王旭東

（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠(chǎng)）

地?zé)崮苁且环N清潔能源，開(kāi)發(fā)利用地?zé)崮芫哂酗@著的節(jié)能減排、改善環(huán)境的作用。為貫徹落實(shí)集團(tuán)公司有關(guān)地?zé)崮軜I(yè)務(wù)的要求，科學(xué)推動(dòng)油田地?zé)針I(yè)務(wù)發(fā)展[1]，大慶油田開(kāi)展了余熱利用技術(shù)研究。大慶油田屬于注水開(kāi)發(fā)油田，年回注含油污水量約5.55×108m3，含油污水的溫度為30~35 ℃。含油污水蘊(yùn)含豐富的熱能，由于溫位較低，含油污水蘊(yùn)含的熱能不能直接利用。通過(guò)利用熱泵技術(shù)，用熱泵機(jī)組替代現(xiàn)有鍋爐與加熱爐，具有良好的節(jié)能效果[2]。 喇360 轉(zhuǎn)油放水站含油污水處理量為3.45×104m3/d，含油污水溫度約35 ℃左右，按6 ℃溫差取熱，每天可提取熱量1 297.89 GJ，如果余熱全部回收利用，相當(dāng)于每天節(jié)省天然氣36 532 Nm3。

1 現(xiàn)狀

1.1 喇360 轉(zhuǎn)油放水站

喇360 轉(zhuǎn)油放水站為聚驅(qū)轉(zhuǎn)油放水站，擔(dān)負(fù)著北東塊喇230、喇470、喇380 聚驅(qū)轉(zhuǎn)油站的放水任務(wù)，管轄油井176 口，計(jì)量間12 座。含油污水分別輸至喇290 含油污水處理站、喇360 污水處理站及喇Ⅱ-1 污水站進(jìn)行處理，低含水油外輸至喇Ⅱ-1聯(lián)合站處理。

1）轉(zhuǎn)油站。站外油井采用雙管摻水(熱洗)集油流程，來(lái)液進(jìn)入分離緩沖游離水脫除器（三合一）進(jìn)行油氣水分離。分離出的伴生氣經(jīng)天然氣除油器進(jìn)一步處理后，計(jì)量外輸；分離出的含水油與轉(zhuǎn)油站來(lái)液一起進(jìn)入站內(nèi)游離水脫除器進(jìn)行放水；沉降出的污水經(jīng)加熱緩沖裝置（二合一）加熱至摻水溫度，一部分經(jīng)摻水泵增壓后去摻水閥組，直接用于站外油井摻水，一部分經(jīng)熱洗泵增壓后去臥式圓筒爐（熱洗爐）二次升溫，再去熱洗閥組，用于站外油井熱洗。

2）放水站，站外轉(zhuǎn)油站來(lái)液進(jìn)入站內(nèi)游離水脫除器進(jìn)行放水，沉降出的含油污水經(jīng)污水沉降罐沉降，污水泵升壓，外輸至喇290 含油污水處理站及喇360 污水處理站進(jìn)行處理；分離出的低含水油進(jìn)入含水油緩沖罐，經(jīng)外輸油泵增壓后外輸至喇Ⅱ-1 聯(lián)合站處理。

1.2 喇Ⅱ-1 聯(lián)合站

喇Ⅱ-1 聯(lián)合站擔(dān)負(fù)著6 座水驅(qū)轉(zhuǎn)油站和1 座轉(zhuǎn)油放水站的油、氣、水處理任務(wù)。6 座水驅(qū)轉(zhuǎn)油站來(lái)液和喇360 轉(zhuǎn)油放水站來(lái)低含水油混合進(jìn)入游離水脫除器放水。放水后30%低含水油進(jìn)入本站脫水加熱爐，升溫后進(jìn)入電脫水器進(jìn)行脫水處理，脫水處理后的凈化油進(jìn)入凈化油緩沖罐，再由外輸泵增壓、外輸爐升溫后外輸至喇二聯(lián)合站。

喇360 轉(zhuǎn)油放水站及喇Ⅱ-1 聯(lián)合站（與喇360站相距300 m）分別設(shè)鍋爐房供各自站內(nèi)采暖伴熱用熱，供熱負(fù)荷為5.3 MW。喇360 轉(zhuǎn)油放水站設(shè)有摻水爐、熱洗爐，喇Ⅱ-1 站設(shè)有脫水爐、外輸爐，總供熱負(fù)荷達(dá)到9.71 MW。

