郝現聯合站余熱技術的綜合應用

薛守梅 辛雪凝 趙建豪

（1.勝利油田分公司現河采油廠；2.山東科技大學）

綠色低碳已經被中國石化集團公司和勝利油田列為新的發展戰略，勝利油田是能源企業，也是耗能大戶。如何耗最少的能，采更多的油？圍繞注、采、輸、熱、電等主要耗能環節，油田持之以恒地開展優化治理工作，研究產量與能耗之間的關系，尋求投入產出最佳結合點，實現采出液量與消耗電量科學配置。積極采取有效措施，推進工藝技術改造和設備升級換代，著力構建節能減排長效機制，郝現聯合站在污水余熱利用方面就是一個節能減排的典型實例。

1 郝現聯合站余熱利用實施背景

1.1 郝現聯合站發展現狀

郝現聯合站投產于1987 年9 月，站區占地面積約8×104m2，擔負著郝現管理區、史127 管理區以及史南管理區采出液的處理、外輸任務，年處理液量600×104t、原油60×104t、污水500×104m3、外輸天然氣350×104m3、回注污水450×104m3，是現河采油廠處理規模最大、設備最齊全、工藝最復雜、自動化水平最高的油氣水集中處理站，為油田甲級安全要害單位[1]。

1.2 站內生產及用熱現狀

1.2.1 原油穩定加熱爐系統

郝現聯合站內原油穩定系統[2]于2002 年7 月投產使用，來液進站采用三相分離工藝，分離出稀油及污水，稀油量為1 400 t/d，含水量小于0.5%，溫度為40～45 ℃，稀油進脫水泵，經串聯的四組浮頭式換熱器與需降溫的稀油換熱升溫，再經過燃氣加熱爐升溫至110 ℃以上，進原油穩定裝置分離輕烴，然后再次進串聯的浮頭式換熱器與需升溫的稀油換熱降溫，以保證郝現聯原油外輸溫度為60～65 ℃，常年連續不間斷運行（每年約7～15 天裝置強制檢修及其他原因導致的的停產時間除外）（圖1）。目前采用燃氣加熱爐對站內原油穩定裝置來油進行加熱，冬季站區采暖依靠站內2 臺2 t 鍋爐產生蒸汽送至辦公室、生產崗位等用汽點，采暖面積共約1 100 m2，采暖周期平均120 天，生產及供暖合計日均耗氣量約3 200 m3。

圖1 郝現聯合站直熱式原油穩定工藝流程

1.2.2 站內耗能分析

稀油經過三相分離器后的液量為1 400 t/d，含水率為0.5%左右，將溫度從40 ℃加熱到110 ℃，稀油加熱負荷估算為2 394 kW。站區內采暖房間冬季采暖溫度均不得低于18 ℃，采暖負荷估算為139.8 kW。則所需總熱負荷2 533.8 kW。

郝現聯穩定直熱式加熱爐近三年的用氣量（表1），可看出加熱爐平均用氣3 089 m3/d，年耗氣量112.819×104m3，耗氣量大，成本高，碳排放量大。

表1 郝現聯直熱式加熱爐耗氣量

1.3 污水余熱利用分析

郝現聯聯合站油水分離后，還承擔著污水處理工作，日處理污水量9 283 m3，污水初始溫度為48 ℃，回注污水溫度一般為40℃左右，在污水處理過程中造成大量的熱能損失。若將污水的余熱通過熱泵提取利用，每提升1℃可獲得38.7×106kJ 的熱量，若整體提升溫度5～8 ℃，可相當于承擔加熱爐1/3 的工作量，每天可節約燃油成本近1/3，污水余熱將會得到最大限度的應用。在此背景下，現河采油廠集輸大隊組織實施了郝現聯合站污水余熱替代天然氣項目。本項目利用脫出的高溫污水作為熱源，替代常規的天燃氣加熱模式，實現節約天燃氣，減少二氧化碳排放，保護環境。

