人口、糧食、能源和環(huán)境問(wèn)題均是當(dāng)今世界面臨的重大問(wèn)題,人口增長(zhǎng)導(dǎo)致對(duì)能源需求量增大,使得能源供應(yīng)緊張狀況愈加惡化,節(jié)能技術(shù)成為緩解能源緊張局面的重要手段,得到世界范圍的普遍重視。在眾多的節(jié)能技術(shù)中,熱泵余熱回收技術(shù)以其運(yùn)行平穩(wěn)、操作方便并且高效節(jié)能和具有顯著經(jīng)濟(jì)效益的特點(diǎn)引人注目，非常適合在余熱資源豐富的場(chǎng)所應(yīng)用。
一、油田用熱狀況及余熱資源分析
在油田生產(chǎn)過(guò)程中一方面需要消耗大量的能源。首先，油田在從產(chǎn)出到成為成品原油輸出系統(tǒng)的過(guò)程中,原油的脫水和外輸都需要加熱，有向井口提供熱水、對(duì)油水混合液加熱、對(duì)成品原油加熱等三種用熱需求。其次是稠油，稠油集輸工藝主要包括摻熱水、摻稀油和三管伴熱三種流程，相應(yīng)的加熱爐也分為稠油加熱爐、稀油加熱爐和熱水爐三類。由于其粘度較高，必須加熱降粘之后才可以外輸。另外,生產(chǎn)廠礦的宿舍、值班房間、泵房等的采暖用熱。
目前這些用熱需求基本是以天然氣和原油為燃料的水套加熱爐提供的,原油加熱的溫度范圍為40～70℃，這種形式的能量利用方式實(shí)際是采用燃燒高品位能源獲得低品位熱能，有用能效率較低。即使不考慮有用能效率的問(wèn)題，這種加熱爐的一次能源利用效率約為85%。 另一方面在油田生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量溫度較高的含油污水，我國(guó)油田每天含油污水日產(chǎn)量為 190 萬(wàn)方（來(lái)自 1998 年陸地油田統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)），海上油田每年含油污水排放4648萬(wàn)噸（2000年中國(guó)海洋環(huán)境質(zhì)量公報(bào)）。隨著油田的開發(fā)進(jìn)入中后期，油井的含油污水量越來(lái)越大，諸多的加熱過(guò)程需要耗費(fèi)大量的能量，我國(guó)油田含油污水的余熱回收潛力巨大，這就需要對(duì)油田生產(chǎn)節(jié)能深入研究，節(jié)約原油在集輸過(guò)程中的能耗，降低成本。 如上所述,由于石油生產(chǎn)系統(tǒng)存在大量的低溫余熱,同時(shí)又需要大量的溫度較低的用熱需求(溫度高于余熱溫度30- 40℃),吸收式熱泵余熱回收技術(shù),不僅適合于回收這種水平的低溫余熱,同時(shí)所提供的熱能適合于石油生產(chǎn)系統(tǒng)的用熱溫度要求,將吸收式熱泵應(yīng)用于石油生產(chǎn)系統(tǒng),在技術(shù)上是可行的,而且已經(jīng)在類似的系統(tǒng)中有實(shí)際應(yīng)用的案例。如勝利油田應(yīng)用吸收式熱泵回收油田生產(chǎn)系統(tǒng)余熱,用于住宅小區(qū)供暖和油田生產(chǎn)用熱，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
二、油田污水余熱利用市場(chǎng)情況分析
以勝利油田為例，油田的含油污水在夏季可以達(dá)到57℃，在冬季可以達(dá)到53℃，目前油田日產(chǎn)含油污水30萬(wàn)噸（12500t/h）。如果采用高溫?zé)岜脧闹刑崛?/span>5℃的熱量進(jìn)行回收，則可回收的能量為73000kW，考慮到熱泵輸出端的熱量，可達(dá)10萬(wàn)kW左右，相當(dāng)于10t/h原油全部燃燒的熱值。照此核算，相當(dāng)于每年87600噸原油的產(chǎn)能。如果利用熱泵將含油污水溫度下降20℃，達(dá)到30℃排放，則每年可以節(jié)約原油35萬(wàn)噸，相當(dāng)于勝利油田1%的原油產(chǎn)量。 2013年以來(lái)油田加快地?zé)嵊酂豳Y源開發(fā)利用步伐，推動(dòng)轉(zhuǎn)型發(fā)展，通過(guò)“項(xiàng)目帶動(dòng)、示范引領(lǐng)”，促進(jìn)油田地?zé)嵊酂豳Y源開發(fā)利用。勝利油田具有污水余熱資源開發(fā)價(jià)值的聯(lián)合站有57個(gè)，市場(chǎng)規(guī)模六到十億元左右市場(chǎng)，項(xiàng)目投資回收期九年左右（含財(cái)務(wù)成本和折舊后的估算，具體回收期有待進(jìn)一步落實(shí)）。