稠油熱采含油污水余熱利用技術(shù)研究

沈全平，蔣斌

（中石油新疆油田分公司重油開(kāi)發(fā)公司，新疆 克拉瑪依834000）

隨著重油開(kāi)發(fā)公司稠油開(kāi)采的深入，開(kāi)采方式已逐漸從蒸汽吞吐轉(zhuǎn)向蒸汽驅(qū)油。進(jìn)入油田開(kāi)采中后期后，蒸汽量需求大增；而公司全年保溫用汽高達(dá)80×104m3，約占公司產(chǎn)汽量的8%。為提高冬季采暖的經(jīng)濟(jì)性與安全性，公司先后開(kāi)展了直混式蒸汽自動(dòng)相變摻熱加熱、超導(dǎo)液采暖散熱、熱泵余熱利用、高溫采出液余熱利用等一系列研究。

目前，公司主力區(qū)塊主要采用蒸汽驅(qū)油開(kāi)采，即供汽站將高溫過(guò)熱蒸汽注入地層，提升油層溫度，使稠油黏度降低，從而將稠油采出。采出液輸送至計(jì)量間后進(jìn)入大罐，泵送至集輸站進(jìn)行沉降脫水，脫出污水輸送至污水處理站處理，水質(zhì)達(dá)標(biāo)后外排、回注地層或作為鍋爐回用水，已形成一個(gè)封閉的循環(huán)。

采出液在此循環(huán)中流經(jīng)計(jì)量站→集輸處理站→污水處理站。新疆冬季平均溫度低，為確保正常生產(chǎn)，稠油熱采站區(qū)以前大都采用高溫高壓蒸汽經(jīng)兩級(jí)減壓后進(jìn)入供暖系統(tǒng)保溫。由于這種供暖方式存在熱能利用率低、運(yùn)行管理工作量大、暖氣溫度高易燙傷等缺點(diǎn)，自2008年起，公司對(duì)稠油保溫工藝調(diào)研，針對(duì)稠油熱采的特點(diǎn)，優(yōu)選出適合稠油熱采的采出液余熱保溫、污水換熱保溫及超高溫?zé)岜媒M保溫等技術(shù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)到穩(wěn)定運(yùn)行，為新疆油田稠油熱采冬季保溫提供了相對(duì)高效、安全的工藝。

1 關(guān)鍵技術(shù)

由于稠油開(kāi)采地層淺，稠油在開(kāi)采過(guò)程中主要采用蒸汽熱力開(kāi)采，通常油井采出液溫度較高，最高可達(dá)110℃，蘊(yùn)含較高的熱能。根據(jù)計(jì)量站實(shí)際的保溫需求，重新設(shè)計(jì)采暖系統(tǒng)以回收采出液余熱，實(shí)現(xiàn)冬季保溫。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明采出液余熱保溫可替代蒸汽采暖，降低非生產(chǎn)蒸汽損耗，節(jié)約開(kāi)采成本。

考慮到稠油采出液攜沙量高，管線磨損大，需重新設(shè)計(jì)計(jì)量站采暖工藝。油井來(lái)液進(jìn)罐管線延伸至值班室，經(jīng)散熱器后再進(jìn)罐，形成回流；熱量通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流及輻射3種傳熱方式加熱房間空氣，實(shí)現(xiàn)冬季保溫。同時(shí)保留蒸汽供暖系統(tǒng)，當(dāng)采出液溫度無(wú)法滿足計(jì)量站保溫需求時(shí)，可直接切換為蒸汽采暖，方便溫度的靈活調(diào)節(jié)。

1.1 軟水蒸汽相變摻熱技術(shù)

目前，管式換熱器和板式換熱器是國(guó)內(nèi)蒸汽采暖用的最主要換熱器。這2種都為表面式換熱器，易受水垢影響，嚴(yán)重時(shí)甚至影響到系統(tǒng)的正常運(yùn)行。為保證采暖系統(tǒng)高效、穩(wěn)定，根據(jù)稠油污水工藝優(yōu)選出直混式蒸汽自動(dòng)相變摻熱加熱技術(shù)，使軟化污水給站區(qū)供暖。