2 余熱技術在郝現聯合站的綜合利用

2.1 原油穩定熱泵+換熱器工藝流程

郝現聯合站余熱利用技術采用熱泵+換熱器組合工藝，分三級加熱[3]：一級加熱，通過高溫熱泵機組提取站內污水余熱，來加熱40 ℃低溫稀油；二級加熱，55 ℃低溫稀油與110 ℃高溫稀油通過螺旋板式換熱器[4]進行熱交換，分別由55 ℃升溫至95 ℃和由110 ℃降溫至67 ℃；三級加熱，通過蒸汽鍋爐產生高溫蒸汽，加熱95 ℃稀油至110 ℃，替代郝現聯合站原工藝流程中的浮頭換熱器和燃氣加熱爐（圖2）。

2.2 郝現聯合站余熱利用工藝及設備原理

目前郝現聯合站采用熱泵提溫技術，將污水余熱回收利用。熱泵是一種熱量提升裝置，熱泵的作用是從周圍環境中吸取熱量，并把它傳遞給被加熱的對象（溫度較高的物體），其工作原理與制冷機相同，都是按照逆卡諾循環工作的。熱泵在工作時，把環境介質中貯存的能量在蒸發器中加以吸收；它本身消耗一部分能量，即壓縮機耗電；通過工作介質循環系統在冷凝器中進行放熱，熱泵輸出的能量為壓縮機做的功和熱泵從環境中吸收的熱量之和；所以其制熱系數cop 值恒大于1。因此，采用熱泵技術可以節約大量的電能。它通過消耗少量動力(或溫度較高的熱能)把低溫熱能變成高溫熱能，從而使原本不能利用的低溫熱能得到回收利用。

根據逆循環所消耗能量形式的不同，熱泵可分為壓縮式熱泵和吸收式熱泵兩大類[5]。目前郝現聯合站余熱利用采用蒸汽壓縮式熱泵，污水在由壓縮機、冷凝器、節流裝置及蒸發器等部件組成的系統中進行循環，并通過工質的狀態變化及相變實現低品位熱能“泵”送至高品位的溫度區，性能系數一般為3～7。

圖2 郝現聯合站熱泵+換熱器式原油穩定工藝流程

板式換熱器的傳熱元件是板面，由于結構上的特點，使流體在較低的流速下能達到湍流狀態，從而強化了傳熱作用。板式換熱器結構緊湊，傳熱效率高，便于組裝和拆卸，清洗、除垢方便。管殼式換熱器雖然在傳熱效率、結構緊湊性、金屬消耗量等方面不及板面式換熱器，但是它具有結構堅固、操作彈性大、材料范圍廣、適應性強等自身獨特的優點。郝現聯余熱利用采用螺旋板式換熱器，原油穩定換熱采用管殼式換熱器[6-7]。

3 郝現聯余熱利用項目效益分析

3.1 各級換熱器實際換熱量分析

余熱站設計完成后于2017 年2 月投產運行，通過對污水換熱器、熱泵加熱換熱器等4 個節點進行流量、進出口溫度數據的采集分析，計算獲得實際總換熱量為2 805 kW（表2），大于聯合站所需換熱量2 533.8 kW，完全可以滿足聯合站熱負荷要求。

表2 各換熱器換熱量統計

3.2 效益分析

綜合考慮燃料消耗、水電費、人工成本、設備折舊等費用，余熱站投產后，年度節約天然氣39.4×104m3，相當于節約標煤121.6 t，減少碳排放230.5 t；按照連續運營15 年，年平均支付技術服務費約32 萬元考慮，項目運行后年節約成本36.5 萬元（表3）。可完全替代加熱爐、鍋爐，消除安全隱患，減少職工勞動強度。

表3 加熱爐項目與余熱站項目年度運行費用對比

4 結論

郝現聯合站余熱利用項目總投資400 萬元，年運行效益36.5 萬元，每年可實現節省天然氣39.4×104m3，經濟效益明顯，節能效果顯著，而且碳排放量的降低帶來了可觀的環保效益和良好的社會影響。污水余熱利用作為一種新型能源利用工藝，替代常規的燃氣加熱模式，可節能降耗，減少二氧化碳排放，節能和環保效益明顯。隨著國家經濟快速發展和對環境保護的重視，余熱利用作為一種綠色低碳戰略，具有良好的推廣前景。