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）

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）

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。

热泵技术 油田污水 余热 板式换热器 节能减排

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 7300m3，产出污水的年平均温度在 48～52 ℃，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 5000kW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。

1 工艺现状

孔店联合站担负着孔店油田的原油和污水处理，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8403kW，加热炉燃料为油田伴生气和原油，年消耗天然气 401×104m3，原油 3409.5t。

图1 孔店联合站原有主体工艺流程

2 技术原理

结合孔店联合站主体工艺现状，在不改变其他工艺的情况下，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。

图2 热泵工作原理图

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。

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。

图3 热泵系统热交换工艺简图

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。

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）。

图4 应用热泵技术后孔店联合站主要工艺示意图

表1 目前热泵系统的生产参数运行状况

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）。

表2 应用热泵技术前后能源消耗对比

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33035.34MJ/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27621.62MJ/h， 其 中 22680.80MJ/h 由 热 泵 和 加 热炉消耗 油 田 伴 生气提 供 ， 另 外 4940.8MJ/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 10354.52MJ/h， 原 油低 位 发 热 值 按41.868MJ/kg 计 算 ， 则 每 小 时 节 约 原 油 247.31kg，原 油 价 格 按 照 4696 元/t计 算 ， 年 节 约 资 金 1017.4万元。

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。

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。

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。

6 结束语

大港油田孔店联合站成功应用热泵技术回收利用油田污水余热，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。

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.002.004

2012-09-05）

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@qq.com， 地 址 ： 河北黄骅大港油田第六采油厂工艺研究所，061100。