2 設(shè)備比選

2.1 熱泵機(jī)組型式選擇

根據(jù)大慶油田含油污水現(xiàn)狀，可供選擇的熱泵機(jī)組有兩種：一種是電動(dòng)壓縮式熱泵機(jī)組，另一種是燃?xì)馕帐綗岜脵C(jī)組。電動(dòng)壓縮式與燃?xì)馕帐綗岜脵C(jī)組性能對(duì)比見(jiàn)表1。因含油污水來(lái)水溫度較低，經(jīng)熱泵升溫后的供熱介質(zhì)溫度仍不能滿(mǎn)足要求，所以選用第Ⅰ類(lèi)（增熱型）吸收式熱泵，第Ⅱ類(lèi)（升溫式）吸收式熱泵不適合此站庫(kù)的應(yīng)用。

表1 機(jī)組性能對(duì)比Tab.1 Comparison of unit performance

由于集輸工藝介質(zhì)不能直接進(jìn)入熱泵機(jī)組加熱，因此需設(shè)置換熱器。集輸工藝介質(zhì)運(yùn)行溫度為70 ℃左右，為保證換熱溫差，熱泵機(jī)組供水溫度應(yīng)達(dá)到80 ℃。在滿(mǎn)足運(yùn)行條件和供熱參數(shù)的前提下，電動(dòng)壓縮式熱泵設(shè)備廠(chǎng)家測(cè)算：當(dāng)含油污水溫度30~35 ℃，熱泵機(jī)組供熱溫度70 ℃時(shí)，能效比為3.8；溫度80 ℃時(shí)，能效比降至3.2，甚至更低。機(jī)組電耗大幅度增加，節(jié)能效益較差。燃?xì)馕帐綗岜脵C(jī)組循環(huán)工質(zhì)單一，低溫水源溫度30~35 ℃，供水溫度80 ℃時(shí)，能耗比變化小，節(jié)能效果明顯。若采用燃?xì)馕諢岜脵C(jī)組替代工藝加熱爐供熱，能保證工藝生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)，節(jié)能效果更好[3-4]。

2.2 余熱利用換熱器的優(yōu)選

熱泵換熱技術(shù)在各大油田已廣泛應(yīng)用，但摻水工藝用換熱器無(wú)實(shí)際應(yīng)用案例，應(yīng)用時(shí)需采用換熱器將熱量從熱源水置換到污水中使用。鑒于喇嘛甸油田采出液含聚濃度高、含油量大、雜質(zhì)多的特殊性，通過(guò)開(kāi)展工藝用換熱器優(yōu)選試驗(yàn)，喇360 余熱現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選定寬流道換熱器和板式換熱器兩種[5-6]。

2.2.1 板式換熱器

板式換熱器采用254 SMO 奧氏體不銹鋼波紋板片，耐腐蝕性強(qiáng)；板片設(shè)計(jì)靈活，方便拆卸，并可根據(jù)熱負(fù)荷的需求增減板片；可通過(guò)在線(xiàn)清洗機(jī)清洗，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)破壞小。板式換熱器（污水換熱、脫水換熱）結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，污水側(cè)下進(jìn)上出，中介水側(cè)上進(jìn)下出，兩種流體在密封墊的引導(dǎo)下分別交替流過(guò)各自的流道進(jìn)行對(duì)流換熱。

2.2.2 寬流道換熱器

寬流道換熱器污水側(cè)通道截面大，不易堵塞；污水側(cè)內(nèi)部無(wú)觸點(diǎn)，延緩污垢聚集；兩側(cè)有活動(dòng)門(mén)板，方便清淤。寬流道換熱器（用于摻水換熱，按照結(jié)構(gòu)寬流道換熱器與板式換熱器相近，均在金屬板兩側(cè)換熱）結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，污水側(cè)上進(jìn)下出，采用大截面單流程，中介水側(cè)下進(jìn)上出，采用小截面多層并聯(lián)設(shè)計(jì)，兩種流體在各自流道中對(duì)流進(jìn)行換熱。

圖2 寬流道換熱器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of wide channel heat exchanger

