热泵技术在油田污水余热回收工程的应用.docx

图1 孔店联合站原有主体工艺流程热泵技术在油田污水余热回收工程的应用张祖峰 李彦 倪心富 姬瑞 （大港油田第六采油厂工艺研究所）摘要针对孔店油田产出污水处理合格后外排，污水中的大量余热散失到环境中，造成热量浪费和环境热污染等问题，研究应用了吸收式水源热泵技术，该技术以油田伴生气为驱动 源，提取外排污水余热，替代孔店联合站现有加热炉加热系统。通过热泵技术的应用，实现了 污水余热回收利用，提高了孔店联合站加热系统热能利用效率，减少了烟尘和氮氧化物的排放 量，达到了节能减排的目的。关键词热泵技术油田污水余热板式换热器节能减排DOI: 10. 3969/ j . i s s n. 2095- 1493. 2013. 002. 004输；污水则进入污水处理系统，经过一次处理后，部分污水作为油田回注水注入地层，剩余污水经冷 却塔降温后进行生化处理，达到国家二级排放标准 后外排 （图 1）。站内加热系统主要由 6 具加热炉组 成，分别为南部来油、脱水系统、原油外输、油田 产出液、油田掺水、生活采暖供热，最高负荷为8 403 kW，加热炉燃料为油田伴生气和原油，年消 耗天然气401104 m3，原油3 409.5 t。引言热泵技术的应用在上世纪 60 年代起源于美 国，主要用于建筑行业，进入 70 年代，热泵工业 迎来了黄金时期，并被世界各国所重视，到 90 年 代末，热泵技术被引进到中国，并得到了蓬勃发 展。在北京、上海、广州等城市已规模应用地源热 泵技术为居民供暖和制冷。在 2008 年北京奥运会 主体育场“鸟巢”中，地源热泵也得到了应用。在 胜利油田和华北油田应用了吸收式水源热泵提取污 水余热给生活采暖供热。孔店油田位于河北省黄骅市孔韩庄西。随着油 田勘探开发规模的不断扩大，油田产液量逐年增 高，目前，孔店油田每天产出污水 7 300 m3，产出 污水的年平均温度在 4852 ，因为污水温度高， 无法满足油田污水生化处理系统要求，需要进行降 温处理，经计算每小时散失热量 5 000 kW 左右，增 加了污水处理成本，同时造成了污水中的大量热能 浪费。2技术原理结合孔店联合站主体工艺现状，在不改变其他1工艺现状孔店联合站担负着孔店油田的原油和污水处工艺的情况下，以油田伴生气为驱动源，应用吸收式水源热泵技术，提取外排污水余热，利用列管换 热器对需热介质进行加热，替代传统加热炉加热工 艺，实现污水余热回收再利用。2.1 热泵工作原理热泵机组主要由蒸发器、吸收器、发生器、冷 凝器 4 部分组成 （图 2），以天然气为驱动源，利用 冷媒介质的气液转化，以溴化锂溶液为载体，提取理，以及大港南部油田的来油加热和转输任务。其主体工艺为：油田产出液经过加热炉升温后进入分 离缓冲罐脱气，再进入沉降罐沉降脱水，沉降后的 低含水原油进入储油罐，和南部来油一起加热后转第一作者简介：张祖峰，工程师，2003 年毕业于石油大学 （华东），从事石油开采工作，E-mail：648447553，地址：河 北黄骅大港油田第六采油厂工艺研究所，061100。112013年第2期 石油石化节能图2 热泵工作原理图图 3 热泵系统热交换工艺简图图 4 应用热泵技术后孔店联合站主要工艺示意图技术应用 / Technology & Application热源污水中的低品位余热，并完成低品位热能向高品位热能的转变，服务于油田生产。 在蒸发器中，中介水与液态冷媒介质进行热交换，液态冷媒介质吸热气化变成冷媒蒸汽进入吸收 器，完成污水余热回收。在吸收器中，高温高浓溴化锂溶液吸收冷媒蒸 汽后，变成低温低浓溴化锂溶液，释放的热量被热 媒水吸收，实现低品位余热利用。在发生器中，来自吸收器的低温低浓溴化锂溶 液加热后变为高温高浓溴化锂溶液，同时产生大量 的高温冷媒蒸汽进入冷凝器。在冷凝器中，高温冷媒蒸汽与热媒水进行第二 次热交换，冷媒蒸汽放出热量后液化变成液态冷媒 介质进入蒸发器，同时产生高温热媒水。2.2.4需热介质吸热需热介质进入列管式换热器，与热泵机组出来 的高温热媒水发生热交换，升温后的需热介质温度 达到生产要求。2.3技术难题及创新2.3.1如何提高板式换热器的换热效率针对水源热泵的热源为油田产出污水易结垢的 难题，配套了板式换热器清洗除垢工艺，并对垢的 组成和成垢周期进行了分析，筛选了有效的除垢 剂，制定了周期除垢措施。2.3.2如何提高热泵机组运行的稳定性针对热泵机组的驱动源为油田伴生气稳定性差 的难题，在热泵机组的前端增加了伴生气稳压处理 装置，同时对热泵机组设置了低压停机保护系统。2.3.3如何准确匹配列管换热器的供热量针对需热介质的需热量不同，列管换热器准确 匹配供热量的难题，在列管换热器前端配套自动调 节系统，通过自动调节高温热媒水循环水量，匹配 不同需热介质的供热量。