高温水源热泵机组在油田污水余热回收利用中的应用

王星源（大庆油田工程建设有限公司）

高温水源热泵机组在油田污水余热回收利用中的应用

王星源（大庆油田工程建设有限公司）

开发利用油田高温污水余热资源成为油田新的效益增长点。介绍了高温水源热泵机组工作原理、特点、现场应用情况以及应用效果分析等。实践证明，采用BOO项目管理模式实现污水余热开发利用，可以有效解决油田节能项目资金不足的问题，高温水源热泵机组在油田污水余热回收利用中的应用其技术是成熟可行的，完全能满足油田高温污水通过两级换热的利用方式的技术要求，具有良好的推广应用价值。

高温水源；热泵机组；污水余热；回收利用；应用

随着老油田开采难度的逐年增加，其能耗也在不断上升，特别是在油田稠油开发区块，其热力系统能耗占比就达70%以上，降低热力系统能耗成为降本增效的主要目标［1］。油田在采出液处理过程中，需要大量的热能以满足原油生产需要，同时又有大量的40～70℃污水余热没有充分利用就进行回注或外排，不仅造成了余热资源的浪费，而且对污水处理系统和注水系统设备管网造成严重结垢腐蚀，使维修维护成本越来越高。实施绿色低碳发展战略，开发利用污水余热资源，实现企业节能降耗和降本增效已成为各油田一项重要的研究课题，而油田污水热余热资源作为一种清洁能源已越来越得到广泛重视，开发利用油田高温污水余热将成为油田新的效益增长点[2-3]。为此，某油田结合低油价的严峻形势，对污水余热利用项目进一步评价优化，按效益优化排序，提出了《高温水源热泵机组在油田污水余热回收利用中的应用》这一攻关课题，并取得了良好的应用效果。

1 高温水源热泵机组

1.1 工作原理

高温水源热泵机组是一种利用油田采出液中的高温污水制取较高温度热水的空调热源设备，采用先进高效耐腐蚀、高传热效率的波纹换热管，与被加热原油实现热换热，达到高温污水余热回收利用目的[4]。其制热原理是压缩机将从冷水侧蒸发器回来的制冷剂蒸气，压缩成高压气体，并送到热水侧冷凝器中，气态制冷剂的热量由热水循环系统带走被冷凝成液体，液态制冷剂经过液路操作阀、干燥过滤器、热力式膨胀阀进入蒸发器，在蒸发器中制冷剂液体吸收冷水循环系统中水的热量而蒸发成气体再进入压缩机。冷水循环系统中的冷水温度被降低，这样周而复始地工作从而达到制热的目的。

1.2 特点

1）结构紧凑，操作简单。机组将制冷循环系统中的制冷压缩机、蒸发器、冷凝器、干燥过滤器、电子式膨胀阀、压力表、压力控制器、油压控制器、温度控制器、制冷管路及电控箱等全部零部件整体组装，产品结构紧凑、占地面积小、操作简单，为用户设计、安装、操作及维护提供了最大的方便性和经济性。

2）采用先进的控制方法，具有全自动控制功能。西门子S7-200系列PLC，操作界面采用西门子TP系列触摸屏、6ES7-231（EM231）热电阻输入模块，是用于自动控制系统的可靠装置。可编程序控制器具有故障自诊断、报警及保护功能。它应用于水源热泵机组中不但能显示机组的运行参数、报警参数，而且还能对机组的某些控制参数在现场进行设定。在机组正常运行时能一直监控检测热水的出水温度和回水温度，并能根据回水温度自动控制压缩机的上载、卸载，从而准确地控制机组的供热量，达到运行安全可靠及高效节能的目的。

3）机组能够高效运行。采用热力式膨胀阀，可根据冷水测水温及机组运行情况自动调节制冷剂流量，使机组始终处于最佳高效运行状态。

4）保护功能齐全，运行可靠。机组设有较完善的安全保护系统，它们是压缩机的排气压力过高保护、压缩机的吸气压力过低保护、电动机保护、油位过低保护、断水保护、冷水温度过低保护、热水温度过高保护等，因此机组运行安全可靠。

5）体积小，结构先进。采用半封闭往复式制冷压缩机作为主机，该压缩机具有体积小、重量轻、结构先进、噪音低、振动极小等特点，而且该压缩机运行工况范围较广。

6）换热效率高。机组的两大换热器，均采用容积式与管壳式换热器相结合的复合结构换热器，换热管采用耐腐蚀、高传热效率的波纹换热管，不仅有效解决了高温污水对换热器的腐蚀和结垢堵塞问题，而且换热效率高。

7）压力容器安全可靠。机组的容器均严格按照压力容器的有关规定设计制造，并通过了压力容器监察部门的检查和验收。蒸发器、冷凝器的水测设计压力均高达1.6 MPa，完全适合油田生产现场工艺流程和高层建筑的需要。

