油田加热炉清洁替代技术的研究与应用

薛李强 苗彦平 张桂迎 朱治国 王军 葛玉娇 李伟

（中国石油华北油田分公司第三采油厂）

油田热力系统供热主要依靠加热炉燃烧原油或天然气，主要用能环节包括原油集输及处理、采暖等，随着国家“碳达峰、碳中和”目标的提出，加热炉燃烧一次化石能源的供热模式带来的能耗高、污染物排放等问题愈加凸显，油田作为用能大户，在生产工艺中，碳排放的最主要来源是油田站场加热炉燃烧燃料排放的烟气，因此减少烟气排放，实现低碳发展，是绿色低碳循环发展的必由之路。

1 现状

某采油厂在用加热炉61 台，分布在26 座站场，年消耗燃料折合标煤2.3×104t，能耗较高，主要站场燃气年消耗见表1，同时存在氮氧化合物、烟尘等污染物排放问题。每天处理采出水1.4×104m3，平均温度45～50 ℃，单日蕴含着约90×104MJ 的低温热能，余热资源丰富，因此研究利用油田低温采出水余热及大气余热资源替代加热炉，对油田节能降耗、改善地区生态环境具有重要意义。

表1 主要站场燃气年消耗统计Tab.1 Statistics of annual consumption for fuel gas at main stations 104 m3

2 清洁替代技术的研究与先导试验

热泵是一种能将低温热能转化为高温热能供生产使用的高效节能装置。热能可以自发地从高温物体传递到低温物体，但不能自发地沿着相反的方向进行。热泵的工作原理就是通过燃气、电能等做功驱动，迫使热能从低温物体传向高温物体的撬装化装置，它可以通过消耗驱动能量，额外得到较大的热能，提供到高温处的能量总和大于设备输入能量(COP＞1)，使回收利用油田丰富的采出水余热及大气低温热能成为可能，为油田加热炉清洁替代提供了技术思路[1-2]。

2.1 热泵技术的研究

结合热泵技术原理、站场热负荷、采出水量、伴生气产量等因素，研究提出压缩式水源热泵、吸收式水源热泵、空气源热泵三种不同路线的热泵工艺技术[3]，通过利用油田采出水余热、大气低温热能实现站场加热炉清洁替代[4]。

2.1.1 压缩式水源热泵

压缩式水源热泵主要热能来源为低温水介质，如油田低温采出水等，热泵机组以电能驱动压缩机工作。机组内部循环介质为软化水，通过换热器内部工质从站场低温采出水中提取热量后进入热泵机组，压缩机驱动逆卡诺循环示意图见图1，向站场伴热水放热，热水升温后通过热力系统向各类单体供热，温度下降返回压缩式热泵机组进行循环加热[5-6]。

图1 压缩机驱动逆卡诺循环示意图Fig.1 Diagram of the cycle of compressor drive inverse carnot

2.1.2 吸收式水源热泵

吸收式水源热泵主要热能来源为低温水介质，可用油田低温采出水等，通过燃烧可燃性气体驱动，如天然气、油田伴生气等，热量在发生器内加热溴化锂稀溶液产生水蒸气，水蒸气进入冷凝器放出热量。冷凝成液体后进入蒸发器，在蒸发器低温低压环境下吸收低温介质（油田低温采出水）的热量蒸发，这部分低温低压蒸汽进入吸收器被浓溴化锂溶液吸收，放出热量，然后进入发生器进行下一个循环，被加热介质进入热泵机组经两次升温后给各单体供热[7-8]，吸收式水源热泵介质循环见图2。

图2 吸收式水源热泵介质循环Fig.2 Medium circulating diagram of absorption water source heat pump

2.1.3 空气源热泵

空气源热泵同样是利用压缩机驱动制冷工质进行逆卡诺循环，通过消耗少量电能，从室外空气中吸收大量的低温热能，经过压缩机的压缩变为高温热能，给被加热介质升温，能够将空气中吸收的热能以及消耗的电能一起转换成高品位热能，空气源热泵介质循环见图3，较常规电加热热效率更高[9-10]，适合用于采出水、伴生气匮乏的油田站场。

图3 空气源热泵介质循环Fig.3 Medium circulating diagram of air source heat pump

2.2 热泵技术的先导试验

为了更好的评价研究成果的适应性，结合三种热泵技术的特点，筛选三座油田加热站场开展先导试验。基本原则为：热负荷较大、采出水充足、伴生气匮乏站场开展压缩式水源热泵先导试验；热负荷较大、采出水充足、伴生气较丰富的站场开展吸收式水源热泵先导试验；热负荷较小、采出水及伴生气匮乏的站点试验空气源热泵。先导试验站点重点参数见表2。

