热泵技术在江苏油田集输系统的应用

高 丽，朱 锋，司志梅

(中国石化江苏油田分公司石油工程技术研究院，江苏 扬州 225009)

热泵技术在江苏油田集输系统的应用

高 丽，朱 锋，司志梅

(中国石化江苏油田分公司石油工程技术研究院，江苏 扬州 225009)

分析江苏油田零散区块应用可再生能源的可行性，进行空气源热泵和污水源热泵技术加热工艺研究。污水源热泵技术中，为提高换热效率，改进长流道换热器，并通过换热试验，找到了适合江苏油田零散区块应用长流道管束式换热器的流量条件。进行污水防腐防垢工艺研究，制作一台主动析垢装置，改进扫频电磁防垢仪。两种热泵加热技术分别在墩2和纪5接转站进行应用，与传统电加热相比，可大大降低能耗，节电率达50%以上，经济效益明显，在油田具有很好的推广应用价值。

可再生能源 空气源热泵 污水源热泵 集输

1 可行性分析

江苏油田油井传统集输流程供热采用三管伴热集油模式[1-2]，此模式热能利用率极低，浪费明显。为提高能源利用率，引进井口电加热器加热、中频加热解堵的单井单管集油模式，集输流程总热负载下降。以江苏油田墩2接转站为例，站内原有真空炉额定负载1 250 kW，采用三管流程，燃油发热量967 kW。改单管后仅加热外输原油，外输油温升30 ℃，只需热量197 kW，这个能耗范围有利于可再生能源的利用。可再生能源的应用方向是解决后段干线及中转站的原油升温问题。只有后段的加热工艺更节能，运行费用更低，前段的中频沿线伴热集输工艺才能以最低的电耗满足井站集输需要。

江苏地区年平均气温14.9 ℃，极端最高气温39.4 ℃。同时，全油田共有污水处理站21座， 年处理污水总量达719.42×104m3，污水温度在40～45 ℃之间。如采用高温热泵提取10 ℃热量进行回收，年回收热量7 221×107 kcal，每年可减少自用油6 000 t以上。因此，空气源和污水源等作为热源的潜力巨大，其应用范围主要集中在集转站、中转站和拉油站。本文的研究重点是提高其供热的稳定性，与油田生产的连续性要求相匹配。近几年，随着热泵技术的发展完善[3-10]，有利于空气和污水等热源在油田集输工艺中的应用。

2 热泵技术原理

热泵的原理[11-12]是从周围环境中吸取热量，并将其传递给工质，利用工质的气液相态变化，通过压缩机做功，实现将热能从低温热源向需加热介质转移的设备。热泵是遵循热力学第二定律，采用逆卡诺循环的制热装置。

热泵机组主要由压缩机、蒸发器、冷凝器、电磁阀、膨胀阀、干燥过滤器及储液罐等部件组成，机组内换热介质为氟里昂制冷剂。机组分3个能量变化阶段进行工作：

(1)提取低品位热能。机组中的液态制冷剂在蒸发器中与低品位热源进行热交换，吸收热量蒸发成气体，实现制冷剂的蒸发提取低品位热能。

(2)低品位热能向高品位热能转换。蒸发吸热的气体被吸入压缩机进行压缩，变成高温、高压的气体进入冷凝器，实现热量由低品位热能向高品位热能的转化。

(3)高品位热能输出。进入冷凝器的高温、高压气体与换热介质进行热交换释放高品位热能，并冷凝成液态，实现了高品位热能的输出。

3 热泵加热工艺

3.1 双源热泵加热工艺

双源热泵加热工艺以双源(空气源和水源)热泵为制热核心，采用清水间接换热方式从空气或清水中提取热量，并将热量散发到原油中，如图1所示。

图1 双源热泵技术原理

江苏油田边远拉油站采用地表水源井清水作注水水源，水温一般在18 ℃以上，这类站的原油加热外输可采用双热源热泵加热工艺，气温高于15 ℃时，采用空气源；气温低于15 ℃时，采用水源，既利用高温季节的空气能，具有较高的能效比，节电效果好，又确保冬季原油加热的需要。如果水源热量不够，可改造储油罐，将油水分离，只加热原油，不加热水。

3.2 污水源热泵加热工艺

污水源热泵加热工艺以热泵为制热核心，采用清水间接换热方式从污水中提取热量和将热量散发到原油中，如图2所示。

图2 污水源热泵技术原理

由于污水源热泵技术以油田污水为热源，污水中存在大量结垢离子，如油层采出水中结垢离子Ca2+、SO42-、HCO3-含量较高，造成严重的管壁垢下局部腐蚀。为保证热泵的可靠运行，需配套防腐防垢技术。同时为提高污水的提热效率，需采用高效换热器换热。

