油田生產(chǎn)污水低品位熱能回收技術(shù)

 1、生產(chǎn)污水余熱資源分析
近年來，由于污水處理系統(tǒng)運行的需要，原水一般在聯(lián)合站和注水站之間調(diào)配，考慮生產(chǎn)污水處理和調(diào)運過程中的溫降，一般到達含油污水處理站溫度在 40℃左右。含油污水原水經(jīng)過普通處理站處理后，溫降不超過 2℃，經(jīng)過深度處理站處理后溫降亦不超過 2℃，處理后的水輸送至注水站儲罐時一般溫降在 2℃～ 4℃，因此達到注水站后的溫度在 35℃左右。從目前油田生產(chǎn)看，這些低溫污水大部分未能充分利用，僅用于注水井回注，如能將石油生產(chǎn)中的污水余熱資源充分利用，不僅可以降
低原油生產(chǎn)能耗，而且可減少熱污染。生產(chǎn)污水的余熱 按下式計算
（1）式中，
 
按照設(shè)計提取污水溫差 10℃計算，假設(shè)一個油氣處理站的日處理污水量為 5000t，油田含油污水可用熱能為 2.1×105MJ（理論熱負荷為 2.43MW），最高日可替代 7.1652 tce，相當于5833.33m3 天然氣的熱量，考慮到熱源與用戶的系統(tǒng)關(guān)系，低溫含油污水水源的利用率最高按 60% 考慮，年節(jié)約天然氣約213×104m3，可替代約 1569.18 tce。

2 、生產(chǎn)污水余熱回收方案
隨著油田進入開發(fā)后期，采出液中含水體積分數(shù)不斷攀升，較多油田已高達 90% 以上，經(jīng)集中處理站脫水處理后的含油污水產(chǎn)量日益加大，而污水中又含有大量低品位余熱。這些生產(chǎn)污水沒有進行充分利用就進行大罐存儲、回注或外排，造成余熱浪費。同時，在采出液處理過程中又需要大量熱能以滿足生產(chǎn)需要，油田用熱能溫度一般較低，如采暖及原油加熱、摻水等原油集輸處理要求的工藝溫度一般在 70~90℃左右。由此可見，在石油生產(chǎn)過程中，有良好的污水熱源，同時也有合適的用熱要求，可以通過余熱回收方式節(jié)約大量能源消耗。同時把油田低溫水溫度進一步降低，可以避開細菌繁殖最佳溫度，抑制細菌的滋生對提高油田注水水質(zhì)起到一定作用。常用污水余熱回收方案是在外排污水中通過應(yīng)用水源熱泵技術(shù)，提取現(xiàn)有污水中外排的余熱，制取中溫熱水，用于原油換熱器和油管道伴熱，或者作業(yè)區(qū)的生活供暖。
熱泵驅(qū)動源可用油田采油伴生氣，在伴生氣供應(yīng)不足的情況下，可補充使用自產(chǎn)原油。熱泵系統(tǒng)通常由熱源污水換熱器、污水以及被加熱介質(zhì)與熱泵之間采用換熱器進行能量交換。油氣處理站采出污水處理系統(tǒng)而設(shè)計的水源熱泵系統(tǒng)分為壓縮式熱泵和吸收式熱泵兩大類，由于油田環(huán)境不同，設(shè)計形式也不盡相同。壓縮式熱泵機組要利用電能等高品位能量壓縮機驅(qū)動工質(zhì)，運行成本較高，同時需要考慮電力增容等，受上述原因的影響，即使節(jié)能效果很好的情況下，其經(jīng)濟性也會因為使用條件的不同而有很大的不同。
熱泵系統(tǒng)設(shè)計選擇的主要內(nèi)容包括熱源污水用換熱器、循環(huán)水泵、熱泵、加熱介質(zhì)用換熱器的選擇等，關(guān)鍵問題是加熱介質(zhì)用換熱器的形式選擇和原油對應(yīng)換熱參數(shù)的確定。
（1）加熱介質(zhì)用換熱器的具體結(jié)構(gòu)
加熱介質(zhì)通常為油井產(chǎn)出液，在換熱器中通過軟化水與之換熱。原油成分復(fù)雜，除了含有一定比例的烷類、烴類外，還含有一定比例的水、淤泥，甚至還有細小粒度的砂石。在換熱器結(jié)構(gòu)上，不能選用板式或者螺旋板式換熱方式，否則易產(chǎn)生原油流通截面堵塞。當選用對流排管式換熱器時，還需考慮管徑的大小。若管徑太小，會導致高黏度原油的輸送摩阻過大，需消耗動力過多問題；同時原油流通截面也容易產(chǎn)生堵塞。若管徑過大，由于原油導熱熱阻遠大于水，想要實現(xiàn)同等換熱負荷，其換熱面積也會大很多，從而影響整體項目的總體投資額度及投資回收周期。
（2）原油側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和污垢熱阻的確定
由于原油組成的不確定性，造成表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和污垢熱阻的不確定性。當換熱器剛投入運行，如果沒有腐蝕，則管內(nèi)原油側(cè)、管外軟化水側(cè)污垢熱阻可暫時略去不計。根據(jù)換熱器傳熱系數(shù)公式：
 
