稠油热采含油污水余热利用技术研究

2014-12-01沈全平蒋斌

长江大学学报(自科版) 2014年25期

沈全平，蒋斌

（中石油新疆油田分公司重油开发公司，新疆克拉玛依834000）

随着重油开发公司稠油开采的深入，开采方式已逐渐从蒸汽吞吐转向蒸汽驱油。进入油田开采中后期后，蒸汽量需求大增；而公司全年保温用汽高达80×104m3，约占公司产汽量的8%。为提高冬季采暖的经济性与安全性，公司先后开展了直混式蒸汽自动相变掺热加热、超导液采暖散热、热泵余热利用、高温采出液余热利用等一系列研究。

目前，公司主力区块主要采用蒸汽驱油开采，即供汽站将高温过热蒸汽注入地层，提升油层温度，使稠油黏度降低，从而将稠油采出。采出液输送至计量间后进入大罐，泵送至集输站进行沉降脱水，脱出污水输送至污水处理站处理，水质达标后外排、回注地层或作为锅炉回用水，已形成一个封闭的循环。

采出液在此循环中流经计量站→集输处理站→污水处理站。新疆冬季平均温度低，为确保正常生产，稠油热采站区以前大都采用高温高压蒸汽经两级减压后进入供暖系统保温。由于这种供暖方式存在热能利用率低、运行管理工作量大、暖气温度高易烫伤等缺点，自2008年起，公司对稠油保温工艺调研，针对稠油热采的特点，优选出适合稠油热采的采出液余热保温、污水换热保温及超高温热泵组保温等技术，通过现场试验到稳定运行，为新疆油田稠油热采冬季保温提供了相对高效、安全的工艺。

1 关键技术

由于稠油开采地层浅，稠油在开采过程中主要采用蒸汽热力开采，通常油井采出液温度较高，最高可达110℃，蕴含较高的热能。根据计量站实际的保温需求，重新设计采暖系统以回收采出液余热，实现冬季保温。通过现场试验证明采出液余热保温可替代蒸汽采暖，降低非生产蒸汽损耗，节约开采成本。

考虑到稠油采出液携沙量高，管线磨损大，需重新设计计量站采暖工艺。油井来液进罐管线延伸至值班室，经散热器后再进罐，形成回流；热量通过传导、对流及辐射3种传热方式加热房间空气，实现冬季保温。同时保留蒸汽供暖系统，当采出液温度无法满足计量站保温需求时，可直接切换为蒸汽采暖，方便温度的灵活调节。

1.1 软水蒸汽相变掺热技术

目前，管式换热器和板式换热器是国内蒸汽采暖用的最主要换热器。这2种都为表面式换热器，易受水垢影响，严重时甚至影响到系统的正常运行。为保证采暖系统高效、稳定，根据稠油污水工艺优选出直混式蒸汽自动相变掺热加热技术，使软化污水给站区供暖。

该换热方式是将蒸汽通过混合消音式加热器掺入加热罐中冷凝，蒸汽与水直接快速热交换，升温后的热水给站区供暖。使用这种换热方式，即使蒸汽压力较低时也能正常工作。蒸汽压力波动较大时，无需进行调整，可避免跑冒滴漏现象，并能解决结垢与冷凝水回收问题，有效提高换热效率。

1.2 高温污水换热保温技术

高温污水换热保温是针对六九区稠油采出水温度高，可达到冬季供暖要求而使用的。考虑到六九区污水含硫高，如直接进入采暖系统，存在一定安全隐患。通过研究试验后选取了换热器方案，以实现污水中的热能利用。目前，国内主要采用的有板式换热器、壳管式换热器、污水换热器。

以六九区污水站为例，热源采用含油污水处理回用系统的净化污水，供热系统循环水仍采用清水。热源水从污水处理16＃站2000 m3净化水罐反冲洗水管线引出接至站区换热站内与采暖回水换热，经换热后的采暖水送至站区各建筑物采暖系统，采暖热媒介质温度按65～55℃考虑，换热后污水进入2000 m3净化水罐。