目前已經(jīng)建設(shè)了聚園小區(qū)地源熱泵冷熱聯(lián)供代油供暖、臨盤宏祥小區(qū)深井地?zé)峁┡、魯勝集油站污水余熱利用等八個(gè)項(xiàng)目，累計(jì)實(shí)現(xiàn)新增和替代供暖(制冷)面積67.82萬(wàn)平方米，代油5978噸，節(jié)約標(biāo)煤1.96萬(wàn)噸，減排二氧化碳4.94萬(wàn)噸。在加快推進(jìn)項(xiàng)目建設(shè)的同時(shí)，地?zé)嵊酂豳Y源開發(fā)項(xiàng)目部通過(guò)總結(jié)近兩年項(xiàng)目推進(jìn)經(jīng)驗(yàn)、梳理項(xiàng)目運(yùn)作程序，在凝聚油田各部門、單位意見建議的基礎(chǔ)上，制定了《勝利石油管理局 勝利油田分公司地?zé)嵊酂豳Y源開發(fā)利用項(xiàng)目管理辦法》，于今年7月22日以勝油局發(fā)【2015】95號(hào)文件下發(fā)。
三、油田污水余熱利用相關(guān)政策
為進(jìn)一步推廣地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用，財(cái)政部與住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合發(fā)文，關(guān)于印發(fā)《可再生能源建筑應(yīng)用專項(xiàng)資金管理暫行辦法》的通知（財(cái)建[2006]460號(hào)），要求對(duì)地源熱泵應(yīng)用工程提供資金補(bǔ)貼。文件規(guī)定，財(cái)建[2006]460號(hào)第二條：本辦法所稱“可再生能源建筑應(yīng)用”是指利用太陽(yáng)能、淺層地能、污水余熱、風(fēng)能、生物質(zhì)能等對(duì)建筑進(jìn)行采暖制冷、熱水供應(yīng)、供電照明和炊事用能等。第十三條（三）財(cái)政部、建設(shè)部綜合考慮不同氣候區(qū)域及技術(shù)應(yīng)用水平差別等，在補(bǔ)貼額度中給予上下10％的浮動(dòng)。（四）對(duì)可再生能源建筑應(yīng)用共性關(guān)鍵技術(shù)集成及示范推廣，能效檢測(cè)、標(biāo)識(shí)，技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證及完善等項(xiàng)目，根據(jù)經(jīng)批準(zhǔn)的項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)金額給予全額補(bǔ)助。 目前北京、河北、山東、山西等省市對(duì)地源熱泵技術(shù)已有明確的優(yōu)惠政策，包括節(jié)能投資項(xiàng)目實(shí)行無(wú)償補(bǔ)助、按投資規(guī)模給予資助、按節(jié)能效果給予獎(jiǎng)勵(lì)等。天津、廣東、南京、長(zhǎng)沙等省市還設(shè)立了節(jié)能專項(xiàng)資金。其中北京早在2006年就對(duì)應(yīng)用地源熱泵技術(shù)項(xiàng)目進(jìn)行了財(cái)政補(bǔ)貼，凡選用地源熱泵的項(xiàng)目，可獲得每平方米50元的補(bǔ)助。
四、油田污水余熱利用方案
泵與熱源之間、熱泵與用戶之間分別設(shè)臵清水循環(huán),將熱源的熱能引入熱泵,并將熱泵供出的熱量引到熱用戶。該方案在供熱量、溫度、介質(zhì)性質(zhì)等方面都適合油田生產(chǎn)的實(shí)際情況,因此在原理上是可行的。
五、油田污水余熱利用技術(shù)路線與原理
（一）污水余熱利用技術(shù)路線
1、對(duì)于高溫污水，采用高效熱交換技術(shù)，直接將熱量交換給混合液；
2、對(duì)于低溫污水，采用熱泵技術(shù)回收其余熱，制取高溫?zé)崴偻ㄟ^(guò)換熱器將熱量交換給混合液。
圖二：高溫污水換熱器剖面圖 圖三：高溫污水換熱裝臵圖
（二）污水余熱利用技術(shù)原理
1、高溫污水直接換熱
外輸高溫污水溫度達(dá)80℃，將這部分高溫污水引入污水換熱器，利用熱傳導(dǎo)原理與分水后的油水混合液進(jìn)行換熱， 換熱后高溫污水溫度降低到55℃用于摻水，被換熱的油水混合液得以吸熱初步升溫至56℃。
2、低溫污水余熱回收
通過(guò)使用溴化鋰吸收式熱泵技術(shù)，將外輸?shù)蜏匚鬯械挠酂崽崛〕鰜?lái)，制取90℃的熱水對(duì)混合液進(jìn)行加熱。
