热泵技术在回收油田污水余热资源中的应用

王 冰，成庆林，孙 巍

（东北石油大学， 黑龙江 大庆 163318）

热泵技术在回收油田污水余热资源中的应用

王 冰，成庆林，孙 巍

（东北石油大学， 黑龙江 大庆 163318）

热泵技术可以将油田污水中的低品位热能进行回收，以一小部分能量为代价，将这部分低温热能应用于油田中其他需要热的环节，解决了油田污水余热的浪费问题。总结了大庆、孔店、胜利等油田对热泵系统的应用情况，及热泵系统和换热器的发展现状，对油田今后实施同类节能改造项目具有一定的借鉴意义。

热泵；换热器；油田污水；余热回收

目前，我国各主要油田的开发已进入高含水期，大庆、胜利、辽河等油田的含水率高达90%。而且我国的超稠油藏数量较多，需要应用热采技术，这就导致了污水温度较高。辽河油田曙五联合站外排含油污水10 693 m3/d，温度在71～73 ℃之间[1]，新疆油田九1～九5区块每天有 52 ℃的污水 1.3× 104～1.5×104m3[2]，孔店油田每天有48～52 ℃的污水7 300 m3[3]，胜利油田孤东采油厂4号联合站每天有70 ℃高温污水2 550 m3，38～40 ℃低温污水12 000 m3[4]。传统的做法是将分离后的水用于注水开发或直接排入环境，这种做法既浪费了这部分污水中蕴含的大量的能量，又对环境造成不可逆的影响。如果将这部低品位热能回收，用于油区的用热环节，如轻质、重质原油罐区的加热，锅炉除盐水加热，冬季采暖等，可以节约大量煤、原油或者天然气的消耗，提高了能源利用率，避免了污水直接排放，保护了环境。

热泵技术正是能够将这些低温余热进行回收的有效的节能手段，研究表明，一旦电动热泵的制热系数比3大，则从能源利用方面热泵就比热效率为80%的区域锅炉房用能节能[5]，而且环保无污染。国内外水源热泵技术在各个领域的应用规模不断扩大，尤其在国家大力推行节能减排的大背景下，水源热泵技术得到了空前的发展，先后在多项工程中获得实际应用，如2008北京奥运村水源热泵应用项目、2010广州亚运会太阳能和水源热泵区域集中供能项目等。近些年，油田在热泵用于污水余热资源回收方面也有了一些成功的探索，本文阐述了热泵及换热器的研究进展，重点阐述大庆、胜利、新疆等油田在热泵系统利用方面的应用情况。

1 污水源热泵系统

热泵这种高效制热技术，其本质上是热能提升装置，该装置以耗费少量电能或燃料能为代价，将大量无用的低品位热能转化为可以利用的高品位热能，用于其他对热有需求的场合。其工作原理类似于制冷机，都是遵循逆卡诺循环工作，但是工作温度区间不同，热泵工作温度的下限一般是环境温度，上限则根据用户需求而定，可高于100 ℃[6]。

热泵可以依据驱动方式的不同，分为电力驱动的压缩式热泵和天然气驱动的吸收式热泵。邓寿禄比较了吸收式和压缩式热泵循环系统，得出压缩式热泵在回收油田污水余热时，其制热系数要比吸收式热泵制热系数高[7]。但是吸收式热泵相比于压缩式热泵，其没有运转部件，寿命更长，维护较方便，而且压缩式热泵在转化为一次能源后，能效比将低于吸收式热泵。具体考虑采用何种热泵需结合驱动能源情况和用户的其他要求而定。

污水源热泵是热泵的一种形式，是可以将污水中充足的低品味热能提升为高品位热能并加以利用的热力设备[8]。通常用户所能获得的热量是污水源热泵系统消耗能量的四倍，这是一种高效制热技术，可以大大减少油田中不必要能源的消耗。污水源热泵系统在形式上分为直接式和间接式两种，二者相比较而言，间接式污水源热泵系统多了换热器和二次水（中介水）循环水泵，设备配置增多，初期投资增大，由于需要设置中介水循环泵，系统耗电量增多，导致系统COP低。但是直接式污水源热泵系统对水质和防阻防腐工艺设备要求比较高，就油田含有污水现有的情况，含油污水中杂质过多，含油量及矿化度较高，多使用间接式污水源热泵系统。这样一套污水回收利用装置主要有换热器、热泵机组以及末端设备。