高温污水换热采暖属于间接采暖方式，避免了含硫污水进入采暖间，提高了采暖系统的安全性，而换热后的热网循环水温度低于热源污水温度，则需要热源污水温度达往往较高，其局限性较大。

1.3 热泵机组保温技术

污水源热泵技术是指利用污水热源，通过少量电能输入，采用热泵原理，实现低温位热能向高温位热能转移的技术。该技术比较成熟，国内外工程实例很多。水源热泵按实现热量转移的方法可分为压缩式热泵和吸收式热泵。

克浅十井区在稠油处理时会产生大量中温含油污水，经处理达标后排放，其温度在50～60℃之间，属低品位热能并且热量较大。重油开发公司克浅十污水处理站为节约能耗，经现场试验后，选用了压缩式热泵进行站区保温，目前运行效果良好。

压缩式热泵按照逆卡诺循环工作，其工作原理与制冷机相同，所不同的只是工作温度范围不一样。它是一种热量提升装置，作用是从周围环境中吸取热量，并把它传递给被加热的对象（温度较高的物体），因而可以把热量从低温抽吸到高温。压缩式热泵在工作时，本身消耗一部分能量（电能），把环境介质中贮存的能量加以挖掘，通过传热工质循环系统提高温度进行利用，而整个热泵装置所消耗的功仅为输出功中的一小部分。因此，采用热泵技术可以节约大量高品位能源。

压缩式热泵系统分为3个能量变化过程：一是从低温热源中吸取热量；二是热量转换；三是向末端用户释放热量。一般压缩式热泵由蒸发器、压缩机，冷凝器和膨胀阀等组成，以电为驱动能量。在运行中，蒸发器从周围环境中吸取热量以蒸发传热工质，工质蒸汽经压缩机压缩后温度和压力上升，高温蒸气通过冷凝器冷凝成液体时，释放出的热量传递给了末端用户（以热水形式）。冷凝后的传热工质通过膨胀阀返回到蒸发器，然后再被蒸发，如此循环往复。

热泵的性能一般用制冷系数（COP）来评价，其定义为由低温物体传到高温物体的热量与所需的动力之比。压缩式热泵的COP一般在4左右，即输入1k W电能时，末端系统可得到的热量是4k W。根据热泵机组输出热水温度的不同，可分为以下3种类型：①中温型热泵，出水温度＜50℃；②高温型热泵，出水温度50～65℃；③超高温型热泵，出水温度70～80℃。从目前技术发展看，中、高温型压缩式热泵（输出热水温度≤65℃）COP值较高，机组运行的经济性好；超高温型热泵的COP值有一定下降，经济性差一些。

2 技术条件

在采油的工作流程中，考虑到各环节液体组分差异大、地质条件不一、温度逐渐递减以及供暖需求差异大，根据不同条件选取合适的余热保温技术十分必要。

2.1 水质条件

1）采出液余热保温水质要求重油开发公司各区块地质条件差异大，采出液组分差异大。六九区稠油黏度为2000～3500000 mPa·s，原油密度为0.92～0.98g／c m3，采出液平均含水87%，H2S含量较低。油田注蒸汽热采出砂严重，造成采出液含沙量大，如直接使用蒸汽对流散热器会造成管线沙堵，维护频繁。而克浅井区采出液H2S含量高，管线走向复杂易产生腐蚀电位，造成管线穿孔。因此，需重新设计油暖回用管线，使布局简单实用，避免沙堵与腐蚀现象。

通过现场试验后设计了钢制热油节能散热器。散热器采用D76mm×5mm无缝钢管、∅220mm的180°高压弯头及原油管线焊接而成，管线走向简单，并在钢管上加装冲压成型的钢串片增加换热效果。钢制热油节能散热器具有承压能力高、结构简单和安全系数高等优点，可适应各种组分、各种温度的采出液，应对苛刻的高磨损、高腐蚀性环境。采出液通过油井自压进入计量间集油管线，散热器从集油管线引流通过值班室进入大罐，形成一个封闭循环。

2）其他余热保温技术的水质要求蒸汽相变掺热、换热器换热和热泵机组都属于采用间接传热供暖，保温系统依然沿用蒸汽供暖管线和蒸汽散热器。因此，采暖循环水的水质要求较高（见表1）。

