油區(qū)余熱利用進展及規(guī)模推廣中的關(guān)鍵問題研究

楊震 徐婷 張亞飛 魏正學(xué) 曾博

（1.中國石油天然氣集團有限公司；2.中國石油集團工程服務(wù)有限公司工程建設(shè)分公司；3.中國石油勘探開發(fā)研究院）

余熱是指在已投運的工業(yè)企業(yè)耗能裝置中，受技術(shù)和理念等局限而在原始設(shè)計中未被合理充分利用的顯熱和潛熱。據(jù)統(tǒng)計，各行業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余熱資源約占能量總輸入的17%～67%，這些余熱資源的60%都可以回收利用[1-2]。

油氣生產(chǎn)工藝普遍能耗高，效率低，生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的余熱廢熱資源，若能將這些余熱資源科學(xué)合理利用，不僅能夠大幅度降低油氣生產(chǎn)過程中的燃氣、燃油消耗，還可以優(yōu)化簡化生產(chǎn)工藝流程，從而進一步提高企業(yè)經(jīng)濟效益，滿足國家大力提倡的綠色低碳工業(yè)發(fā)展要求。為加快推進油區(qū)余熱利用，有必要對油區(qū)余熱利用現(xiàn)狀進行梳理，并對規(guī)模推廣中的關(guān)鍵問題進行研究。

1 油田余熱資源分類

油田余熱資源主要包括污水余熱、煙氣余熱及冷卻水余熱，以中低溫為主貫穿于油氣生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)。

1.1 污水余熱（油田采出水余熱）

石油企業(yè)最豐富的余熱資源是油田采出污水余熱。油田采出污水是指油田二次采油階段為實現(xiàn)保持地層壓力和原油驅(qū)替而人工注入含油地層的水。這些水通常會被較高溫度的含油儲層加溫，再次被采出時成為溫度較高的熱水（55～80 ℃），經(jīng)過生產(chǎn)工藝處理后，溫度一般還保持在45～60 ℃，是非常有潛力的低溫余熱資源。據(jù)初步統(tǒng)計，僅中國石油主要油田年采出水就達到7.5×108t，采出水余熱資源量約在142×104t標(biāo)煤以上（表1）。

采出水余熱的資源基礎(chǔ)是含油氣盆地內(nèi)的地?zé)豳Y源，具有可再生性，油田生產(chǎn)不斷，采出水余熱資源就一直存在。這是由于在油氣勘探開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，含油氣沉積盆地往往“油”、“熱” 共生，油田即“熱田”[3]。我國主要油氣產(chǎn)區(qū)覆蓋了大部分地?zé)豳Y源豐富的盆地。據(jù)中國石油勘探開發(fā)研究院初步測算，僅中國石油探區(qū)主要盆地水熱型地?zé)豳Y源量約5 900×108t 標(biāo)煤，占全國水熱型地?zé)豳Y源總量的47.2%[4]。含油氣盆地內(nèi)的地?zé)豳Y源像充電寶一樣為油田采出水提供源源不斷的熱能。

1.2 煙氣余熱

1.2.1 壓縮機余熱

在天然氣生產(chǎn)工藝中，壓縮機主要用于集氣站和天然氣處理廠。主要作用是通過增壓將天然氣順利輸送至預(yù)定站場和處理廠，并且在滿足增壓外輸?shù)臈l件下，通過壓縮機的抽吸作用，起到降低井口壓力從而間接達到降低水合物形成風(fēng)險、降低管材成本的效果。靠燃氣驅(qū)動的壓縮機轉(zhuǎn)化效率僅為30%～40%。通過測試分析，燃燒后排煙溫度為370～400 ℃，產(chǎn)生的余熱約占輸入熱量的50%～70%。另外，經(jīng)天然氣壓縮機壓縮后的天然氣溫度一般會上升到80 ℃，根據(jù)工藝標(biāo)準(zhǔn)，需要將溫度重新冷卻至30 ℃。由此可見，在天然氣集輸過程中，余熱不僅沒有被合理利用，而且需要額外設(shè)計冷卻裝置處理余熱，使壓縮機和工藝流程處于最佳運行狀態(tài)。

