清洁能源在油田的应用——油田清洁能源余热回收研究

清洁能源在油田的应用——油田清洁能源余热回收研究

杜德云1孟剑锋2冯红星3

1大庆油田有限责任公司第七采油厂第四油矿茂801队163000：2大庆油田有限责任公司第七采油厂第二油矿711队163000；3大庆油田有限责任公司第七采油厂第四油矿台肇163000

摘要：油田加热炉效率较低，能源利用不够充分，导致了能源极大的浪费。此外，加热炉系统燃烧化石燃料，排放了大量的有害气体，使环境恶化加剧。针对该现状，本文提出利用高温污水源热泵系统代替原加热炉系统，运用清洁能源对油田余热进行回收。

关键词：油田：清洁能源；余热回收；研究

引言

油田加热炉普遍存在设备老化、小型炉居多、效率低下、燃烧不完全等问题，原油加热炉还存在多种腐蚀情况，主要包括燃烧产物对炉体的高温氧化，加热介质对管路的冲蚀、碳化、硫化、氢损伤、烟气的露点腐蚀等，此外，炉内化石燃料燃烧产生大量灰尘，烟灰中的硫化物遇湿易酸化，导致炉体产生点蚀。同时，加热炉内温度分布不均会引起热应力腐蚀，严重时可诱发爆炸。由此可见，原油加热炉不仅消耗大量的一次能源，而且存在很多不足及安全隐患。

一、高温热泵运行功能分析

能源是社会发展和人类生活的重要物质保障，随着人口迅速增长和长期粗放式的经济增长模式，使得能源消耗速度和消耗总量急剧增长，2015年，我国一次能源消耗量约42.6亿吨，同比增长2.1％，比2014年增加了8893万吨。我国资源储备量有限，人均资源储备量远低于各国平均水平，煤、石油、天然气等人均储备量，仅为各国平均水平的69.3%。而且，随着我国工业的快速发展，城镇化和现代化的不断深入，能源紧缺加剧，能源供应面临重大挑战，能源危机将严重抑制社会的发展。

高温热泵研究的目标是使其高温化和高效化，高温化可以满足更高的用热需求，扩大热泵的使用范畴，高效化是热泵应用的基本前提，是热泵系统节能的基本保障。高温热泵的研宂应从系统部件的优化、循环工质的开发与循环方式的研究三方面相互匹配，当前高温热泵的研究是立足于常规蒸汽压缩式热栗系统部件，大多数学者把研宄重点放在工质的开发及性能研宄上面，而对循环方式的研究很少。热泵循环与制冷机循环都遵循着逆卡诺循环，区别是工作温区有所不同，理论上制冷机的循环方式对于热泵来说都适用。因此，可将热泵循环分为单级热泵循环、多级热泵循环和复叠式热泵循环[1]。对于高温热泵来说，单级循环受循环压比、循环温升的影响，性能系数COP较低，两级循环已有一定的的研究，但是温升幅度不大，一般在45°Ｃ以下，复叠式热泵循环的研究相对较少。

二、高温污水源热泵余热回收系统设计

由于原油和污水存在着一定的腐蚀性，所以该系统应配备原油换热器和污水换热器，采用间接换热的形式，保证热泵机组的使用寿命。间接换热形式存在中间换热损失，且该环节拉大了冷凝、蒸发温度之间的差值，即循环温升变大，常规的热泵机组出水温度低，且温升幅度有限，不适用于该系统，因此，热泵机组应是高温型热泵[2]。

高温污水源热泵系统可直接对30-40°Ｃ的污水余热进行回收利用，且可承受温升幅度较大。如前所述，高温热泵循环有单级热泵循环、两级热栗循环、复叠式热泵循环等。通过对各循环系统进行建模、分析和热力计算，根据计算分析结果，优化系统流程，并对该系统设备容量进行选型和布置，并分析其经济、节能及环保效益。通过该系统的应用，回收污水中的余热，替代加热炉加热原料油，消除加热炉的冒白烟现象。

三、高温污水源热泉系统换热过程分析

该原料油从30°Ｃ-40°Ｃ加热至79°Ｃ-85°Ｃ，系统设计需满足原料油脱水温度要求，同时可以提供最大加热量3600KW。据上节的分析结论，循环温升小于45°Ｃ时采用单级热泵系统加热，循环温升大于45°Ｃ时，则采用两级压缩一次节流中间不完全冷却热泵系统加热。由于原料油和含油污水具有腐蚀性，需要在热泵机组源侧（蒸发器侧）和负荷侧（冷凝器侧）分别增设污水换热器和油水换热器，采用间接式换热形式，保证机组的使用寿命。同时，污水换热器和油水换热器需采用耐腐蚀钛管换热器，尽可能降腐蚀，提高传热系数，间接式换热将拉大蒸发、冷凝温度之间的差值，导致循环温升变大，经分析，增设污水换热器和油水换热器后，热泵系统的循环温升接近80°Ｃ。此时，釆用单级热泵会使系统性能系数极低，显然达不到预期的节能效果，所以应采用两级热泵系统。

油水换热器通过高温循环水加热原料油，由于原料油的温升较大，如果高温循环水在冷凝器中温升（也即在油水换热器中的温降）同样较大，虽然可以减小冷凝器的换热面积，但是，高温循环水在油水换热器中的温降较大，将增大油水换热器的换热面积，系统经济性有待比较[3]。反之，如果高温循环水在冷凝器中温升较小，则油水换热器面积可以小些，但冷凝器换热面积将增大，此外，高温循环水在油水换热器中的温降较小，将拉大传热温差，图中红色虚线为小温差传热过程线，红色实线为大温差传热过程线。

四、系统一次能源利用率与加热炉效率对比分析

对于加热炉供热来说，其能量转化过程为：燃料的化学能直接转化成热能。而利用热泵供热，其能量转化过程为：燃料的化学能先转化成热能，热能变机械能，再由机械能做功发电，最后由电能驱动电动热泵制热。按理说，如此之多的能量转化过程，必然存在着诸多损失，导致效率低下，但由于热泵“低投入、高收益，，的特点，使得热泵供热系统整体效率得以提高，但与加热炉系统相比节能与否不便直接对比得出。

结束语

随着各油田的开发，采油工程逐步进入中后期，低温余热越来越多，但由于余热品位偏低，回收利用较困难。高温热泵中的清洁技术的利用，能够很好地解决油田低温佘热回收困难的问题，这将有效缓解我国资源紧缺、能源浪费严重的现象。同时会给各油田企业带来巨大的经济效益，减少污染性气体的排放，有利于我国环境问题的改善。因此，高温热泵技术的发展将在我国油田及其他具备大量低温余热的工业企业有着广泛的应用，发展前景良好。

参考文献：

[1]郭新锋，刘金侠，李瑞霞，等.蓄能式热泵系统在油田余热回收中的应用[J].暖通空调，2017（12）：76-79.

[2]习尚斌，李泽伟，钱崇林，等.新疆油田天然气压缩机余热利用技术研究与应用[J].油气田地面工程，2016，35（5）：9-13.

[3]王星源.高温水源热泵机组在油田污水余热回收利用中的应用[J].石油石化节能，2017，7（2）：8-9.