濾吸水池，將污水增壓進入過濾器，最后污水進入注水罐用于注水。

圖2 污水處理系統(tǒng)流程Fig.2 Flow of sewage treatment system

1.2 用熱情況

聯(lián)合站用熱主要包括進來液一段加熱、二段加熱、原油外輸加熱和采暖等，所有用熱均由天然氣加熱爐提供，目前聯(lián)合站內(nèi)擁有加熱爐9 臺，其中進站加熱爐4 臺（3 臺1 750 kW，1 臺1 250 kW），脫水加熱爐2 臺（1 750 kW），外輸加熱爐2 臺（1 750 kW），采暖加熱爐1 臺（1 250 kW），9 臺加熱爐每年消耗大量的天然氣。

原油一段從45 ℃加熱至51 ℃，加熱熱負荷為2 600 kW。冬季采暖負荷為900 kW，采暖供回水溫度為60 ℃/45 ℃。原油二段加熱和原油外輸加熱溫度分別為80 ℃和90 ℃，原油不能通過熱泵直接加熱，需采用熱水換熱，根據(jù)《油田油氣集輸設(shè)計規(guī)范》GB 50350—2015 第4.5.18 條要求“端溫差不宜小于15 ℃”。根據(jù)當前參數(shù)污水溫度（冬季38 ℃）以及熱泵技術(shù)條件，熱泵可制取80 ℃熱水，該溫度熱水無法實現(xiàn)原油二段脫水加熱和原油外輸加熱。故只考慮將一段加熱和供暖加熱負荷進行替代，熱負荷合計3 500 kW。

壓縮式熱泵在運行中不消耗化石能源，無污染物、CO2排放，更加符合國家和對碳減排的政策要求，因此采用壓縮式熱泵作為熱源替代原有燃氣加熱爐[9-10]。

2 熱泵設(shè)計方案

設(shè)計規(guī)模為1 臺1 000 kW 和1 臺3 000 kW 壓縮式熱泵，熱泵采用污水作為熱泵的低溫熱源，采用電能作為驅(qū)動能源。站內(nèi)現(xiàn)有燃氣加熱流程保留，當熱泵系統(tǒng)檢修停運時可恢復(fù)原有流程。采暖循環(huán)系統(tǒng)可以利舊，此次設(shè)計只需完善管網(wǎng)。

2.1 工藝流程

2.1.1 采暖加熱系統(tǒng)

以處理后污水為低溫熱源，處理后污水（40 ℃，124 m3/h）先通過板式換熱器將熱量交換給循環(huán)水，循環(huán)水進、出口溫度分別為24 ℃、34 ℃，處理后污水溫度降至34.8 ℃后輸回污水處理系統(tǒng)。

循環(huán)水進入采暖熱泵機組撬裝裝置的蒸發(fā)側(cè)，采暖回水（52 m3/h）進入熱泵機組冷凝側(cè)，將采暖回水自45 ℃加熱至60 ℃用于建筑單體供暖。采暖加熱原理流程見圖3。

圖3 采暖加熱原理流程Fig.3 Flow of heating principle

2.1.2 工藝加熱系統(tǒng)

以處理后污水為低溫熱源，處理后污水（40 ℃，333.9 m3/h）先通過板式換熱器將熱量交換給循環(huán)水，循環(huán)水進、出口溫度分別為24 ℃、34 ℃，處理后污水溫降至34.8 ℃后輸回污水處理系統(tǒng)。

循環(huán)水進入伴熱熱泵機組撬裝裝置的蒸發(fā)側(cè)，原油一段換熱回水（224 m3/h）進入熱泵機組冷凝側(cè)，將換熱回水自60 ℃加熱至70 ℃用于原油一段換熱。工藝加熱原理流程見圖4。

圖4 工藝加熱原理流程Fig.4 Flow of process heating principle

2.2 主要設(shè)備選型

2.2.1 熱泵

熱泵機組采用全自動控制系統(tǒng)，具有程序啟動、程序檢漏、自動調(diào)節(jié)、超溫報警等控制及安全保護功能。

熱泵選型原則：為使熱泵在較高能效比狀態(tài)中運行，設(shè)置2 臺熱泵分別加熱采暖水和原油脫水的來液。采暖熱負荷900 kW，原油加熱負荷2 600 kW，機組考慮10%左右附加系數(shù)，則采暖熱泵機組額定制熱量1 000 kW，原油熱泵機組額定制熱量3 000 kW。

熱泵機組負荷側(cè)熱負荷為900 kW，因機組僅為冬季采暖用，當機組發(fā)生故障時可由燃氣采暖鍋爐保障，因此設(shè)置1 臺熱泵機組，單臺熱泵機組額定制熱量1 000 kW。