8）双系统运行保障方式。采用多机头双系统形式，可根据负荷的变化情况自动调节压缩机的运转台数，节能效果显著。当其中一个系统出现故障时，另一个系统仍可正常运转。

9）先进的污水过滤工艺。采用日本原装DAST自动清洗过滤器，为了解决过滤油性液体时，网壁上产生油膜而堵塞滤网及油污废水中含有高分子聚合物等问题，日本制造公司在DAST的刮刀上设计了反吸器装置，其工作原理是在过滤器的底部再设计一个排污口，排污口与反吸器是相通并在排污口设一个电磁开关控制。当传感器检测到网孔被油污和高分子聚合物堵塞时，在启动刮刀旋转的同时，排污口的控制阀按设定方式执行打开、闭合的程序启动动作，达到自动和高效清洗过滤的目的。

2 现场应用

该高温水源热泵机组于2015年10月在某油田某联合站投入现场应用。污水余热利用项目实施前该联合站内每天污水流量达6000 m3，污水温度为72℃至79℃，余热没有被利用，就直接进行了回注，造成了余热资源浪费。另外，如此高的污水温度，使得污水处理系统和注水系统设备管网易结垢并腐蚀严重，维修维护成本变高。该联合站污水余热利用项目采用B00模式实施，由技术服务商投资建设和运营，油田“买热”。项目实施运行后，被加热原油温度及流量分别为46℃、65.6 m3/h，加热后原油温度达到了74.1℃。实际取用污水温度、流量分别为76.16℃、185 m3/h，换热后污水温度为56.94℃。高温水源热泵机组应用前后对比数据见表1。

表1 高温水源热泵机组应用前后对比数据

从表1中可以看出，应用高温水源热泵机组后，在满足油田正常生产的前提下，日节省燃料原油4.2 t，年节约燃料原油1533 t，每年可节约标准煤2190 t、减少碳排放3960 t，高温污水温度由利用前的76.16℃下降到余热回收后的56.94℃，污水温度下降了19.22℃，被加热原油由高温水源热泵机组换热前的46℃上升到换热后的74.1℃，加热原油与采用加热炉加热效果相似，但节省了一笔相当可观的燃油费用。

3 应用效果分析

1）高温污水余热得到充分利用。过去联合站每日产生的高温污水余热未被利用就直接进行了回注，造成了余热资源浪费。应用该装置后，高温污水余热资源得到充分开发利用，不仅替代了联合站原有的加热炉等原油加热设备，而且设计安装了容积式与管壳式换热器相结合的复合结构换热器，换热管采用耐腐蚀、高传热效率的波纹换热管，有效解决了高温污水对换热器造成的腐蚀和结垢堵塞问题。

2）节能效益明显。年节约燃料原油1533 t，按每吨原油价格2100元计算，则节省燃油费用321.93万元，减去年购热费用77.2万元，直接节能效益可达244.73万元。

3）减排效果明显。该项目运行后，该站每年可减少燃油（原油）消耗1533 t，按每吨燃油（原油）燃烧产生3.366 t二氧化碳、0.273 6 t二氧化硫、0.136 8 t氮氧化物计算，则每年可减少排放5 160.078 t二氧化碳、419.428 8 t二氧化硫、485.654 4吨氮氧化物。

4）节省了人工成本。该站原加热炉岗原需要4名加热工，应用高温水源热泵机组后只需要1名员工负责与项目技术服务商的协调、能耗统计与费用核算工作，大大地节省了人工成本，缓解了企业用工紧张问题。

5）降低了污水回注温度。联合站污水温度由原来的76.16℃下降到余热回收后的56.94℃，污水温度的降低，有效降低对污水处理系统和注水系统设备管网造成结垢腐蚀的问题，减少联合站维修维护成本，延长联合站设备设施使用寿命。

4 结论

油田具有丰富的高温污水余热资源和资源开发应用潜力，高温污水余热的开发利用对于油田节能减排、降本减费增效将发挥重要作用。实践证明，采用BOO项目管理模式实现污水余热开发利用，可以有效解决油田节能项目资金不足的问题，高温水源热泵机组在油田污水余热回收利用中的应用技术是成熟可行的，完全能满足油田高温污水通过两级换热的技术要求，其经济效益和社会效益是可观的，具有良好的推广应用价值。

[1]朱益飞.胜利油田全方位做好节能减排[J].电力需求侧管理.2012，14（4）：64.

[2]朱益飞.胜利油田实施绿色低碳战略[J].石油石化节能2015，5（3）：34-35.

[3]朱益飞.胜利油田热泵技术应用现状及对策应用[J].电力需求侧管理2012，14（1）：31-33.

[4]朱益飞.热泵型原油加热系统在孤东油田的应用[J].变频器世界2009，10（10）：A9-A12.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.02.003

2016-11-06

（编辑 张兴平）

王星源，2013年毕业于黑龙江工程学院（土木工程专业），从事油气田地面建设工作，E-mail：418898092@qq.com，地址：黑龙江省大庆市工程建设有限公司油建公司第四工程部，163000。