2.2热泵系统热交换工艺过程（图3）2.2.1热源污水放热利用泵给热源污水提供动力进入板式换热器， 在板式换热器内，热源污水与中介水发生热交换， 换热后的热源污水进入污水处理系统进行一次处理 后，部分污水作为油田回注水注入地层，剩余污水 进行生化处理，达到国家二级排放标准后外排。2.2.2中介水循环利用泵给中介水提供动力进入板式换热器，在 板式换热器内，中介水提取热源污水中的余热，升 温后的中介水进入热泵机组，在热泵的蒸发器内与 液态冷媒介质发生热交换，换热后的中介水重新进 入板式换热器提取热源污水余热。2.2.3热媒水循环利用泵给热媒水提供动力进入热泵机组，在热 泵吸收室内，热媒水进行一次热交换后进入冷凝 室，二次热交换后变成高温热媒水，产生的高温热 媒水进入列管换热器与需热介质进行热交换，换热 后的热媒水重新进入热泵进行热交换。3孔店油田余热回收工程应用孔店联合站在不改变主体工艺的情况下，应用2 台水源式热泵消耗油田伴生气，提取热源污水余热产生高温热媒水，通过 5 具列管换热器给孔店联 合站脱水系统、油田产出液、油田掺水、冬季生活 采暖、原油外输加热，替代原有加热炉加热系统。 热泵系统 （图 4） 投运后运行平稳，孔店联合站各 需热系统加热温度能够满足实际生产要求 （表1）。12技术应用 / Technology & Application热泵系统现场应用自动化程度高，通过网络组 态技术实现了生产参数自动录取及动态监测；应用 PLC 技术实现了生产运行的自动控制，员工劳动强 度明显降低。水源热泵技术在油田的应用，需要有充足的低 温污水作为热源和连续的油田伴生气作为热泵的驱 动源，在应用热泵技术的前期调研中要对这两个关 键参数做好预测。列管换热器是热泵系统中热转换的关键设备之 一，其换热面积大小决定了换热效果，在换热器的 选型和换热面积计算时，要充分做好介质需热量和 换热面积的匹配。表 1 目前热泵系统的生产参数运行状况列管换热 热媒进口 热媒出口 介质进口 介质出口 介质要求名称需热介质面积/m2温度/温度/温度/温度/温度/列管换热器 含水30%油753870125330753668383666659787859594460503939597068565655756575508045704570列管换热器列管换热器采暖污水列管换热器 含水95%油列管换热器 含水95%油4效果评价孔店联合站加热系统在进行热泵技术改造前后，经具有资质的第三方检测机构进行了能耗测试，测试方法为“效果比较测定法”，测试结果显 示应用热泵技术回收利用污水余热与传统加热炉加 热系统相比，具有很好的节能效益和社会效益 （表2）。热泵技术作为一项新技术在油田现场应用时，应充分考虑联合站生产工艺的适应性，为确保安全 稳定运行，可适当保留部分加热工艺，作为热泵检 修时的备用工艺。表 2 应用热泵技术前后能源消耗对比 6结束语大港油田孔店联合站成功应用热泵技术回收利实施前实施后设 备能源消耗（/ MJh-1）设 备能源消耗（/ MJh-1）用油田污水余热，替代传统加热炉加热系统，热泵机组整体橇装，施工简便；自动控制程度高，员工 劳动强度小；余热回收利用率高，节能效果显著。 同时为特高含水油田原油加热处理和污水降温处理 系统实现高效平稳运行开辟了新途径，对热泵技术 服务于油田生产，实现节能减排具有借鉴作用。1#加热炉2#加热炉3#加热炉4#加热炉5#加热炉6#加热炉 合计5 362.202 467.105 067.005 034.398 328.046 776.6133 035.341#加热炉2#加热炉5#加热炉1#热泵2#热泵 新系统 小计污水提供热值 合计6 272.821 907.026 972.963 680.293 598.97248.7622 680.824 940.8027 621.62（收稿日期：2012-09-05）依据第三方测试数据：孔店联合站加热系统应用热泵技术改造前，加热系统能源消耗总量为33 035.34 MJ/h，所有热量均由加热炉燃烧油田伴生 气或原油提供；改造后，加热系统能源消耗总量为27 621.62 MJ/h，其中 22 680.80 MJ/h 由热泵和加热 炉消耗油田伴生气提供，另外 4 940.8 MJ/h 为热泵 系统从污水预热中提取。通过对比，新系统应用后 节约能源量为 10 354.52 MJ/h，原油低位发热值按41.868 MJ/kg 计算，则每小时节约原油 247.31 kg， 原油价格按照 4 696 元/t 计算，年节约资金 1 017.4 万元。