胜利油田河口采油厂首站余热回收系统浅析

孙 霖 孙灵念

中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司河口采油厂, 山东 东营 257200

0 前言

在油气生产过程中,油、气、水三相分离和原油脱水、外输、掺水加热及站内供暖都需要消耗大量的热能,目前基本采用传统的燃油、燃煤、燃气锅炉进行供热,不仅效率低、费用高,还消耗大量的一次能源,加剧了环境污染[1-5]。余热回收系统主要从生产工艺上来提高能源利用效率,通过改善工艺结构和增加节能装置以最大限度地利用生产过程中产生的势能和废热、余热等。这些多余、废弃的能源包括高温废气余热、废气废水余热、冷却介质余热和废料余热等[5-20]。随着“十二五”期间国家重点节能工程的开展,高效换热器、高效热泵、蓄能技术等相关的技术应用正日渐成熟并得到逐步推广,为采油厂余热回收系统的应用提供了很好的技术支持。

1 胜利油田河口采油厂首站基本情况

胜利油田河口采油厂首站担负着河口采油厂原油综合处理的任务,目前以天然气为能源,采用6台燃气锅炉为外输原油和来油加热。据现有资料可知,该站年用电量为320×104kW·h,年用气量为364×10 m3,首站工艺流程见图1。

图1 首站工艺流程

该站现有加热系统存在如下问题:

1)当地地下有丰富的地下热水资源未被利用。

2)原油生产工艺需要消耗大量热能,目前采用的加热炉主要为燃气水套加热炉的形式,能量利用方式是采用燃烧高品位能源获得低品位热能,一次能源效率较低。

2 胜利油田河口采油厂首站能源现状

据现有资料,河口采油厂首站地下水温度较高。该地区燃气暂时按东营市非民用燃气价格2.8元/m3计算,供热周期为全年,实行峰谷电价,全天峰谷电价见图2。

图2 全天峰谷电价

3 供热负荷估算

通过计算可得峰价时的供热负荷,见表1。

日负荷特点:冬季及过渡季全天加热原油,1月典型负荷日负荷见图3。

年负荷特点:运行加热时间约为全年,逐月负荷统计见表2。

表1 峰价时的供热负荷

负荷类型被加热介质日流量/(t·d-1)小时流量/(t·h-1)比热/(J·kg-1·℃-1)初始温度/℃需要加热/℃能够加热/℃负荷/kW稀油进站稀油1 68084.04 20055.085.070.01 470.0外输油加热原油2 400120.04 20055.075.070.02 100.0合计-------3 570.0

图3 1月典型负荷日负荷

4 系统流程介绍

一般把地下200 m以内的地热能叫做浅层地热能。浅层地热能是一种分布广泛、开采容易、具有一定可再生能力的低焓能源,在我国已得到了广泛的推广使用。大力开发使用浅层地热能对于节能减排、改善环境、降低供冷/供热成本意义重大,利国利民。余热回收系统就是有效利用浅层地热能的最佳工程系统。

表2 逐月负荷统计

月份月最大峰值/kW月最大日负荷/kW·h外输油/t西线来油/t月累计/kW·h13 56073 0562 3001 5802 123 58123 35261 2412 0711 3241 937 49033 26465 2802 1941 5361 976 25043 10662 1182 0881 4621 819 17052 95359 0581 9851 3901 783 36862 79555 8961 8791 3151 632 51072 79055 7941 8751 3131 682 28682 94858 9561 9821 3871 780 20693 10162 0162 0851 4591 816 110103 25965 1782 1911 5341 973 088113 41568 2552 2941 6062 002 270123 57171 4002 4111 6802 165 945合计----22 735 188

东营地区有丰富的地下热水资源可供使用。胜利油田河口采油厂首站地热代气项目的基本原理为抽取地下底层200 m地下热水,利用6组钛合金换热器将站内埕东、义和、采暖等3套用热需求为70 ℃的流程进行换热,将40 ℃的原油加热至70 ℃。

与此同时,对于需要高温80 ℃的稳定原油,首先利用燃气锅炉加热软化水至90 ℃以上,用90 ℃的软化水对70 ℃的地下水进行一次换热至90 ℃以上,利用升温后的二次地下水对稳定原油进行换热,保持稳定原油温度在85 ℃以上。