工藝熱泵機組負荷側(cè)熱負荷為2 600 kW，因機組僅為冬季工藝換熱用，當機組發(fā)生故障時可由燃氣鍋爐保障，因此設(shè)置1 臺熱泵機組，單臺熱泵機組額定制熱量3 000 kW。壓縮式熱泵機組運行參數(shù)見表1。

表1 壓縮式熱泵機組運行參數(shù)Tab.1 Operating parameter of compression heat pump unit

2.2.2 換熱器

目前換熱器以板式換熱器、管殼式換熱器應(yīng)用最為廣泛。板式換熱器具有傳熱系數(shù)高、占地面積小、價格低、熱損失小等優(yōu)點，因此選用板式換熱器。

換熱器高溫側(cè)介質(zhì)為污水，為提高系統(tǒng)可靠性，該工程板式換熱器選擇2 臺，一運一備。根據(jù)換熱器換熱量、冷熱介質(zhì)參數(shù)進行工藝計算，換熱器設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 換熱器設(shè)計參數(shù)Tab.2 Design parameter of heat exchanger

熱泵系統(tǒng)的主要設(shè)備及設(shè)計參數(shù)見表3，其余配套工程包括：場區(qū)管線，供配電及自控儀表，采暖循環(huán)泵及水箱可利舊。

表3 熱泵系統(tǒng)主要設(shè)備及設(shè)計參數(shù)Tab.3 Main equipment and design parameter of heat pump system

3 現(xiàn)場應(yīng)用能耗與經(jīng)濟性分析

工程實施前，站內(nèi)主要供熱系統(tǒng)是通過消耗天然氣化學能實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移，采暖熱負荷為900 kW，工藝加熱熱負荷為2 600 kW，采暖天數(shù)為150 d，工藝加熱為全年運行，天然氣熱值為3.5×104kJ/m3，考慮加熱爐效率85%，經(jīng)計算，年消耗天然氣320×104m3，年消耗電量23×104kWh。

工程實施后，利用熱泵回收污水中的熱量替代現(xiàn)有聯(lián)合站采暖加熱爐和工藝加熱爐壓縮式熱泵采用電驅(qū)動，采暖系統(tǒng)出水溫度為60 ℃，εCOP相對較高為5.5，工藝系統(tǒng)出水溫度為70 ℃，εCOP較采暖系統(tǒng)低4.2，考慮熱泵機組和蒸發(fā)器側(cè)及冷凝器側(cè)循環(huán)泵耗電，全年耗電量為653×104kWh。

工程實施前后對比見表4，熱泵機組替代原加熱爐系統(tǒng)，每年節(jié)能8 932×104MJ，折合標煤減少3 481.8 t，減少CO2排放2 024.5 t。

表4 工程實施前后對比Tab.4 Comparison before and after project implementation

該項目的工程費投資概算為1 560 萬元，為了便于比較，天然氣和電價采用市場價格進行折算，天然氣價為3.1 元/m3，電價為0.54 元/kWh，工程實施前，年能源消耗為1 004.4 萬元，工程實施后，年能源消耗為352.6 萬元，每年可節(jié)省能源消耗費用651.8 萬元，投資回收期為2.4 a，經(jīng)濟效益顯著。

4 結(jié)論

“雙碳”目標是國家的一項重大戰(zhàn)略決策，是各行各業(yè)各領(lǐng)域共同奮斗的發(fā)展目標。隨著油田開發(fā)已進入中后期，節(jié)能降耗、綠色低碳成為油田企業(yè)發(fā)展的主要基調(diào)，采用新能源技術(shù)對已有的工藝技術(shù)進行優(yōu)化簡化、技術(shù)替代是油田綠色發(fā)展的主要途徑。得到的結(jié)論如下：

1）通過對已建聯(lián)合站中原油處理流程和污水處理系統(tǒng)的工藝進行深入分析，得出可以利用處理后污水作為低溫熱源，采用壓縮式熱泵替代現(xiàn)有燃氣加熱爐，用于原油處理一段用熱和站內(nèi)采暖用熱。

2）通過壓縮式熱泵作為熱源，工程實施后，每年可節(jié)能8 932×104MJ，折合標煤減少3 481.8 t，減少CO2排放2 024.5 t，可以大規(guī)模減少化石能源消耗，提高清潔能源利用率，有力支撐國家“雙碳”目標實現(xiàn)，該項目節(jié)能減排效果顯著。

3）工程實施后，壓縮式熱泵較原燃氣加熱爐每年可節(jié)省燃料消耗費用651.8 萬元，經(jīng)濟效益顯著。采用電氣化壓縮式熱泵替代燃氣加熱爐，具有很好的應(yīng)用前景，可以在油田大規(guī)模推廣，促進油田發(fā)展過程中的降本增效。