該換熱方式是將蒸汽通過(guò)混合消音式加熱器摻入加熱罐中冷凝，蒸汽與水直接快速熱交換，升溫后的熱水給站區(qū)供暖。使用這種換熱方式，即使蒸汽壓力較低時(shí)也能正常工作。蒸汽壓力波動(dòng)較大時(shí)，無(wú)需進(jìn)行調(diào)整，可避免跑冒滴漏現(xiàn)象，并能解決結(jié)垢與冷凝水回收問(wèn)題，有效提高換熱效率。

1.2 高溫污水換熱保溫技術(shù)

高溫污水換熱保溫是針對(duì)六九區(qū)稠油采出水溫度高，可達(dá)到冬季供暖要求而使用的。考慮到六九區(qū)污水含硫高，如直接進(jìn)入采暖系統(tǒng)，存在一定安全隱患。通過(guò)研究試驗(yàn)后選取了換熱器方案，以實(shí)現(xiàn)污水中的熱能利用。目前，國(guó)內(nèi)主要采用的有板式換熱器、殼管式換熱器、污水換熱器。

以六九區(qū)污水站為例，熱源采用含油污水處理回用系統(tǒng)的凈化污水，供熱系統(tǒng)循環(huán)水仍采用清水。熱源水從污水處理16＃站2000 m3凈化水罐反沖洗水管線引出接至站區(qū)換熱站內(nèi)與采暖回水換熱，經(jīng)換熱后的采暖水送至站區(qū)各建筑物采暖系統(tǒng)，采暖熱媒介質(zhì)溫度按65～55℃考慮，換熱后污水進(jìn)入2000 m3凈化水罐。

高溫污水換熱采暖屬于間接采暖方式，避免了含硫污水進(jìn)入采暖間，提高了采暖系統(tǒng)的安全性，而換熱后的熱網(wǎng)循環(huán)水溫度低于熱源污水溫度，則需要熱源污水溫度達(dá)往往較高，其局限性較大。

1.3 熱泵機(jī)組保溫技術(shù)

污水源熱泵技術(shù)是指利用污水熱源，通過(guò)少量電能輸入，采用熱泵原理，實(shí)現(xiàn)低溫位熱能向高溫位熱能轉(zhuǎn)移的技術(shù)。該技術(shù)比較成熟，國(guó)內(nèi)外工程實(shí)例很多。水源熱泵按實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移的方法可分為壓縮式熱泵和吸收式熱泵。

克淺十井區(qū)在稠油處理時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量中溫含油污水，經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后排放，其溫度在50～60℃之間，屬低品位熱能并且熱量較大。重油開(kāi)發(fā)公司克淺十污水處理站為節(jié)約能耗，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后，選用了壓縮式熱泵進(jìn)行站區(qū)保溫，目前運(yùn)行效果良好。

壓縮式熱泵按照逆卡諾循環(huán)工作，其工作原理與制冷機(jī)相同，所不同的只是工作溫度范圍不一樣。它是一種熱量提升裝置，作用是從周?chē)h(huán)境中吸取熱量，并把它傳遞給被加熱的對(duì)象（溫度較高的物體），因而可以把熱量從低溫抽吸到高溫。壓縮式熱泵在工作時(shí)，本身消耗一部分能量（電能），把環(huán)境介質(zhì)中貯存的能量加以挖掘，通過(guò)傳熱工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)提高溫度進(jìn)行利用，而整個(gè)熱泵裝置所消耗的功僅為輸出功中的一小部分。因此，采用熱泵技術(shù)可以節(jié)約大量高品位能源。