表1 中國石油主要油區(qū)污水余熱資源量及特點

1.2.2 導(dǎo)熱油爐余熱

導(dǎo)熱油爐主要為天然氣處理廠的生產(chǎn)區(qū)域提供熱源，同時在冬季為廠區(qū)和站場提供采暖熱源，主要以天然氣為燃料，排煙溫度一般在150～350 ℃，是品位較好的余熱資源。如果合理回收利用，可以提升生產(chǎn)工藝系統(tǒng)的整體能源利用效率。

1.3 冷卻水余熱（注水電動機余熱）

油田二次采油階段為保持地層壓力和驅(qū)替原油需要進行人工注水，利用注水電動機增壓將處理過的水注入地層。注水過程中，注入壓力通常超過10 MPa，注水電動機消耗大量的電能，同時也產(chǎn)生大量的熱。電動機溫度升高后，工作效率大幅降低，甚至?xí)鹜１糜绊懽⑺Ч．?dāng)前工藝主要采用冷卻塔系統(tǒng)對注水電動機進行冷卻，但能耗大，冷卻效果不佳。這部分余熱資源若得到有效利用，不僅能將廢熱轉(zhuǎn)移到站場用熱環(huán)節(jié)實現(xiàn)節(jié)能降耗，而且可以為注水電動機降溫改善注水電動機的冷卻效果，從而提高注水站的綜合能源利用效率。

2 油區(qū)余熱利用工藝技術(shù)及應(yīng)用

2.1 熱交換利用工藝技術(shù)

熱交換利用技術(shù)是通過合適的換熱設(shè)備將余熱能量直接用于自身工藝的耗能環(huán)節(jié)，降低一次能源消耗，這是余熱資源利用最簡單、最直接、最高效、最經(jīng)濟的首選工藝。50 ℃以上的采出水余熱、壓縮機余熱、導(dǎo)熱油爐余熱等溫度較高的余熱資源都可以直接應(yīng)用于油氣生產(chǎn)工藝流程以及站場采暖等各個環(huán)節(jié)。直接利用工藝技術(shù)主要是選擇合適的換熱設(shè)備（板式換熱器、殼式換熱器及余熱鍋爐等），這些設(shè)備都在油氣田現(xiàn)場獲得了較好的應(yīng)用。

2.1.1 天然氣壓縮機余熱利用

2015年，新疆油田公司對天然氣壓縮機的余熱利用進行了探索，在陸梁集中處理站對2臺用于增壓外輸天然氣壓縮機（470 kW）開展了余熱利用先導(dǎo)性試驗。改造前，壓縮機運行每小時消耗天然氣量為96.8 m3，排煙溫度為370～400 ℃。余熱利用方案是在壓縮機煙道尾部設(shè)置余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽或熱水的方式回收利用，將每臺壓縮機煙道合并連接，使煙氣進入余熱鍋爐。煙氣在余熱鍋爐內(nèi)換熱后，將余熱產(chǎn)生的飽和蒸汽并入原處理工藝中由加熱爐產(chǎn)生蒸汽的蒸汽管網(wǎng)，用于全年的生產(chǎn)熱負荷和季節(jié)性采暖負荷。經(jīng)穩(wěn)定運行測試，煙氣排煙溫度降至50 ℃以下，壓縮機余熱回收率達到87%，同時降低了原處理工藝的加熱爐能耗，取得了較好的經(jīng)濟效益[5]。