六、熱泵供熱方案經(jīng)濟(jì)效益測(cè)算
熱泵供熱的目的在于獲得節(jié)能效益,進(jìn)而獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益, 因而對(duì)熱泵供熱方案的評(píng)價(jià)應(yīng)包括兩個(gè)方面,即一是節(jié)能效益評(píng)價(jià), 二是經(jīng)濟(jì)效益測(cè)算。
( 1) 節(jié)能效益評(píng)價(jià)
按油田生產(chǎn)實(shí)際情況,油田原來(lái)配備的加熱爐、鍋爐的運(yùn)行效率按70%計(jì)算, 吸收式熱泵的性能與熱泵的工況有關(guān), 具體可參考文獻(xiàn)。對(duì)于上述方案, 熱泵的供熱系數(shù)可以達(dá)到 1.7, 即: COP=（QX+QL）/QZ = 1.7 式中 QX工作流體在吸收器內(nèi)吸收的熱量; QL工作流體在冷凝器內(nèi)吸收的熱量; QZ 再生器消耗的熱量, 對(duì)于直燃型吸收式熱泵QZ=ηz×Qr ηz再生器效率,一般可達(dá)92% 以上;
QZ 供給熱泵的天然氣總發(fā)熱量;提供等量熱能時(shí),加熱爐的燃料消耗量與熱泵的燃料消耗量差即為節(jié)能效益。即: 用加熱爐供熱:提供1MW 熱量需要消耗的天然氣( 折合發(fā)熱量)為:1/0.7 = 1.43( MW) 用吸收式熱泵供熱, 提供等量熱量(1MW) 時(shí), 需要消耗天然氣(折合發(fā)熱量)為: 1/ ( 1.7×0.92) = 0.64( MW) 節(jié)能率為: ( 1.43 - 0.64) / 1.43 = 55.2% 由此可見,與傳統(tǒng)的加熱爐供熱相比,利用吸收式熱泵供熱可以獲得55.2%的節(jié)能效益,也就是說(shuō)可以節(jié)約1半以上的天然氣消耗,節(jié)能效益十分明顯。
( 2) 經(jīng)濟(jì)效益測(cè)算 由于吸收式熱泵與傳統(tǒng)的加熱爐消耗的能源都是天然氣,燃料種類相同,如果視節(jié)約的燃料費(fèi)用為經(jīng)濟(jì)效益,那么,節(jié)能效益與經(jīng)濟(jì)效益是統(tǒng)一的,即可節(jié)約一半以上的燃料費(fèi)用。如果二者消耗的燃料種類不同,節(jié)能效益與經(jīng)濟(jì)效益將出現(xiàn)偏差，實(shí)際中應(yīng)根據(jù)原有的供熱系統(tǒng)情況區(qū)別對(duì)待。在討論經(jīng)濟(jì)效益時(shí),需要考慮設(shè)備投資,經(jīng)調(diào)研證明,吸收式熱泵投資比加熱爐投資要高得多,這是采用吸收式熱泵的不利之處。
通過(guò)對(duì)油田污水熱源和用熱要求的調(diào)查分析,油田污水余熱利用節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益明顯，項(xiàng)目可行，具體得到以下結(jié)論：
（一）油田存在大量溫度為40℃左右的低溫污水余熱, 該余熱的回收對(duì)油田生產(chǎn)過(guò)程沒(méi)有不利影響,是優(yōu)質(zhì)、可回收的低溫余熱資源；
（二）油田生產(chǎn)過(guò)程需要大量的溫度為70-80℃的熱水,該熱水主要用于生產(chǎn)拌熱、含水原油處理過(guò)程、原油外輸加熱及廠礦建筑采暖,這一溫度水平的熱能正適合用吸收式熱泵提供, 即油田生產(chǎn)企業(yè)是應(yīng)用吸收式熱泵技術(shù)的理想場(chǎng)所；
（三）設(shè)計(jì)了原油生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)用吸收式熱泵供熱的綜合方案,該方案可以全面滿足油田生產(chǎn)系統(tǒng)的用熱需求,也可以根據(jù)具體情況,有選擇地減少供熱項(xiàng)目,可以選擇一兩項(xiàng)加熱功能進(jìn)行試驗(yàn)；
（四）對(duì)所設(shè)計(jì)的吸收式熱泵供熱方案的節(jié)能效益、經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了計(jì)算分析,結(jié)果證明,與傳統(tǒng)的加熱爐供熱相比,吸收式熱泵供熱方案可以獲得50%以上的節(jié)能效益。
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