2 换热器

污水换热器可以避免含油污水对热泵机组的直接损害，将污水中的能量与中间介质水进行交换。目前油田污水-清水换热装置主要有：平板式换热器、喷淋式换热器、盘管浸没式换热器、螺旋板换热器和管壳式换热器。对污水换热器有三方面的要求：（1）由于污水与中间介质的温差很小，为了尽可能减小热量损失，因此要求换热器要有特别高的换热强度；（2）污水换热器的防腐蚀性能要求高，鉴于含油污水机械杂质含量、油含量和矿化度高，换热器要抗垢且便于清洗；（3）在高强度的工作情况下，要求换热器造价低廉且运行安全，安装简单便于维修。

胜利油田引入的是钛管式换热器，代替了钛板换热器，是由于钛-钢复合板具有很强的防腐能力，而且钛管比其他金属光滑利于传热。王强在设计联合站回注污水余热直接供暖系统时，提出了油田污水平板式石墨换热器[9]。为了提高换热器的防腐能力，一般都采用钛合金或者增加普通金属壁厚的方式，但是这必然导致系统成本大幅度提高，塑料换热器的出现解决这一问题。哈尔滨工程大学，山东建筑大学等对塑料（聚合物）换热器进行了大量的实验，分别分析了蛇形盘管塑料换热器在不同换热条件下的换热能力，聚乙烯管路沉浸式换热器的换热性能[10]。杨毅等人又结合工程条件，对塑料换热器进行了分析，得出结论：聚合物换热器实际使用时外侧流速对换热影响较大，流速越高，换热效果越好。此类换热器应尽量使用曝气强化换热方式。采用曝气强化换热后，其换热量明显提升，可达到500～550 W/m2[11]。

换热器在热泵系统中有着举足轻重的地位，影响着机组运行的稳定性和机组效率，因此在应用热泵系统回收油田污水余热的时候，选择一种高效、经济、简单、适于本油田的污水换热器十分重要。

3 污水源热泵系统在油田中的应用

热泵发展到今天，技术已较为成熟，正充分发挥着高效制热技术的优势，已应用于干燥（木材、食品等）、种植、养殖等多个行业领域，用其大规模对居民进行供暖和制冷在北京、上海、广州等城市已有很多成功案例。但热泵技术在油田污水余热资源回收中的应用还不是很广泛，大部分油田还处于先导性试验阶段。

大庆油田南七联于 2001年对采暖系统进行全面改造，通过热泵技术取代锅炉，利用所提取的污水余热进行供暖和工艺管道伴热。停运了了两台采暖伴热锅炉（4 t/h），取而代之的是两台热泵机组（每台的输入电功率为115 kW，输出功率为310 kW）。热泵所耗的电量与节约的天然气相抵，相当于节约130×104kW·h/a的电能。按运行15 a考虑，节约总费用572万元[12]。

大庆油田采油五厂于2009年进行了改造工程，采用热泵技术为65 075 m2的面积进行采暖、制冷，工程投资2 009万元，年运行成本453.9万元，与原油的锅炉供暖相比多耗电624.4万kW·h，年节约天然气72.4万m3、原油2 523万t[13]。

孔店油田在结合主体工艺情况下，应用2台水源热泵和5具列管换热器代替原有加热炉系统。经第三方测试数据显示，改造前由油田伴生气或原油提供的加热系统能源消耗总量为33 035.34 MJ/h，改造后为27 621.62 MJ/h，其中4 940.8 MJ/h为热泵提供，22 680.80 MJ/h是由热泵和加热炉消耗油田伴生气提供。新系统节约能量110 354.52 MJ/h，按原油价格4 696元/t计算，年节约资金1 017.4万元[3]。