3.2.1 防腐防垢技术

采用物理析垢技术，主动式析垢装置和扫频电磁防垢仪相结合，减轻污水换热器的结垢，延长检修周期。

图3 主动析垢装置结构

主动析垢装置结构如图3所示。利用不锈钢碎屑增加比表面积和粗糙度的物理原理，造成垢离子提前吸附，从而减少结垢对换热器中的影响。同时内壁做了全面防腐，防止不锈钢屑与钢筒体之间的电化学腐蚀，延长整个装置的使用寿命。该装置为立式装置，污水由下部进入，上部流出，污水与析垢载体的接触面积大，析垢效率高。沉垢靠重力沉积。底部侧面有人孔，人孔的连接由螺栓改为快卸螺丝，拆卸方便，冲刷、更换析垢载体快捷便利。

扫频电磁防垢仪包括一个电子单元电路和一根缠绕在污水管线外壁的电缆，如图4所示。使用频率可调整的一种方波类型的交变电流，交变电流的频率范围为1～18 kHz。交变电流形成一个快速的磁通变化，在线圈内部提供一个交变电磁场。增强了水分子的活性，使水中盐类离子很难在管壁上成垢，从而达到防垢的目的。

图4 电磁防垢原理示意

3.2.2 长流道管束式换热器

针对铝制浮头换热器和螺旋板式换热器存在清洗困难的问题，改进长流道管束式换热器，优化管束的排布方式和换热介质的流向，提高换热效率，如图5所示。同时改进换热器两端盲板的密封锁紧方式，由螺丝拧改为快卸螺丝，密封由石棉密封改为O形圈密封，便于清洗污水流道。

图5 改进的组合长流道管束式换热器

采用带加热功能和恒温控制系统的水罐作为稳定的热水段热源，自来水作低温水水源，通过相互变流量换热，测试换热效果，利用产生紊流时换热系数的拐点，判断其流态状态，从而得到不同流量下换热系数，如图6所示。

从图6可知，换热器换热效果与介质流速密切相关，流速愈快，换热系数愈高。低流量条件下，长流道管束式换热器的换热效果可以满足江苏油田零散中转站可再生能源利用的需要。

换热器换热效果首先取决于吸热段吸热能力，在吸热段流速不变情况下，单纯增加放热段流速效果不大，这启示我们，在用中介水与污水换热时，可以加大中介水循环流量，以置换出更多热量。

图6 长流道管束式换热器逆流实验换热系数

4 现场应用效果

4.1 墩2接转站双源热泵加热工艺

墩2接转站注水140 m3/d，产液70 m3/d。改造前采用50 kW电加热器加热出站原油，实测每小时耗电27.79 kW·h，出站油温44 ℃。对其进行双源热泵技术改造，如图7所示，其主要设备：1套原油加热换热器、2台双源热泵、2台水泵、配套电气和清水供水流程及热回水流程。冬季气温低于15 ℃时，采用清水源制热，其他季节应用空气源制热。

图7 墩2接转站站双热源泵加热工艺改造流程

墩2接转站实施双源热泵技术后：单台压缩机(一半)运行，每小时耗电11.4kW·h，节电16.4 kW·h，节电率58.98%。年节电14.3×104kW·h，年节约电费14万元。

4.2 纪5接转站污水源热泵加热工艺

纪5接转站，日进站液量约200 m3，其中油量约50 t/d,经立式三相分离器分离后，原油进罐，污水输往下游的纪4接转站。原有3台额定功率为50 kW的电加热器和24 kW的电加热棒。电加热器主要用于加热循环水为三相分离器保温，正常运行时需耗电55 kW·h，冬季，由于来液温度低，运行时需耗电77 kW·h；电加热棒主要为储油罐加热保温，确保原油的正常外输。经测算，电加热器和电加热棒平均日耗电1 500 kW·h左右，耗能大。

该站污水源丰富，日产污水量约150 m3，水温42 ℃左右，温度较高，采用污水源热泵。污水热泵技术流程改造如图8所示，其主要设备：1台主动式析垢装置、1套电磁防垢仪、1套污水余热回收换热器、2台水源热泵、2台中介水热水泵、1个中介水热水罐、配套电气和热回水流程及原热水流程中的2台热水泵、1个1方补水罐。

图8 纪5接转站热源泵加热工艺改造流程

纪5接转站污水源加热循环系统从污水中提取热量，供三相分离器加热和储油罐伴温，替代之前的电加热伴热模式。该加热系统与电磁加热器相比，不但能耗大大降低，还解决了污水结垢导致电加热器易烧坏的难题。同时，随着纪5接转站污水温度的下降，下游纪4站污水生化处理的冷却塔也实现关停，可谓一举三得。该工艺应用以来，平均日节电1 000 kW·h，预计年节电约36×104kW·h，全年节约电费37万元。