表2 先导试验站点重点参数Tab.2 Key parameters of pilot test sites

2.2.1 先导试验一

试验点1 采出水量充足，日均3 500 m3，油田伴生气资源较丰富，日均12 000 m3，为保证生产供热，该站年还需外购天然气17.18×104m3，因此选择开展吸收式水源热泵先导试验，回收利用采出水低温余热，替代加热炉，减少燃气消耗。将原油脱出的46.4 ℃采出水泵送至热交换器，经换热利用后温度降至38 ℃，然后到注水系统进行回注，热泵机组燃烧站场脱出的伴生气，将热力系统循环水从68 ℃提升至80 ℃，温度能够满足生产系统用热需求。机组额定输出功率1 526 kW，替代1 台加热炉，站场其余热负荷暂由加热炉燃烧伴生气补充，富余伴生气调至附近站场使用。

2.2.2 先导试验二

试验点2 采出水量充足，日均1 750 m3，余热资源丰富，伴生气伴生气量匮乏，日均508 m3，为保证生产供热，该站年需外购天然气172.03×104m3，因此选择开展压缩式水源热泵先导试验，回收利用采出水余热，减少燃气消耗。将原油脱出的46.2 ℃采出水泵送至热交换器，经换热利用后温度降至34.5 ℃，然后进行回注。换热升温后的热泵机组内部循环工质将回收热能源源不断送入热泵，在电能驱动下，热泵机组通过逆卡诺循环将热力系统循环水从59.2 ℃提高至71.5 ℃，给各单体供热后再进入热泵升温，依此不断循环，机组额定输出功率1 184 kW，实施投运后替代加热炉1 台，实现夏季外购天然气零消耗，有效降低天然气用量，站场供热缺口由加热炉燃烧伴生气及天然气补充。

2.2.3 先导试验三

试验点3 为小型供热拉油站，站场热负荷较小，采出水、伴生气匮乏，采用加热炉燃烧天然气的供热方式，为彻底替代该站加热炉，开展了空气源热泵先导试验，通过电能驱动机组，利用大气余热及电能给伴热水升温，机组额定输出功率105 kW，可将热循环水从52 ℃提高至68 ℃，完全满足了该站热力需求。

2.3 先导试验结果

热泵先导试验结果见表3。先导试验各项参数达到了目标值，COP 值均大于1，被加热的热力系统循环水温度满足现场生产需求，充分利用了采出水低温余热及大气余热，实现了加热炉清洁替代，减少了站场天然气消耗。机组均采用撬装集成化，自动化程度高，投资低、施工周期短、工人劳动强度低。先导试验经济效益可观，工艺技术适配性强，进一步验证了热泵技术路线选择条件的合理性，并取得一定认识。

表3 热泵先导试验结果Tab.3 Pilot test results of heat pump

3 推广应用及效果

根据前期技术研究成果及先导试验情况，为了进一步扩大加热炉清洁替代技术应用范围及效益，结合站场实际工况，通过可行性论证、经济比选[11]，选取8 座站场推广应用，热泵推广应用情况见表4。

表4 热泵推广应用情况Tab.4 Promotion and application of heat pump

该技术研究成果累计应用11 座站场，替代加热炉17 台，年节约天然气569.8×104m3，折合标煤6 356 t，年经济效益1 863 万元，年减少二氧化碳排放8 547 t，同时采出水温度的降低，有利于缓解回注系统设备、管网的腐蚀与结垢，减少了运维成本。节能降耗、绿色环保效果显著，对环境保护起到积极作用。

4 结论

1）试验推广应用的三种不同技术路线的热泵能够较好的适应油田不同类型的站场，通过利用油田丰富的采出水余热及空气热能，实现加热炉替代，减少天然气消耗及碳排放。

2）压缩式水源热泵和吸收式水源热泵主要用于规模较大站场，提取系统采出水余热来减少伴生气，节约的伴生气可用来发电或形成商品气，同时也可以解决站场本身伴生气匮乏或不足导致无法满足正常生产用热的问题，减少外购天然气。

3）空气源热泵由于其输出功率较小，主要用于小型站场，也可以配合太阳能使用，作为太阳能夜间、阴雨天时的备用热源，降低热泵运行电耗，同时能够解决太阳能利用受天气影响的问题，更好的提高其适应性。