2.1.2 導(dǎo)熱油爐煙氣余熱回收

導(dǎo)熱油爐由于應(yīng)用效果好被油氣田現(xiàn)場大規(guī)模使用，但燃氣消耗量較大，一般采取回收煙氣余熱用于油爐進氣提溫，進一步提高自身運行效率，達到節(jié)能降耗的目的。2017年，中石油長慶蘇里格氣田對天然氣處理廠導(dǎo)熱油爐余熱進行利用，將2臺2 kW 功率的導(dǎo)熱油爐使用空預(yù)器對煙氣余熱冷凝回收。余熱利用工藝是將回收的煙氣余熱直接用于預(yù)熱和提高空氣入爐溫度，提高輻射傳熱水平和受熱效率，并降低排煙溫度。余熱利用工藝使導(dǎo)熱油爐整體燃燒效率從75%上升到91%以上，同時節(jié)約了10%的天然氣消耗，節(jié)能效果顯著[6]。

2.2 余熱+熱泵工藝技術(shù)

余熱+熱泵技術(shù)是以低溫余熱資源為基礎(chǔ)，通過熱泵輸入少量高品位能源（電能或天然氣），將低溫余熱資源提升至工藝所需溫度加以利用，是當(dāng)前油田應(yīng)用最廣泛的工藝。

2.2.1 采出污水余熱+熱泵供暖

2009年，中石油大慶油田力神泵業(yè)利用低溫回注污水余熱+熱泵技術(shù)對燃油鍋爐進行改造，為公司所轄區(qū)域內(nèi)8.26×104m2建筑采暖，建設(shè)換熱泵房1座（內(nèi)設(shè)4臺2 765 kW高溫?zé)岜脵C組），替代原有燃油鍋爐房1座（內(nèi)設(shè)3臺6 t熱水鍋爐，1臺10 t熱水鍋爐）。余熱利用工藝是將臨近的注水站內(nèi)35 ℃含油污水作為低溫?zé)嵩矗鬯?jīng)換熱泵房將熱能交換給供熱端，并利用熱泵將溫度升至75 ℃，為轄區(qū)供暖。污水釋放熱能后溫度降低到20 ℃返回注水站。改造實施后，一直保持平穩(wěn)供熱，室內(nèi)平均溫度保持在20 ℃以上，不僅實現(xiàn)了采暖系統(tǒng)自動化（鍋爐房運維人數(shù)由原來的15 人降為2 人），而且降低了燃料消耗（改造前每年消耗3 426 t渣油，改造后每年電力消耗810×104kWh），全年綜合節(jié)能率達到70%，取得了良好的節(jié)能效果[7]。

2.2.2 熱泵利用采出水余熱替代加熱爐

2015 年，中石化勝利油田對原油處理量58×104t/a 的永一聯(lián)合站進行工藝改造。改造前聯(lián)合站內(nèi)的來液加熱、原油加熱和冬季采暖負荷均由天然氣加熱爐（4臺加熱爐+1臺水鍋爐）提供，總熱負荷6 050 kW，年消耗天然氣352×104m3，站內(nèi)污水處理量為1.45×104m3/d，溫度為40～45 ℃。利用熱泵技術(shù)建設(shè)1座污水余熱換熱站，通過換熱器提取污水余熱并利用熱泵將溫度提升至站內(nèi)用熱溫度55 ℃，替代站內(nèi)全部加熱爐。實施后，站內(nèi)原油加熱和冬季采暖負荷全部由污水余熱和熱泵提供，原加熱爐和鍋爐全部停運，完全替代了天然氣消耗，有效降低了油氣生產(chǎn)成本[8]。

2.2.3 熱泵利用注水電動機余熱為站場供暖

2002年，中石油大慶油田在采油二廠薩西注水站開展熱泵改造試驗，應(yīng)用水源熱泵技術(shù)，取消了原采暖鍋爐房及電動機冷卻塔系統(tǒng)。在注水過程中，熱泵系統(tǒng)將注水電動機余熱釋放到站內(nèi)污水池，起到為注水電動機冷卻的作用，冷卻效果好。在冬季，利用熱泵將污水池內(nèi)回收的余熱繼續(xù)加熱升溫至采暖溫度后為1 730 m2辦公場所供熱，停用原有的燃氣鍋爐供暖，每年節(jié)約天然氣18.6×104m3。熱泵工藝一機兩用，既能滿足注水電動機冷卻且平穩(wěn)運行，又能滿足站場供暖，同時降低員工勞動強度，減少冷卻塔及冬季供暖運行成本，取得較好的余熱利用效果[9]。