由于首站为工业用热,实行峰谷电价,故采用蓄能系统,将低温污水作为高温热泵热源,为原油加热提供热量。峰电时由蓄能罐向原油加热系统提供热量,谷电时高温热泵全负荷运行进行蓄能,可最大限度降低运行费用。

本系统特点为:

1)由于采用了蓄能系统,在峰值负荷时段负荷是由高温热泵主机+蓄能罐共同承担的,因此本系统的高温热泵主机装机容量小于峰值负荷。

2)未配置常规水蓄能系统所需要的换热器,系统简单,且节省了水泵运行功耗,系统效率高。

3)可利用温差大,蓄热温差为10 ℃,蓄热效率高。

4)由于配置相当容量的蓄能罐,高温热泵主机基本在所有时段都处于满负荷状态运行,比如在峰电时段可以减少高温热泵主机的开启数量,负荷不足部分由蓄能罐补充,在平电时段高温热泵主机可以最大容量(满负荷)运行,超过负荷的部分蓄存至蓄能罐,因此高温热泵主机运行效率高。

5 设备投资及运行费用

采用不同高温热泵主机,对系统投资有较大影响,为了更加全面地分析投资和运行情况,进行了多种系统比较。

5.1 离心高温蓄能热泵系统

该系统的设备投资估算清单见表3,全年运行能耗费用见表4。

表3 设备投资估算清单

投资项目投资估算/万元比例/(%)指标/(元·W-1)热泵630.0021.531.76水泵27.470.940.08换热器832.5628.452.33蓄能罐336.0011.480.94水处理7.500.260.02配电、自控231.697.920.65机房97.503.330.27施工353.1312.070.99其他410.7914.041.15合计2 926.65100.008.20

表4 全年运行能耗费用

月份天数/d日耗电/(kW·h)日运行费用/元日耗气/m3月运行费用/元月耗电/(kW·h)月耗气/m3月耗热/(kW·h)13119 5227 7780241 348606 67602 168 13222918 7047 2390209 933542 40801 937 49033117 8766 6920207 464554 17001 979 41243017 0486 1490184 464511 43401 820 70053116 2215 6100173 913502 83701 786 53063015 2044 9510148 536456 12001 634 04073115 1144 9510153 487471 32401 679 02283116 0855 5220171 167498 65001 777 04493017 0486 1490184 464511 43401 814 580103117 7416 6040204 718549 98301 969 926113018 7047 2390217 172561 11102 001 240123119 5007 7780241 118604 87602 162 808合计366---2 337 5576 369 223022 731 924

5.2 氨高温蓄能热泵系统

该系统的设备投资估算清单见表5,全年能耗运行费用估算见表6。

表5 设备投资估算清单

投资项目投资估算/万元比例/(%)指标/(元·W-1)热泵974.6137.582.73水泵18.000.690.05换热器444.0517.121.24蓄能罐144.005.550.40水处理7.500.290.02配电、自控141.765.470.40机房144.005.550.40施工324.4912.510.91其他394.9215.231.11合计2 593.33100.007.26

5.3 国产高温蓄能热泵系统

该系统的设备投资估算清单见表7,全年运行能耗费用估算见表8。

6 经济性

为了全面分析各种系统的优劣,对比了多个系统的投资、运行费用及投资回收期，见表9。

考虑到资金的时间价值,进行了动态投资分析,进一步考察项目在整个寿命期内收入与支出情况,使方案更为科学、全面。动态经济分析的计算条件如下:运营年限为15年;基准收益率为0.08;折旧年限为12年;运营模式为EMC模式;营业税为免征营业税;1～3年企业所得税为0.125,4～15年企业所得税为0.25。由此得到不同运营年限-内部收益率对照表,见图4；不同运营年限-投资回收期对照表见图5。

表6 全年运行能耗费用

月份天数/d日耗电/(kW·h)日运行费用/元日耗气/m3月运行费用/元月耗电/(kW·h)月耗气/m3月耗热/(kW·h)13121 83211 9490370 415676 80702 169 13222921 05811 1350322 929610 68701 937 49033120 15310 1900315 882624 75301 979 41243019 1129 1130273 388573 36801 820 70053118 2078 3750259 623564 43001 786 53063017 1667 6000230 998514 99101 634 04073117 1557 7110238 698532 15701 679 02283117 9618 2130254 609556 78801 777 04493019 1129 1130273 388573 36801 814 580103119 9079 9310307 860617 11101 969 926113021 05811 1350334 064631 74502 001 240123121 83211 9490370 415676 80702 162 808合计366---3 552 2717 153 013022 731 924