表1 供暖保温水水质标准

蒸汽相变换热采用纯净的高干度蒸汽直接与软化水进行换热，软化水水质几乎不受蒸汽影响，对于设备的腐蚀与损耗可忽略不计。换热器与热泵机组运行时设备与污水直接接触，污水循环管段需针对工业废水特点研制，通过在流道结构和管材内表面添加防腐层、加装阴极保护等一系列措施，以适应油田污水高硬度、高腐蚀性的特点。水源热泵机组水质要求如表2所示。

表2 水源热泵机组应用的水质条件

2.2 采暖热负荷与热源水温要求

由于各采油作业区及站区采暖面积差异大，热负荷差异大，而且热源水温受地质原因和管线温降影响，因此冬季供暖需选取合适的余热保温方案。作业区房屋的热量损失依照围护稳定传热公式和冷风渗透公式进行计算。折算室内采暖温度18℃，通过公式，配以适当的修正系数，可得克拉玛依房屋冬季采暖平均指数约为100 W／m2。

1）采出液余热保温的温度要求采出液余热采暖技术采取原油管线加装热油节能换热器对计量站保温，计量站采暖面积约为80 m2。根据采暖指标及散热器的设计参数计算，当采出液量较大，原油管线满管时，室内温度分别取18、23℃，外界温度分别为－9.8、－20、－30℃时，其冬季保温来液最低温度分别为61.8、64.75、68.08℃和70.6、73.5、76.3℃。

2012年冬季，对克拉玛依浅层稠油六九区602＃、604＃、606＃、607＃、612＃这5个计量站进行了采出液采暖工艺改造，当室外温度为－10、－20、－30℃时，对采出液采暖系统进行了数据采集。从现场采集的数据可知，5个计量站改为采出液采暖工艺后，当室外温度分别为－10、－20、－30℃时，采出液温度分别在65、68、77℃以上，能满足计量站的采暖要求。油暖回用热效率较低，沿程温降较大，只能适用于计量站保温，并对采出液温度有较高要求。

2）软水相变掺热的温度要求软水相变掺热技术是将蒸汽直接加入储水罐进行加热升温，储水罐中为处理后的软化污水。换热过程为高干度蒸汽与污水进行一次换热，蒸汽相变释放大量热能，相变后产生的凝结水直接混入储水罐中，与软化水进行二次换热，加热效率极高。

2007年，重油开发公司在供热15＃站进行了蒸汽掺热技术试验，并由西北节能测试中心对试验结果进行了测试。结果表明，采用蒸汽掺热技术相比蒸汽保温节约蒸汽72%。由于采用高干度蒸汽加热储水罐中污水，污水安全温度应低于80℃，掺热过程采用温度变送器跟踪，及时对蒸汽流量进行调节，以防止出现污水汽化影响供暖循环泵正常工作。

3）污水换热技术温度要求污水换热与热泵机组都采用换热器对热源水进行热量吸收，对于热源水温有不同要求。根据传热学基本定律，热量总是从高温物体传向低温物体。油田污水采用宽流道式换热器能大大提高传热效率，使热源水与热媒介尽可能减小温差，提高热量传递效率。

污水换热供暖热源水温应根据站区热负荷、散热器的热效率、换热器的热传递效果、热源流量以及沿程温降综合选择。目前，重油开发公司六九区污水站采用宽流道式换热器进行冬季余热保温，站区采暖面积为3214 m2，设计热负荷约345k W，部分房间改装强制对流散热器，提高制暖效率。从运行的数据结果可以看出，污水换热后温差在15℃左右，供暖水换热后温差在5℃左右，室外温度最低为－27℃，室内温度在24～26℃，当污水源温度达70℃以上时，能满足处理站冬季采暖的要求。

4）热泵机组保温技术的温度要求克浅十井区污水站稠油处理后的污水温度为50～60℃，属低品位热能且热量较大。站区最大采暖热负荷为332.5k W，经现场试验后选用加热功率为285k W热泵机组2台。当环境温度不太冷时，采用单机组运行；若环境温度较低时，采用双机组运行。热泵系统温度要求如表3所示。