在設(shè)備應(yīng)用初期 、 的情況下，可計算得到原油側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。當這組換熱器投入運行一段時間之后，利用式 (1)計算時，式中原油軟水換熱器換熱管軟化水側(cè)的污垢熱阻 和換熱管原油側(cè)的污垢熱阻 需要根據(jù)水質(zhì)、腐蝕和結(jié)垢情況調(diào)整。式中 為加熱介質(zhì)換熱器總傳熱系數(shù)，W／ (m2.℃ ) ； 別為管內(nèi)被加熱介質(zhì)側(cè)、管外軟化水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W／(m2.℃ ) ；分別為管內(nèi)被加熱側(cè)、管外軟化水側(cè)污垢熱阻，W／(m2.℃)；分別為管內(nèi)被加熱側(cè)、管外軟化水側(cè)傳熱面積，m2。
（3）被加熱介質(zhì)換熱器換熱面積的確定
假設(shè)被加熱介質(zhì)的質(zhì)量流量為  ，軟化水進出口溫度為  ，進出口溫度分別為 ，則對數(shù)平均溫度和被加熱介質(zhì)的有效熱負荷Q計算式為：
 
加熱介質(zhì)換熱器換熱面積 的計算式為：

生產(chǎn)污水換熱器的換熱量和換熱面積可參考被加熱介質(zhì)用換熱器。根據(jù)兩種換熱器的熱力計算結(jié)果，即可確定熱泵機組的制熱量和機組數(shù)量，以及循環(huán)水泵的流量、揚程、配備功率等。

3、適用性分析
由于油田區(qū)域內(nèi)的許多用熱點位與含油污水水源點位各自相對獨立布局，其間的距離不同，同時各用熱點分散，熱負荷較小。根據(jù)各用熱點位的負荷、污水管線的投資、含油污水增壓泵的電耗等幾個方面來確定含油污水水源點位與用熱點位之間的合理距離，不同規(guī)模的熱泵機組泵體和含油污水回收應(yīng)用配管的投資初步預(yù)算。
生產(chǎn)污水回收應(yīng)用中，應(yīng)控制污水管道的投資，原則上不應(yīng)高于熱泵機組泵體的投資，污水增壓泵的電耗不應(yīng)高于熱泵機組電耗的 10%，為此確定不同規(guī)模的熱泵機組與含油污水熱源之間合理距離。
此外，油田生產(chǎn)污水機械雜質(zhì)含量和礦化度較高，對管道腐蝕嚴重。為避免油田采出污水對熱泵系統(tǒng)的腐蝕，通常在采出污水和熱泵機組之間需要應(yīng)用特制的耐腐蝕換熱器，采用清水作為中間介質(zhì)進行換熱。熱泵系統(tǒng)具體應(yīng)用于油田生產(chǎn)污水余熱回收和加熱原油時，還需考慮熱泵的工作范圍應(yīng)兼顧到含油污水溫度和加熱原油出口溫度約束，且在此工作范圍內(nèi)具有較高效率，與傳統(tǒng)燃氣燃油加熱爐相比具有較好的經(jīng)濟性，以及驅(qū)動源來源方便，能很好地適應(yīng)復(fù)雜多變的原油加熱工作環(huán)境，同時解決含油污水、原油在換熱過程中對設(shè)備的腐蝕、堵塞和結(jié)垢等問題。

4、小結(jié)
本文開展的油田生產(chǎn)污水低品位熱能的回收方案探討，可利用熱泵技術(shù)合理利用生產(chǎn)污水中的低溫熱能，能夠滿足油田公寓取暖、管道伴熱和原油換熱等方面需要。在實際應(yīng)用中經(jīng)過不斷創(chuàng)新、突破、完善，可推進污水余熱資源回收再利用的發(fā)展，提高余熱利用的綜合經(jīng)濟效益，為油田污水處理提供了一條新途徑，為探索可再生能源拓展了新的空間，其發(fā)展?jié)摿�巨大�?BR>
作者：張景山，鄧雄，建敏， 藏薇， 隋志成