壓縮式熱泵系統(tǒng)分為3個(gè)能量變化過(guò)程：一是從低溫?zé)嵩粗形崃浚欢菬崃哭D(zhuǎn)換；三是向末端用戶釋放熱量。一般壓縮式熱泵由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)，冷凝器和膨脹閥等組成，以電為驅(qū)動(dòng)能量。在運(yùn)行中，蒸發(fā)器從周?chē)h(huán)境中吸取熱量以蒸發(fā)傳熱工質(zhì)，工質(zhì)蒸汽經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后溫度和壓力上升，高溫蒸氣通過(guò)冷凝器冷凝成液體時(shí)，釋放出的熱量傳遞給了末端用戶（以熱水形式）。冷凝后的傳熱工質(zhì)通過(guò)膨脹閥返回到蒸發(fā)器，然后再被蒸發(fā)，如此循環(huán)往復(fù)。

熱泵的性能一般用制冷系數(shù)（COP）來(lái)評(píng)價(jià)，其定義為由低溫物體傳到高溫物體的熱量與所需的動(dòng)力之比。壓縮式熱泵的COP一般在4左右，即輸入1k W電能時(shí)，末端系統(tǒng)可得到的熱量是4k W。根據(jù)熱泵機(jī)組輸出熱水溫度的不同，可分為以下3種類型：①中溫型熱泵，出水溫度＜50℃；②高溫型熱泵，出水溫度50～65℃；③超高溫型熱泵，出水溫度70～80℃。從目前技術(shù)發(fā)展看，中、高溫型壓縮式熱泵（輸出熱水溫度≤65℃）COP值較高，機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性好；超高溫型熱泵的COP值有一定下降，經(jīng)濟(jì)性差一些。

2 技術(shù)條件

在采油的工作流程中，考慮到各環(huán)節(jié)液體組分差異大、地質(zhì)條件不一、溫度逐漸遞減以及供暖需求差異大，根據(jù)不同條件選取合適的余熱保溫技術(shù)十分必要。

2.1 水質(zhì)條件

1）采出液余熱保溫水質(zhì)要求 重油開(kāi)發(fā)公司各區(qū)塊地質(zhì)條件差異大，采出液組分差異大。六九區(qū)稠油黏度為2000～3500000 mPa·s，原油密度為0.92～0.98g／c m3，采出液平均含水87%，H2S含量較低。油田注蒸汽熱采出砂嚴(yán)重，造成采出液含沙量大，如直接使用蒸汽對(duì)流散熱器會(huì)造成管線沙堵，維護(hù)頻繁。而克淺井區(qū)采出液H2S含量高，管線走向復(fù)雜易產(chǎn)生腐蝕電位，造成管線穿孔。因此，需重新設(shè)計(jì)油暖回用管線，使布局簡(jiǎn)單實(shí)用，避免沙堵與腐蝕現(xiàn)象。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后設(shè)計(jì)了鋼制熱油節(jié)能散熱器。散熱器采用D76mm×5mm無(wú)縫鋼管、?220mm的180°高壓彎頭及原油管線焊接而成，管線走向簡(jiǎn)單，并在鋼管上加裝沖壓成型的鋼串片增加換熱效果。鋼制熱油節(jié)能散熱器具有承壓能力高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和安全系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，可適應(yīng)各種組分、各種溫度的采出液，應(yīng)對(duì)苛刻的高磨損、高腐蝕性環(huán)境。采出液通過(guò)油井自壓進(jìn)入計(jì)量間集油管線，散熱器從集油管線引流通過(guò)值班室進(jìn)入大罐，形成一個(gè)封閉循環(huán)。

2）其他余熱保溫技術(shù)的水質(zhì)要求 蒸汽相變摻熱、換熱器換熱和熱泵機(jī)組都屬于采用間接傳熱供暖，保溫系統(tǒng)依然沿用蒸汽供暖管線和蒸汽散熱器。因此，采暖循環(huán)水的水質(zhì)要求較高（見(jiàn)表1）。