3 工藝原理

3.1 喇360 站熱泵系統(tǒng)工藝流程

喇360 轉(zhuǎn)油放水站與喇Ⅱ-1 聯(lián)合站兩站合建1座熱泵站，熱泵站設(shè)3 臺(tái)4 MW 直燃吸收式熱泵機(jī)組，替代喇360 站內(nèi)3 臺(tái)2.8 MW 熱水鍋爐、2 臺(tái)2.25 MW 和2 臺(tái)1.74 MW 摻水爐及喇Ⅱ-1 站內(nèi)3 臺(tái)2.8 MW 熱水鍋爐、3 臺(tái)2.5 MW 脫水爐，共計(jì)13 臺(tái)鍋爐及加熱爐，供采暖伴熱及工藝生產(chǎn)用熱。燃?xì)馕帐綗岜脵C(jī)組燃料為干天然氣，單臺(tái)熱泵最大耗氣量約270 Nm3/h，喇360 站內(nèi)已建燃?xì)庹{(diào)壓計(jì)量閥組來(lái)氣（0.1~0.3 MPa）接至熱泵站，熱泵機(jī)組配置全自動(dòng)燃?xì)獾偷紵鳌?/p>

冬季最冷季節(jié)3 臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，夏季2 臺(tái)機(jī)組運(yùn)行。采暖伴熱循環(huán)系統(tǒng)供回水溫度為75/55 ℃，工藝介質(zhì)加熱循環(huán)系統(tǒng)供回水溫度為80/60 ℃。熱泵站的70 ℃熱水進(jìn)入二合一加熱爐，喇360 站熱洗泵通過(guò)抽取二合一加熱爐的水，進(jìn)行二次提溫，供給油井熱洗。

3.1.1 含油污水中間換熱系統(tǒng)

含油污水中間換熱系統(tǒng)為閉式循環(huán)系統(tǒng)，由3臺(tái)低溫介質(zhì)循環(huán)水泵、4 臺(tái)板式換熱器組成。污水站外輸泵出口來(lái)水（35 ℃） 經(jīng)除污進(jìn)板式換熱器換熱，降溫后的含油污水（29 ℃） 直接回外輸管網(wǎng)輸送至各注水站。 熱泵機(jī)組低溫側(cè)出水（24 ℃）經(jīng)低溫介質(zhì)循環(huán)水泵加壓進(jìn)4 臺(tái)板式換熱器換熱，升溫至30 ℃進(jìn)熱泵機(jī)組。

采用2 個(gè)循環(huán)系統(tǒng)共用的1 臺(tái)熱泵機(jī)組進(jìn)行含油污水直進(jìn)試驗(yàn)，污水站來(lái)含油污水不經(jīng)過(guò)中間換熱，直接進(jìn)入該熱泵機(jī)組蒸發(fā)器，溫度降至29℃回至含油污水回水管線(xiàn)。含油污水中間換熱系統(tǒng)流程見(jiàn)圖3。

圖3 含油污水中間換熱系統(tǒng)流程Fig.3 Flow of intermediate heat exchange system for oily sewage

3.1.2 工藝介質(zhì)加熱系統(tǒng)

工藝介質(zhì)加熱系統(tǒng)為閉式循環(huán)系統(tǒng)，由2 臺(tái)4 MW 熱泵機(jī)組、3 臺(tái)工藝加熱循環(huán)水泵、5 臺(tái)工藝介質(zhì)換熱器，2 個(gè)臥式除污器組成。喇360 站摻水爐換熱器與喇Ⅱ-1 站脫水爐換熱器的加熱側(cè)回水（60 ℃）分別至熱泵站，再經(jīng)除污器過(guò)濾、循環(huán)泵加壓后進(jìn)入熱泵機(jī)組，加熱至80 ℃后，分別供至2個(gè)站工藝介質(zhì)換熱器加熱摻水和低含水率油。循環(huán)系統(tǒng)采用補(bǔ)水泵回水定壓。工藝介質(zhì)加熱系統(tǒng)流程見(jiàn)圖4。

圖4 工藝介質(zhì)加熱系統(tǒng)流程Fig.4 Flow of process medium heating system

3.2 喇360 站熱泵工作原理

根據(jù)驅(qū)動(dòng)熱源的不同，溴化鋰吸收式熱泵分為蒸汽型熱泵、熱水型熱泵和直燃型熱泵（包括燃?xì)鉄岜?、燃油熱泵）。以高溫?zé)嵩矗ㄕ羝?、熱水、燃?xì)猓轵?qū)動(dòng)熱源，溴化鋰溶液為吸收劑，水為制冷劑，回收利用低溫?zé)嵩矗◤U熱水）的熱能，制取所需的工藝或采暖用高溫?zé)崦?，?shí)現(xiàn)熱量從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體的能量利用。吸收式熱泵是以熱能為補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)從低溫向高溫輸送熱量的設(shè)備，是一種回收余熱的節(jié)能設(shè)備。溴化鋰吸收式熱泵單機(jī)制熱范圍0.3~60 MW，可利用余熱源范圍10~70 ℃乏汽或熱水，可制取比熱源溫度高40 ℃左右熱水[7]。