辽河油田曙光采油厂曙五联合站利用热泵机组，替换了加热原油的燃油加热炉，曙五联合站每天有外排污水13 000 m3，温度为71～73 ℃。该厂热泵系统中的设备主要有：污水源热泵机组、油水混合物-污水换热器、油水混合物-软化水换热器、污水-软化水换热器以及全自动软化水处理装置。2011年10月份，经过中国石油天然气股份有限公司油田节能监测中心的跟踪测试，结果表示改造后的热泵系统相比于之前的加热炉系统节能率为91.79%，现场运行两年的创效可达1 246.73万元[14]。

鄯善联合污水处理站经过污水源热泵改造工程后，用热泵代替了加热炉和分体式空调进行制热和制冷。每天污水量2 700 m3，冬季的水温基本稳定在25 ℃，按冬季工况计算，利用到15 ℃，这部分污水可利用的热量达到1 936 kW，每年预计可节省资金17.3万元[15]。

2014年1月，河南油田下二门联合站与新星公司联手，用蓄能式热泵系统代替了全部加热外输原油和掺水的天然气锅炉。每天提取1.1万t污水余热约9 500 kW，日节省天然气9 000 m3。且成功开启了一个新的合作方式，即模拟合同能源管理模式（BOOT），对其他油田具有一定的示范性作用。

4 存在的问题

（1） 夏季与冬季的污水温度不同，油田冬季污水温度过低，污水流量不稳定，导致热泵实际运行情况与设计情况不符，严重可造成突然停机，致使供暖不连续冬季供暖不连续。防止这种情况的发生的办法由两种，一个是增加辅助性热，另一个是设置多个换热器，后者相对复杂一些，也不经济。

（2） 换热器结垢和腐蚀问题是影响热泵机组使用和整体性能的重要因素之一，根据目前的情况，寻求一种高效、经济、稳定、简单的污水热泵系统的实现还需要进一步的研究。所以，应对水质严格把关，并根据垢的组成、结构周期制定筛选出有效的除垢剂，制定合理的除垢周期。

（3）由于利用热泵技术提取污水余热资源的初期投资太大，使许多企业宁可浪费掉这部分能量也不愿意投资开发余热资源，因此提高整体的节能意识以及配套的政策支持很重要，河南油田下二门联合站成功的BOOT合作模式是一个好的开端。

（4）现在国内热泵市场上产品质量参差不齐，使油田企业对热泵产品没有信心，应当提高热泵产品的准入门槛，对生产条件与技术水平做到严格把关。

总之，热泵技术在油田污水余热回收的实际应用中不断创新、突破、完善，推进了污水余热资源回收再利用的发展。污水源热泵的应用与发展为油田污水处理提供了一条新途径，将改变油田上以煤和原油等高品位热源为管道伴热和采暖的方式，为探索可再生能源拓展了新的空间，其发展潜力巨大。

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Application of Heat Pump Technology in Waste Heat Recovery of Oilfield Sewage

WANG Bing, CHENG Qing-lin, SUN Wei
（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China）

Heat pump; Heat exchanger; Oilfield sewage; Heat recovery

The low-grade heat energy of oilfield sewage can be recycled by heat pump technology. Part of the low-temperature heat energy can be applied in the other section needing heat in oil field, which solves the waste problem of sewage waste heat. In this article, application of the heat pump system in Daqing, Kongdian and Shengli oil fields was summarized, and the current situation of development of heat pump system and heat exchanger was discussed, which could provide certain reference for the implementation of similar energy-saving renovation project in the future.

国家自然科学基金项目，项目号：51174042。

2015-01-12

王冰（1991-），女，吉林长春人，在读硕士，研究方向：油气储运节能技术。E-mail：18646659603@163.com。

成庆林（1972-），女，教授，博士，研究方向：热力学分析及油气储运系统综合节能。E-mail：chengqinglin7212@163.com。

TE 974

A

1671-0460（2015）08-1839-03