表1 供暖保溫水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

蒸汽相變換熱采用純凈的高干度蒸汽直接與軟化水進(jìn)行換熱，軟化水水質(zhì)幾乎不受蒸汽影響，對(duì)于設(shè)備的腐蝕與損耗可忽略不計(jì)。換熱器與熱泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)設(shè)備與污水直接接觸，污水循環(huán)管段需針對(duì)工業(yè)廢水特點(diǎn)研制，通過(guò)在流道結(jié)構(gòu)和管材內(nèi)表面添加防腐層、加裝陰極保護(hù)等一系列措施，以適應(yīng)油田污水高硬度、高腐蝕性的特點(diǎn)。水源熱泵機(jī)組水質(zhì)要求如表2所示。

表2 水源熱泵機(jī)組應(yīng)用的水質(zhì)條件

2.2 采暖熱負(fù)荷與熱源水溫要求

由于各采油作業(yè)區(qū)及站區(qū)采暖面積差異大，熱負(fù)荷差異大，而且熱源水溫受地質(zhì)原因和管線溫降影響，因此冬季供暖需選取合適的余熱保溫方案。作業(yè)區(qū)房屋的熱量損失依照圍護(hù)穩(wěn)定傳熱公式和冷風(fēng)滲透公式進(jìn)行計(jì)算。折算室內(nèi)采暖溫度18℃，通過(guò)公式，配以適當(dāng)?shù)男拚禂?shù)，可得克拉瑪依房屋冬季采暖平均指數(shù)約為100 W／m2。

1）采出液余熱保溫的溫度要求 采出液余熱采暖技術(shù)采取原油管線加裝熱油節(jié)能換熱器對(duì)計(jì)量站保溫，計(jì)量站采暖面積約為80 m2。根據(jù)采暖指標(biāo)及散熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算，當(dāng)采出液量較大，原油管線滿管時(shí)，室內(nèi)溫度分別取18、23℃，外界溫度分別為－9.8、－20、－30℃時(shí)，其冬季保溫來(lái)液最低溫度分別為61.8、64.75、68.08℃和70.6、73.5、76.3℃。

2012年冬季，對(duì)克拉瑪依淺層稠油六九區(qū)602＃、604＃、606＃、607＃、612＃這5個(gè)計(jì)量站進(jìn)行了采出液采暖工藝改造，當(dāng)室外溫度為－10、－20、－30℃時(shí)，對(duì)采出液采暖系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集。從現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)可知，5個(gè)計(jì)量站改為采出液采暖工藝后，當(dāng)室外溫度分別為－10、－20、－30℃時(shí)，采出液溫度分別在65、68、77℃以上，能滿足計(jì)量站的采暖要求。油暖回用熱效率較低，沿程溫降較大，只能適用于計(jì)量站保溫，并對(duì)采出液溫度有較高要求。

2）軟水相變摻熱的溫度要求 軟水相變摻熱技術(shù)是將蒸汽直接加入儲(chǔ)水罐進(jìn)行加熱升溫，儲(chǔ)水罐中為處理后的軟化污水。換熱過(guò)程為高干度蒸汽與污水進(jìn)行一次換熱，蒸汽相變釋放大量熱能，相變后產(chǎn)生的凝結(jié)水直接混入儲(chǔ)水罐中，與軟化水進(jìn)行二次換熱，加熱效率極高。

2007年，重油開(kāi)發(fā)公司在供熱15＃站進(jìn)行了蒸汽摻熱技術(shù)試驗(yàn)，并由西北節(jié)能測(cè)試中心對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，采用蒸汽摻熱技術(shù)相比蒸汽保溫節(jié)約蒸汽72%。由于采用高干度蒸汽加熱儲(chǔ)水罐中污水，污水安全溫度應(yīng)低于80℃，摻熱過(guò)程采用溫度變送器跟蹤，及時(shí)對(duì)蒸汽流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以防止出現(xiàn)污水汽化影響供暖循環(huán)泵正常工作。

3）污水換熱技術(shù)溫度要求 污水換熱與熱泵機(jī)組都采用換熱器對(duì)熱源水進(jìn)行熱量吸收，對(duì)于熱源水溫有不同要求。根據(jù)傳熱學(xué)基本定律，熱量總是從高溫物體傳向低溫物體。油田污水采用寬流道式換熱器能大大提高傳熱效率，使熱源水與熱媒介盡可能減小溫差，提高熱量傳遞效率。