5认识热泵系统与加热炉供热系统相比，具有更高的热利用率，同时热泵机组实现了生产中低品位热能的回收，并应用于油田生产，减少了烟尘和氮氧化 合物的排放，节能减排效果显著。132013年第2期 石油石化节能广 告 索 引封二中国石油天然气集团公司工程技术节能监测中心 封底大庆油田工程招投标彩插1 中国石油天然气集团公司管道节能监测中心 P51欢迎订阅石油与装备杂志ENERGY CONSERVATION INPETROLEUM & PETROCHEMICAL INDUSTRY No. 2, 2013ABSTRACTS OF SELECTED ARTICLESThe feasibility analysis of waste heat recovery technology for natural gas compressor in Su 10-3 gasgathering stationS/n iii, i,nI I/ (ujiiii,1J!e,I. S/?lr,III,The lowoilfield.gathering and pressurization gas transportation mode have been used in Suligepower equipment of pressurization gas transportation, the gas compressors have beenwidely used. A large of waste heat-energy and air pollution will be caused by the high-temperaturesmoke from compressors during operation. The smoke waste heat recycling program has been presented and the feasibility of running has been analyzed by calculating and verification. This shows that therecycling heat from the smoke of Su 1 0-3 gas gathering station can meetheat need for industrialproduction and life. The compressor faults caused by high-temperature can be resolved,and the wastegas emission can be reduced. This technology is a useful way of energy-saving and emission-reducinggathering station.Waste heat from smoke,Words: Gas compressors,Recycling,Refrigeration, Heating,1nergv-sH ing and cm ission-reducingApplication of heat pump technology in waste heat recovered from sewage of oilfield/,iit /uftII. L/ Yun Vt VinJ/t i,it/ ii RutThe production sewage with a large of waste heat from Kongdian oilfield has been discharged directly after qualified treatment. It results in heat waste and environmental thermal pollution. To re solve these problems, the absorption water source heat pump technology has been developed. This technology uses associated gas as the driving source and extracts the waste heat of sewage for dis charging to replace the existing furnace heating system of Kongdian multipurpose station. The sewage heat recycling can be realized,