油田生產污水低品位熱能的回收方案探討

文_張景山 鄧雄 黃建敏 藏薇 隋志成

1.中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院；2.西南石油大學石油與天然氣工程學院

1 生產污水余熱資源分析

近年來，由于污水處理系統運行的需要，原水一般在聯合站和注水站之間調配，考慮生產污水處理和調運過程中的溫降，一般到達含油污水處理站溫度在40℃左右。含油污水原水經過普通處理站處理后，溫降不超過2℃，經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，如能將石油生產中的污水余熱資源充分利用，不僅可以降低原油生產能耗，而且可減少熱污染。生產污水的余熱按下式計算

式中，

按照設計提取污水溫差10℃計算，假設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關系，低溫含油污水水源的利用率最高按60%考慮，年節約天然氣約213×104m3，可替代約1569.18tce。

2 生產污水余熱回收方案

隨著油田進入開發后期，采出液中含水體積分數不斷攀升，較多油田已高達90%以上，經集中處理站脫水處理后的含油污水產量日益加大，而污水中又含有大量低品位余熱。這些生產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用水源熱泵技術，提取現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，或者作業區的生活供暖。

熱泵驅動源可用油田采油伴生氣，在伴生氣供應不足的情況下，可補充使用自產原油。熱泵系統通常由熱源污水換熱器、循環水泵、熱泵、加熱介質用換熱器、水箱、自控系統等組成，污水以及被加熱介質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而設計的水源熱泵系統分為壓縮式熱泵和吸收式熱泵兩大類，由于油田環境不同，設計形式也不盡相同。壓縮式熱泵機組要利用電能等高品位能量壓縮機驅動工質，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，即使節能效果很好的情況下，其經濟性也會因為使用條件的不同而有很大的不同。

熱泵系統設計選擇的主要內容包括熱源污水用換熱器、循環水泵、熱泵、加熱介質用換熱器的選擇等，關鍵問題是加熱介質用換熱器的形式選擇和原油對應換熱參數的確定。

（1）加熱介質用換熱器的具體結構

加熱介質通常為油井產出液，在換熱器中通過軟化水與之換熱。原油成分復雜，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。在換熱器結構上，不能選用板式或者螺旋板式換熱方式，否則易產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生堵塞。若管徑過大，由于原油導熱熱阻遠大于水，想要實現同等換熱負荷，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）原油側表面傳熱系數和污垢熱阻的確定

由于原油組成的不確定性，造成表面傳熱系數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，則管內原油側、管外軟化水側污垢熱阻可暫時略去不計。根據換熱器傳熱系數公式：

（3）被加熱介質換熱器換熱面積的確定

生產污水換熱器的換熱量和換熱面積可參考被加熱介質用換熱器。根據兩種換熱器的熱力計算結果，即可確定熱泵機組的制熱量和機組數量，以及循環水泵的流量、揚程、配備功率等。

3 適用性分析

由于油田區域內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，不同規模的熱泵機組泵體和含油污水回收應用配管的投資初步預算。

生產污水回收應用中，應控制污水管道的投資，原則上不應高于熱泵機組泵體的投資，污水增壓泵的電耗不應高于熱泵機組電耗的10%，為此確定不同規模的熱泵機組與含油污水熱源之間合理距離。

此外，油田生產污水機械雜質含量和礦化度較高，對管道腐蝕嚴重。為避免油田采出污水對熱泵系統的腐蝕，通常在采出污水和熱泵機組之間需要應用特制的耐腐蝕換熱器，采用清水作為中間介質進行換熱。熱泵系統具體應用于油田生產污水余熱回收和加熱原油時，還需考慮熱泵的工作范圍應兼顧到含油污水溫度和加熱原油出口溫度約束，且在此工作范圍內具有較高效率，與傳統燃氣燃油加熱爐相比具有較好的經濟性，以及驅動源來源方便，能很好地適應復雜多變的原油加熱工作環境，同時解決含油污水、原油在換熱過程中對設備的腐蝕、堵塞和結垢等問題。

4 小結

本文開展的油田生產污水低品位熱能的回收方案探討，可利用熱泵技術合理利用生產污水中的低溫熱能，能夠滿足油田公寓取暖、管道伴熱和原油換熱等方面需要。在實際應用中經過不斷創新、突破、完善，可推進污水余熱資源回收再利用的發展，提高余熱利用的綜合經濟效益，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，其發展潛力巨大。