5 结论

通过对江苏油田双源热泵加热工艺、污水源热泵加热工艺的研究与应用，取得以下的结论和认识：

(1)以热泵为核心的再生能源加热工艺可应用于现有的热水炉或电加热工艺，可满足中转集油站原油加热的需要。

(2)污水源充足的站点优选污水源热泵技术，无污水源的站点优选双源热泵技术。

(3)组合式长流道管束换热器可根据换热量的大小进行自由组配，且更容易防腐防垢，更适合零散小站的应用。

(4)经现场应用和能效测试，墩2、纪5接转站热源热泵加热工艺具有良好的节电效果，平均节电率达到50%以上。

[1] 殷永军，袁长军.中频加热单井集油降温输送[J].油气田地面工程，2010，32(1)：61-62.

[2] 李小梅，黄晓荣，曹煜，等.电加热技术应用于油田集输工艺[J].油气田地面工程，2008，27(5)：38-39.

[3] 朱益飞.胜利油田热泵技术应用现状及对策[J].电力需求侧管理，2012，14(1)：31-32.

[4] 陈东，谢继红.热泵技术及其应用[M].北京：化学工业出版社，2006:28-39.

[5] 龚秋红，李元春，卢宗，等.油田污水余热回收利用技术[J].石油与化工设备，2011,14:66-67.

[6] 王冰，成庆林等.热泵技术在回收油田污水余热资源中的应用[J].当代化工，2015,44(8):1839-1841.

[7] 张祖峰，李彦，倪心富，等.热泵技术在油田污水余热回收工程的应用[J].石油石化节能，2013(2)：12-13.

[8] 张春峰，鄯善联合站采油污水余热回收利用[J].石油石化节能，2014(9)：47-48.

[9] 惠喜强，包新善，惠刚，等.热泵回收污水余热技术在油田采暖中的应用[J].节能，2013，32(10):40-43.

[10] 张水生，袁长军.热泵技术在油田生产污水余热回收中的应用[J].技术研究，2015，10:40-43.

[11] 苗承武，吴明利.采用热泵技术回收油田污水余热[J].石油规划设计，2007，18(2):22-24.

[12] 唐志伟，刘爱洁.油田污水余热资源开发利用[J].化工进展，2009,28:423-425.

(编辑 谢 葵)

天然气勘探盐气X1井顺利开钻

2月12日，江苏油田首口天然气风险探井——盐气X1井顺利开钻。

该井的钻探是落实总公司“油气并举”勘探战略方针的重要举措之一，也是江苏油田天然气勘探“十三五”规划中的重要一环。去年，老区老井复查试气工作首战告捷，优选出首批6口试气井取得突出效果。其中，许浅1井试获高产天然气流，打开了天然气勘探新局面。另一方面在新区有利区带评价优选基础上，顺利通过了盐气X1井三次评价论证。该井部署在盐城凹陷，主要目的为探测阜宁组、白垩系，印支面及古生界含油气情况，并获取斜坡带二叠系孤峰—龙潭组烃源岩和古生界风化壳等实物资料。该井的顺利开钻标志着油田以古生中储为主的新类型天然气勘探迈出了坚实的一步，对拓宽盐城凹陷天然气成藏新层系、拓展天然气勘探局面和评价斜坡带勘探潜力有着极为重要的战略意义。

(刘磊)

Application of heat pump technology in gathering and transportation system of Jiangsu Oilfield

Gao Li,Zhu Feng,Si Zhimei

(PetroleumEngineeringTechnologyResearchInstituteofJiangsuOilfieldCompany,SINOPEC,Yangzhou225009,China)

It was analyzed the feasibility of the application of heat pump in Jiangsu Oilfield.It was carried out study on heating process of air or sewage source heat pump technology.In order to increase the heat transfer efficiency,a heat exchanger with long flow channel was improved.And then the flow conditions of the tube bundle heat exchanger with long flow channel was optimized by the heat transfer tests,which are suitable for scattered blocks in Jiangsu Oilfield.It was carried out study on the sewage anti-corrosion and scale prevention technology.An automatic deposited scale device was developed.And then the sweep frequency electromagnetic anti-scaling instrument was improved.The two kinds of heat pump heating process were applied in Dun 2 transfer station and Ji 5 transfer station,respectively.In the comparison of conventional electrical heater,the energy consumption can be reduced greatly,with an energy saving rate of more than 50%.So the heating system has obvious economic benefits and a good application value in Jiangsu Oilfield.

heat pump;heat pump of air source;heat pump of sewage source;gathering and transportation system

10.16181/j.cnki.fzyqc.2017.01.017

2016-11-16；改回日期：2016-12-29。

高丽(1983—)，硕士，工程师，现主要从事采油工艺研究。电话:17766005134，0514-87762408， E-mail:gaoli3.jsyt@sinopec.com。

TE832.34

A