X联合站污水余热利用的热泵选择分析

于庆（大庆油田有限责任公司第九采油厂）

1 含油污水余热评价

1.1 含油污水资源概况

X联站内的含油污水深度处理站，设计规模为7 500 m3/d，目前实际处理量为5 569 m3/d。设计处理后含油污水水质：含油量≤8 mg/L；悬浮固体含量≤3 mg/L；悬浮物粒径中值≤2μm。处理后含油污水温度为37℃。可见X联污水站含油污水水量十年预测见表1。

表1 X联合站含油污水水量十年预测Tab.1 Ten year prediction of Oil-polluted water volume of X united station

1.2 污水余热可利用潜力

目前，X联合站含油污水全部回注地下，造成了热量的浪费。如采用热泵技术，可以提取部分低温含油污水热能，生产高温的热能，用于替代站内燃气的采暖系统和工艺用热系统热源[1-3]。按照含油污水水量5 500 m3/d，提温15℃时，可提取热量4 MW；提温13℃时，可提取热量3.46 MW。

2 站场用热现状

2.1 X联合站燃气设备现状

X联合站内已建加热炉共8台，其中掺水炉3台，外输炉2台，采暖炉2台，热水炉1台；已建五合一装置5台，四合一装置2台。

2.2 可替代加热炉热负荷及参数

由于X联合站的含油污水水量水温的限制，利用热泵技术可提供的热量有限，四合一、五合一装置功能较多，不适合替代，热水炉供热温度为85℃，温度过高，也不适合替代，只有采暖、外输及掺水用热负荷可以替代。

经现场调查、往年的运行数据以及工艺需要，采暖加热炉最冷季的实际供水温度为70℃，外输炉出口温度为65℃（夏季）、75℃（冬季），掺水。炉出口温度为65℃（夏季）、70℃（冬季）。

根据加热介质的不同，采暖系统热水可以直进热泵机组；外输炉为净化油，掺水炉为含油污水，这2种介质均不能直进热泵机组，须经换热器换热。可见X联地区采暖、外输及掺水热负荷、参数见表2。

表2 X联合站地区采暖、外输及掺水热负荷、参数Tab.2 Heat load and parameters of heating，export and water mixing of X united station

3 热泵机组型式选择

3.1 热泵机组型式

热泵机组按驱动力分类，主要有两种类型，即压缩式和吸收式热泵。吸收式热泵机组又分为第Ⅰ类（增热型通过利用少量高温热源的热能，产生大量中温有用的热能）和第Ⅱ类（升温型通过利用大量中温热源的热能，产生少量高温有用的热能）。压缩式热泵工质依靠机械功（压缩机）驱动工质在热泵中循环流动，从而连续的将热量从低温热源“泵送”到高温热汇供给用户[4]。吸收式热泵则是用热能驱动工质循环，实现对热能的“泵送”功能[5]。

3.2 热泵机组性能

根据含油污水现状，可供选择的热泵机组有两种2种型式热泵机组性能对比见表3，一种是电动压缩式热泵机组，另一种是燃气吸收式热泵机组（Ⅰ类）。

表3 2种型式热泵机组性能对比Tab.3 Performance comparison of two types of heat pump units

3.3 电动压缩式热泵机组供热

3.3.1 热泵站规模及供热负荷

含油污水直进热泵机组，污水用量5 500 m3/d，按照平均COP为4，含油污水最高提温15℃，热泵机组的最大供热量为5.33 MW，采用电动压缩式热泵机组可替代用热负荷及参数见表4。

根据采暖和工艺用热负荷情况，热泵站需设置2套循环系统，1套用于采暖系统，1套用于工艺用热系统。为保障运行可靠，热泵站新建3台2 MW电动压缩式热泵机组，夏季运行2台热泵机组，冬季热泵机组全部运行。

3.3.2 热泵站运行方式

从表4中可以看出采用电动压缩式热泵机组可以满足夏季全部工艺用热负荷，夏季外输炉和掺水炉全部停运。冬季优先满足采暖负荷，按照加热介质温度不同，剩余负荷优先替代掺水（70℃）和外输（75℃）。采暖初末期，运行1台热泵机组供采暖系统；2台热泵机组供工艺用热系统。随着采暖负荷的增加，超过2 MW时，需运行2台热泵机组给采暖系统供热，1台热泵用于工艺系统供热，工艺系统供热负荷由4 MW降至2.61 MW。因此，冬季采暖炉停运，外输炉和掺水炉各运行1台。

表4 采用电动压缩式热泵机组可替代用热负荷及参数Tab.4 Alternative heat load and parameters of electric compression heat pump unit