喇嘛甸油田轉(zhuǎn)油站來(lái)液平均溫度35.1~40.3 ℃，適用于吸收式熱泵，制取熱水溫度75.1~80.3 ℃，經(jīng)過(guò)換熱后，出水溫度70 ℃左右。溴化鋰吸收式熱泵以蒸汽或燃料（燃?xì)?、燃油）為?qū)動(dòng)熱源，由蒸發(fā)器、吸收器、冷凝器、發(fā)生器、熱交換器和其他附件等組成，原理見(jiàn)圖5。

圖5 溴化鋰吸收式熱泵原理Fig.5 Lithium bromide absorption heat pump

具體工作原理如下：

1）在蒸發(fā)器內(nèi)，利用水在負(fù)壓狀態(tài)下沸點(diǎn)降低的原理，來(lái)自冷凝器的蒸汽凝水噴淋在蒸發(fā)器換熱管的外表面進(jìn)行低溫蒸發(fā)，凝水吸收換熱管內(nèi)部流動(dòng)的低溫余熱的熱量，蒸發(fā)汽化產(chǎn)生蒸汽進(jìn)入吸收器，完成余熱熱量的提取過(guò)程。

2）在吸收器內(nèi)，利用溴化鋰濃溶液的吸水放熱性能，來(lái)自發(fā)生器的溴化鋰濃溶液分布在加熱器換熱管外部，吸收來(lái)自蒸發(fā)器的水蒸氣，溶液的溫度迅速升高，加熱換熱管內(nèi)需要提高溫度的熱媒，實(shí)現(xiàn)了低溫?zé)嵩吹臒崃肯虮患訜釤崦睫D(zhuǎn)移；同時(shí)溴化鋰溶液由濃變稀，不再具有吸水性，需要濃縮后循環(huán)使用。

3）在發(fā)生器內(nèi)，利用驅(qū)動(dòng)熱源的熱量，對(duì)來(lái)自吸收器的溴化鋰稀溶液進(jìn)行加熱濃縮，產(chǎn)生的濃溶液繼續(xù)回到吸收器內(nèi)吸收水蒸氣加熱供熱水，溶液濃縮產(chǎn)生的高溫二次蒸汽去冷凝器。

4）在冷凝器內(nèi)，利用來(lái)自發(fā)生器的高溫二次蒸汽凝結(jié)潛熱的熱量，對(duì)來(lái)自吸收器的經(jīng)過(guò)一次加熱的熱媒進(jìn)行再次加熱，最終達(dá)到所需溫度的熱媒，蒸汽凝結(jié)成為凝水輸送到蒸發(fā)器繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)蒸發(fā)[8-9]。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

喇360 熱泵站目前投運(yùn)2 臺(tái)熱泵（其中1 臺(tái)用于采暖系統(tǒng)，1 臺(tái)用于摻水系統(tǒng)），采暖系統(tǒng)循環(huán)水量為150.8 m3/h，通過(guò)熱泵機(jī)組回水溫度由55 ℃提升至75 ℃，摻水系統(tǒng)加熱摻水量為183.1 m3/h，進(jìn)入換熱器的摻水溫度36 ℃，通過(guò)摻水換熱器將摻水溫度提升至55 ℃。

2022 年11 月29 日，投運(yùn)1 臺(tái)采暖熱泵，替代喇360 鍋爐房熱負(fù)荷，熱泵平均負(fù)荷率32.1%。通過(guò)能耗調(diào)查，喇360 鍋爐房日均耗氣量為3 048 m3，應(yīng)用熱泵采暖日均耗氣量為1 938 m3，日節(jié)氣1 110 m3，節(jié)氣率達(dá)到36.41%。2022 年12 月18 日，投運(yùn)1 臺(tái)熱泵，替代喇360 部分摻水熱負(fù)荷，摻水升溫19 ℃。通過(guò)能耗分析，喇360 二合一摻水爐日均耗氣量為6 500 m3，應(yīng)用熱泵替代部分摻水后日均耗氣量為4 228 m3， 日節(jié)氣量為2 272 m3，節(jié)氣率達(dá)到34.95%。2023 年5 月12 日，運(yùn)行1 臺(tái)熱泵，完全替代摻水熱負(fù)荷，4 臺(tái)摻水爐全部停運(yùn)。喇360 轉(zhuǎn)油站4 臺(tái)摻水爐原日耗氣量為7 900 m3，采用熱泵替代后日耗氣量4 900 m3，日節(jié)氣量為3 000 m3，節(jié)氣率約為37%。摻水熱泵平均負(fù)荷率68.9%，累計(jì)節(jié)氣52.86×104m3。