3 油區(qū)余熱利用規(guī)模推廣中的關(guān)鍵問題

3.1 油區(qū)余熱資源利用的必要性和緊迫性

隨著國民經(jīng)濟的快速增長，國內(nèi)油氣供求關(guān)系失衡，2018年我國原油對外依存度達到70.9%，天然氣對外依存度達到45.3%，油氣供應(yīng)日趨嚴(yán)峻。國家要求石油企業(yè)提升國內(nèi)油氣勘探開發(fā)力度，努力保障國家能源安全，滿足國內(nèi)油氣需求。同時，近年我國油氣資源劣質(zhì)化趨勢明顯，油氣開發(fā)成本消耗不斷增加，特別是北方地區(qū)，用熱需求量大，能耗高，僅中石油每年油氣生產(chǎn)過程中用于工藝和采暖的加熱鍋爐達到1 800 余臺、加熱爐達到19 000 臺，每年消耗的燃氣量在60×108m3以上，相當(dāng)于中型氣田1年的天然氣產(chǎn)量，是耗能大戶[10]。燃氣燃油自用消耗不僅減少了油氣商品量，而且對冬季天然氣保供也有一定的影響，同時也面臨著油氣生產(chǎn)成本控制的壓力。在油田企業(yè)推廣余熱利用，不僅可以通過節(jié)約能耗實現(xiàn)降本增效，而且可以保障油氣商品量供應(yīng)，滿足油氣日益增長需求。

3.2 受投資、企業(yè)考核標(biāo)準(zhǔn)和國家地方政策制約

3.2.1 投資壓力大

油田余熱利用主要是在現(xiàn)有生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上進行工藝改造，需要額外增加較大的設(shè)備投資。相對于其他行業(yè)，石油企業(yè)一方面要承擔(dān)大力提升國內(nèi)油氣勘探開發(fā)力度的重擔(dān)，另一方面還要確保油氣開發(fā)的投資效益，在余熱利用項目投資上不免出現(xiàn)資金不足的情況，特別是在一些投產(chǎn)時間不長的站場上很難實施工藝改造。在缺乏國家和地方政策支持的條件下，企業(yè)缺乏投資積極性。

3.2.2 企業(yè)缺乏政策引導(dǎo)

油氣生產(chǎn)企業(yè)對于余熱利用目前還停留在試驗理念上，僅僅依靠科研單位和節(jié)能部門在部分站場進行了小規(guī)模試驗。油氣田現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝流程中，余熱資源浪費現(xiàn)象仍然普遍存在，甚至新上的一些油氣生產(chǎn)項目的工藝流程優(yōu)化中也沒有考慮余熱資源的利用和回收。主要是由于目前還沒有形成油區(qū)余熱利用和回收制定科學(xué)的指導(dǎo)意見，也沒有適當(dāng)?shù)募钫吆秃侠淼陌l(fā)展規(guī)劃，難以推動余熱回收和利用在油氣生產(chǎn)工藝中大規(guī)模推廣和使用。

3.2.3 政策上缺乏國家和地方支持

政策支持對油田余熱利用項目影響重大。目前油田地?zé)嵊酂衢_發(fā)已納入地?zé)崮車摇笆濉币?guī)劃。當(dāng)前各地均出臺了對余熱利用項目的資金補貼政策，地方政府對熱源和一次管網(wǎng)的固定資產(chǎn)投資給予一定比例的資金補助。雖然一些地方政府積極推廣余熱利用，但地區(qū)發(fā)展不平衡、補貼不到位的現(xiàn)象依然存在，亟待政府相關(guān)部門制定一系列的優(yōu)惠政策，給予油氣田企業(yè)更大的傾斜，進一步鼓勵、引導(dǎo)和規(guī)范油氣田企業(yè)的余熱利用規(guī)模有序發(fā)展。