3.3.3 热泵站供热参数的确定

经现场调查、往年的运行数据以及工艺需要，采暖加热炉最冷季的实际供水温度为70℃，脱水炉的出口温度为55℃，外输炉出口温度为65℃（夏季）、75℃（冬季），掺水炉出口温度为65℃（夏季）、70℃（冬季）。根据加热介质的不同，采暖系统热水可以直进热泵机组；外输炉为净化油，掺水炉为含油污水，这二种介质均不能直进热泵机组，须经换热器换热。考虑换热器最小端差5℃，夏季外输和掺水要求的出口温度65℃，确定热泵站出口温度至少70℃，同时根据实际采暖系统供回水温度70/55℃，确定热泵机组供热端设计供回水温度70/55℃。由于外输炉进口温度55℃，确定外输换热系统回水温度60℃，掺入55℃热泵站回水。

确定电动压缩式热泵机组供热端设计供回水温度70/55℃，采暖系统与工艺用热系统参数相同。

3.4 燃气吸收式热泵机组供热

3.4.1 热泵站规模及供热负荷

采用燃气吸收式热泵机组方案，含油污水不能直进热泵机组，需要经过中间换热器换热[9]，污水用量5 500 m3/d，按照COP为1.67，含油污水最高提温13℃，中间水最高取温13℃，热泵机组的最大供热量为8.53 MW，采用燃气吸收式热泵机组可替代用热负荷及参数见表5。

根据热负荷情况，热泵站新建3台3.5 MW燃气吸收式热泵机组，夏季运行1台热泵机组，最冷季热泵机组全部运行，总供热负荷可以达到8.66 MW。

3.4.2 热泵站运行方式

从表5中可以看出采用燃气吸收式热泵机组可以满足夏季全部工艺用热负荷，夏季外输炉和掺水炉全部停运。冬季除外输要求75℃不能满足，需进行二次加热，采暖炉、掺水炉全部停运。夏季运行1台热泵机组替代外输和掺水负荷；冬季运行1台热泵机组替代采暖负荷[10]，运行2台热泵机组替代外输和掺水负荷。

表5 采用燃气吸收式热泵机组可替代用热负荷及参数Tab.5 Alternative heat load and parameters of Gas absorption heat pump unit

3.4.3 热泵站供热参数的确定

根据含油污水温度和工艺加热介质温度要求，确定用于工艺加热系统的燃气吸收式热泵机组供热端设计参数为80/60℃。

经现场调查、往年的运行数据以及工艺需要，采暖加热炉最冷季的实际供水温度为70℃，脱水炉的出口温度为55℃，确定用于采暖系统的燃气吸收式热泵机组供热端设计参数为70/55℃。

3.5 热泵方案对比

X联合站采用热泵机组回收利用含油污水余热，根据选用的热泵机组型式可按2个热泵站方案，方案一选用电动压缩式热泵，方案二选用燃气吸收式热泵，站内含油污水余热利用以能用尽用为原则，由于压缩式热泵与吸收式热泵提取相同的余热量，供热负荷不同，在热泵站实施前后站内总用热负荷不变的前提下，对该工程2个热泵站方案进行比选。

X联合站冬季供暖和工艺（掺水和外输）热负荷8.88 MW，夏季工艺（掺水和外输）热负荷2.88 MW。站内含油污水量为5 500 m3/d，温度35℃，采用电动压缩式热泵最大供热负荷为5.33 MW，采用燃气吸收式热泵机组的最大供热负荷为8.53 MW。按照热量平衡进行方案对比，供热负荷对比见表6。

表6 供热负荷对比Tab.6 Comparison of heating load

按照供热负荷冬季8.88 MW，夏季2.88 MW进行方案对比。方案一与方案二实施后，X联合站供热能耗和运行成本的变化见表7。

表7 X联合站供热能耗和运行成本变化Tab.7 Comparison of heating energy consumption and operation cost of X combined station

4 经济效益

采用方案一电动压缩式热泵，年增加电耗871.3×104kWh/a，节约天然气393.1×104m3/a（标况），年节约3 702.6 t标煤。

采用方案二燃气吸收式热泵，年增加电耗95.6×104kWh/a，节约天然气261.5×104m3/a（标况），年节约3 057.9 t标煤。

方案一比方案二节能效果好，多节约644.7 t标煤；方案一建设投资比方案二少699.88万元，一次性投资少；方案一投资及十年费用现值比方案二多1 183.94万元，方案一税后收益率为-11.17%，方案二税后收益率为8.82%。电价为0.720元/kWh（含增值税）；天然气价格为1.64元/m3（含增值税）。方案一年运行成本比方案二高280.92万元。

综合对比，方案二采用吸收式热泵机组虽然投资高，节能量少，但站内供热能耗运行费用较低，投资收益率高。

5 结论

联合站的含油污水直接回注地下，会造成污水余热的浪费，实现污水余热的有效利用是一种切实可行的节能方式。关于联合站污水余热利用的热泵选用，在伴生气不足的地区，可优先选用电动压缩式热泵，其在投资和节能量上具有明显的优势。在伴生气富足的地区，可优先选用燃气吸收式热泵，既能减少伴生气的浪费，又能达到较高的投资收益率。