表7 设备投资估算清单

投资项目投资估算/万元比例/(%)指标/(元·W-1)热泵449.8220.981.26水泵18.000.840.05换热器595.9827.801.67蓄能罐144.006.720.40水处理7.500.350.02配电、自控142.606.650.40机房144.006.720.40施工268.6912.530.75其他373.5317.421.05合计2 144.12100.006.01

7 环境效益

8 投产前后对比

余热回收系统投产后燃气锅炉燃气消耗量与投产前的对比情况见表11。

表8 全年运行能耗费用

月份天数/d日耗电/(kW·h)日运行费用/元日耗气/m3月运行费用/元月耗电/(kW·h)月耗气/m3月耗热/(kW·h)13122 28012 1920377 964690 69502 169 13222921 49011 3620329 504623 21501 937 49033120 56610 3970322 294637 55901 979 41243019 5049 2980278 930585 12801 820 70053118 5818 5440264 867575 99601 786 53063017 5187 8250235 659525 55101 634 04073117 3387 8550243 514543 06901 679 02283118 3298 3790259 750568 19601 777 04493019 5049 2980278 930585 12801 814 580103120 31510 1320314 107629 75901 969 926113021 49011 3620340 866644 70502 001 240123123 38012 1110377 544690 69502 162 808合计366---3 624 3497 299 696022 731 924

表9 不同系统形势对比表

系统形式总投资/万元电费、燃料费/万元基本电费/万元维护费用/万元年费用/万元10年寿命期内投资折旧10年寿命期内年均费用10年寿命期内年均费用现有系统运行费/万元改造方案运行费/万元税费支出/万元静态投资回收期/a离心高温蓄能热泵2 926.62 926.62 926.62 926.62 926.62 926.62 926.62 926.62 926.62 926.62 926.62 926.6氨高温蓄能热泵2 593.32 593.32 593.32 593.32 593.32 593.32 593.32 593.32 593.32 593.32 593.32 593.3国产高温蓄能热泵2 144.12 144.12 144.12 144.12 144.12 144.12 144.12 144.12 144.12 144.12 144.12 144.1燃气锅炉833.1833.1833.1833.1833.1833.1833.1833.1833.1833.1833.1833.1

图4 运营年限-内部收益率对照表

图5 运营年限-投资回收期对比表

表10 能源消耗及二氧化碳排放量

系统形式能源消耗折合标准煤/t二氧化碳排放量/t电/(kW·h)燃油/t燃气/m3电燃油燃气合计电燃油燃气合计离心高温蓄能热泵6 369 223002 293002 2936 191006 191氨高温蓄能热泵7 153 013002 575002 5756 953006 953国产高温热泵7 299 696002 628002 6287 095007 095燃气锅炉159 63002 882 6975803 5003 55815506 2556410

图6 各种系统折合标准煤消耗、二氧化碳排放对比

表11 投产前后加热炉耗气量对比表

投产前投产后时间加热炉燃气消耗量/m3时间加热炉燃气消耗量/m3减少率/(%)减少量折合标准煤/t2017.1499 5172018.1254 754493262017.2217 6012018.2117 505461332017.3416 0112018.3216 326482652017.4329 4092018.4174 587472062017.553 7312018.529 55245322017.6108 0802018.662 57442602017.7119 6352018.761 60748772017.879 2342018.841 39047502017.993 2632018.942 02554682017.10168 9262018.1083 07750114

9 结论

1)本系统节能改造的优势有:用热点的设备压力较低,只有0.6 MPa,便于选择换热器;用热周期长,为全年加热,热回收量大。

2)经济性方面，三种方案差异不大。节能减排方面,相对于清洁能源的燃气来说,效率较低的热泵系统在减少碳排放方面没有优势;就安全、稳定、可靠、经济合理、环境保护而言,最终采用安装离心高温蓄能热泵系统。