污水換熱供暖熱源水溫應(yīng)根據(jù)站區(qū)熱負(fù)荷、散熱器的熱效率、換熱器的熱傳遞效果、熱源流量以及沿程溫降綜合選擇。目前，重油開(kāi)發(fā)公司六九區(qū)污水站采用寬流道式換熱器進(jìn)行冬季余熱保溫，站區(qū)采暖面積為3214 m2，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷約345k W，部分房間改裝強(qiáng)制對(duì)流散熱器，提高制暖效率。從運(yùn)行的數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，污水換熱后溫差在15℃左右，供暖水換熱后溫差在5℃左右，室外溫度最低為－27℃，室內(nèi)溫度在24～26℃，當(dāng)污水源溫度達(dá)70℃以上時(shí)，能滿足處理站冬季采暖的要求。

4）熱泵機(jī)組保溫技術(shù)的溫度要求 克淺十井區(qū)污水站稠油處理后的污水溫度為50～60℃，屬低品位熱能且熱量較大。站區(qū)最大采暖熱負(fù)荷為332.5k W，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后選用加熱功率為285k W熱泵機(jī)組2臺(tái)。當(dāng)環(huán)境溫度不太冷時(shí)，采用單機(jī)組運(yùn)行；若環(huán)境溫度較低時(shí)，采用雙機(jī)組運(yùn)行。熱泵系統(tǒng)溫度要求如表3所示。

表3 熱泵系統(tǒng)溫度設(shè)定

熱泵機(jī)組對(duì)熱源水溫適應(yīng)性強(qiáng)，可針對(duì)熱源溫度變化靈活調(diào)節(jié)供暖水溫度，對(duì)蒸汽無(wú)依賴性，COP值可達(dá)3.8以上，實(shí)現(xiàn)電能與熱能的高效轉(zhuǎn)換。

3 技術(shù)評(píng)價(jià)

3.1 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

根據(jù)稠油站區(qū)采暖工藝及稠油生產(chǎn)各環(huán)節(jié)工藝特點(diǎn)，結(jié)合較成熟的采暖工藝技術(shù)，篩選出采出液余熱利用采暖技術(shù)、蒸汽相變摻熱技術(shù)、換熱器采暖技術(shù)和熱泵機(jī)組采暖技術(shù)，分別在采油計(jì)量站、供熱站、污水處理站進(jìn)行了試驗(yàn)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益（見(jiàn)表4）。

表4 綜合節(jié)能效益評(píng)價(jià)

3.2 安全性評(píng)價(jià)

采出液采暖保溫與蒸汽相變摻熱保溫分別使用油田采出液與污水處理站軟水作為供暖循環(huán)介質(zhì)，H2S氣體含量高，存在安全隱患，應(yīng)用條件限制較多，環(huán)境適應(yīng)性較差；換熱器采暖保溫與熱泵采暖保溫都是使用清水作為供暖循環(huán)介質(zhì)，安全，適用廣泛，使用年限長(zhǎng)（見(jiàn)表5）。

表5 各節(jié)能技術(shù)安全性評(píng)價(jià)

4 結(jié)論

1）采出液采暖散熱效率低，應(yīng)用局限性較大。為達(dá)到保暖要求，需保證供暖管線滿管運(yùn)行并且溫度達(dá)標(biāo)，存在一定安全隱患，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需根據(jù)油井采出液特性謹(jǐn)慎選擇。

2）換熱器采暖和熱泵采暖對(duì)蒸汽無(wú)依賴性，前者在各種余熱保溫技術(shù)中經(jīng)濟(jì)效益最高，但其對(duì)水溫有嚴(yán)格限制；后者可適用于有大量低品位余熱的站區(qū)。

3）熱泵機(jī)組自動(dòng)化程度相對(duì)較高，其適用性廣，可用于無(wú)蒸汽管線站區(qū)保溫，可大大降低鋪設(shè)高壓管線帶來(lái)的投資費(fèi)用。