3.3 提高石油行業(yè)對余熱利用的認知程度

余熱利用在國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)展了幾十年，在我國石油企業(yè)應(yīng)用較晚。盡管目前一些油田的余熱利用已經(jīng)有了較多的應(yīng)用實例，在我國多家企業(yè)也開展了技術(shù)研究和工程實踐。但由于油田企業(yè)員工和相關(guān)部門管理者對油氣田余熱利用的認知程度不足，缺乏新的理念和意識，導(dǎo)致石油企業(yè)生產(chǎn)工藝設(shè)計單位一直沿用較早的生產(chǎn)集輸工藝設(shè)計理念和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來進行規(guī)劃設(shè)計，固化守舊的設(shè)計思路通常不能較好的利用余熱資源，并且還要花費更多的資金和更多設(shè)備投入來處理這些余熱。這些都嚴(yán)重制約了油區(qū)余熱利用的規(guī)模化推進。

4 發(fā)展思路與對策

4.1 做好政策引領(lǐng)

油氣生產(chǎn)企業(yè)要強化余熱利用意識，重視油氣生產(chǎn)過程中的余熱回收和利用。建議出臺促進余熱利用的相關(guān)指導(dǎo)意見，鼓勵油區(qū)在生產(chǎn)工藝條件適宜的站場大力發(fā)展余熱利用和回收，優(yōu)化現(xiàn)有能源利用效率低的生產(chǎn)工藝，明確要求新投產(chǎn)項目要充分考慮余熱資源的利用和回收。明確各級部門的責(zé)任主體單位，加強油區(qū)節(jié)能考核，制定有效的激勵政策和考核標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 科學(xué)合理制定規(guī)劃

加強余熱資源與利用潛力分析，對油區(qū)現(xiàn)有生產(chǎn)工藝的能耗水平和余熱廢熱可利用潛力進行摸底和評估，為余熱利用規(guī)模化推廣提供基礎(chǔ)保障。同時瞄準(zhǔn)高能耗、資源利用效率低的站場，制定科學(xué)合理的改造規(guī)劃，有序推進油區(qū)余熱利用規(guī)模快速發(fā)展。

4.3 爭取國家和地方資金支持

參照其他省市已出臺的支持性政策，向國家和企業(yè)所在地區(qū)政府申請余熱利用項目的資金支持，進一步降低企業(yè)的投融資壓力。

4.4 強化優(yōu)化設(shè)計理念

修訂完善《油區(qū)生產(chǎn)工藝項目節(jié)能管理辦法》、《油氣生產(chǎn)工藝項目節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范》等相關(guān)制度。明確要求新上項目，必須嚴(yán)格執(zhí)行從方案到設(shè)計階段充分考慮余熱能量的回收，并盡可能優(yōu)化到生產(chǎn)工藝中，充分利用油田現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)施，既要提高綜合能源利用效率、降低生產(chǎn)工藝能耗，又要最大限度地降低油氣生產(chǎn)項目建設(shè)運營投入，提升國有資產(chǎn)保值增值率，實現(xiàn)油氣生產(chǎn)達到較高的收益水平。

5 結(jié)論

油區(qū)余熱資源是一種可靠且極具潛力的寶貴資源。要緊緊抓住規(guī)模推廣中存在的關(guān)鍵問題，大力推進油氣生產(chǎn)過程中余熱資源的回收和利用。油氣生產(chǎn)企業(yè)要做好政策引領(lǐng)，盡快出臺指導(dǎo)意見，制定激勵政策；科學(xué)合理制定規(guī)劃，有序推進油區(qū)余熱利用規(guī)模快速發(fā)展；爭取國家和地方資金支持，進一步降低企業(yè)的投融資壓力；強化優(yōu)化設(shè)計理念，實現(xiàn)油氣生產(chǎn)達到較高的收益水平。