由于喇Ⅱ-1 聯(lián)合站的脫水、采暖沒(méi)有采用熱泵替代，喇360 熱泵站總體的運(yùn)行負(fù)荷為32.65%，上半年總節(jié)氣量68.05×104m3。目前喇360 熱泵站余熱利用系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，污水日處理量為3.45×104m3，通過(guò)吸收式熱泵提取污水余熱，全部替代喇360 站和喇Ⅱ-1 站內(nèi)9.71 MW 的13 臺(tái)加熱爐及鍋爐后，預(yù)計(jì)年節(jié)氣量達(dá)到330×104m3。

5 換熱器清洗界限研究

喇360 熱泵站前端污水換熱使用板式換熱器、摻水使用寬流道換熱器（按照換熱原理和結(jié)構(gòu)分析屬于寬流道板式換熱器）。根據(jù)GB/T 151—2014《熱交換器》：熱交換器運(yùn)行期間應(yīng)監(jiān)測(cè)、記錄熱交換器的運(yùn)行參數(shù)，評(píng)價(jià)熱交換器的工藝性能和結(jié)垢程度。當(dāng)傳熱與阻力偏離設(shè)計(jì)值過(guò)大，或者不能滿(mǎn)足工藝系統(tǒng)要求時(shí)，應(yīng)該根據(jù)介質(zhì)特性和熱交換器的結(jié)垢情況，選擇有效的除垢方法進(jìn)行清洗，恢復(fù)熱交換器的工藝性能。NB/T 47004.1—2017《板式熱交換器》規(guī)定了板式換熱器能效值級(jí)別（1 級(jí)能效值227，2 級(jí)能效值200，3 級(jí)能效值176，4 級(jí)能效值168）。板式換熱器能效值低于176 代表板式換熱器的能效低，也可能是板式換熱器結(jié)垢、淤堵油污。換熱器能效低，說(shuō)明其處于不經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)。

1）板式換熱器清洗周期的確定。按照板式換熱器能效值為168 計(jì)算，在相同的水量情況下，與最佳能效（227） 相比較，換熱能力降低25.99%。應(yīng)用石油行業(yè)場(chǎng)所的設(shè)備，介質(zhì)如果腐蝕性很強(qiáng)、易爆易燃，每年要對(duì)板式換熱器清洗或維護(hù)。根據(jù)板式換熱器標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)板式換熱器換熱能力降低25.99%時(shí)，結(jié)合供熱的情況，選擇合適的時(shí)機(jī)，要采取措施，提升換熱能力。

2）寬流道換熱器清洗周期的確定。進(jìn)入寬流道換熱器的2 類(lèi)介質(zhì)（摻水、軟化水）在通道內(nèi)逆流流動(dòng)，熱介質(zhì)將熱能傳遞給板片，板片又將熱能傳遞給另一側(cè)的冷介質(zhì)，在熱交換方面與板式換熱器相近。寬流道換熱器清洗界限可以參照板式換熱器標(biāo)準(zhǔn)：換熱能力降低25.99%時(shí)進(jìn)行清洗[10]。

6 結(jié)論

1） 喇360 熱泵站首次用于油田工藝加熱（摻水、脫水用熱），喇360 站余熱利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，將為其他熱泵站的建設(shè)以及熱泵余熱系統(tǒng)的油田工業(yè)化提供指導(dǎo)。

2)從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果看，寬流道換熱器具有較大的流道，能夠有效地提高污水流動(dòng)性，從而保持換熱器的換熱效果，且受污水水質(zhì)影響較小。因此，流道的大小是今后污水換熱器選用的重要指標(biāo)。

3）利用熱泵技術(shù)，通過(guò)蒸發(fā)吸熱、冷凝放熱加熱介質(zhì)，從而取代加熱爐。工藝熱泵溫度可達(dá)到80 ℃，采暖熱泵溫度可達(dá)到75 ℃，能夠滿(mǎn)足工藝需求溫度。

4） 喇360 熱泵站目前按照無(wú)人值守、有人巡檢設(shè)計(jì)。前段污水換熱器溫度、壓力只能就地顯示。建議增加污水板式換熱器溫度、壓力遠(yuǎn)傳功能，形成壓差、溫差歷史記錄，便于分析換熱能力變化情況，為喇360 站污水量調(diào)整、換熱器清洗提供依據(jù)。