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            余熱利用

            人口、糧食、能源和環境問題均是當今世界面臨的重大問題,人口增長導致對能源需求量增大,使得能源供應緊張狀況愈加惡化,節能技術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。在眾多的節能技術中,熱泵余熱回收技術以其運行平穩、操作方便并且高效節能和具有顯著經濟效益的特點引人注目,非常適合在余熱資源豐富的場所應用。

            一、油田用熱狀況及余熱資源分析 

            在油田生產過程中一方面需要消耗大量的能源。首先,油田在從產出到成為成品原油輸出系統的過程中,原油的脫水和外輸都需要加熱,有向井口提供熱水、對油水混合液加熱、對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4070℃,這種形式的能量利用方式實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過程中產生大量溫度較高的含油污水,我國油田每天含油污水日產量為 190 萬方(來自 1998 年陸地油田統計數據),海上油田每年含油污水排放4648萬噸(2000年中國海洋環境質量公報)。隨著油田的開發進入中后期,油井的含油污水量越來越大,諸多的加熱過程需要耗費大量的能量,我國油田含油污水的余熱回收潛力巨大,這就需要對油田生產節能深入研究,節約原油在集輸過程中的能耗,降低成本。  如上所述,由于石油生產系統存在大量的低溫余熱,同時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,不僅適合于回收這種水平的低溫余熱,同時所提供的熱能適合于石油生產系統的用熱溫度要求,將吸收式熱泵應用于石油生產系統,在技術上是可行的,而且已經在類似的系統中有實際應用的案例。如勝利油田應用吸收式熱泵回收油田生產系統余熱,用于住宅小區供暖和油田生產用熱,取得了良好的經濟效益和社會效益。

            二、油田污水余熱利用市場情況分析

                以勝利油田為例,油田的含油污水在夏季可以達到57℃,在冬季可以達到53℃,目前油田日產含油污水30萬噸(12500t/h)。如果采用高溫熱泵從中提取5℃的熱量進行回收,則可回收的能量為73000kW,考慮到熱泵輸出端的熱量,可達10kW左右,相當于10t/h原油全部燃燒的熱值。照此核算,相當于每年87600噸原油的產能。如果利用熱泵將含油污水溫度下降20℃,達到30℃排放,則每年可以節約原油35萬噸,相當于勝利油田1%的原油產量。  2013年以來油田加快地熱余熱資源開發利用步伐,推動轉型發展,通過“項目帶動、示范引領”,促進油田地熱余熱資源開發利用。勝利油田具有污水余熱資源開發價值的聯合站有57個,市場規模六到十億元左右市場,項目投資回收期九年左右(含財務成本和折舊后的估算,具體回收期有待進一步落實)。目前已經建設了聚園小區地源熱泵冷熱聯供代油供暖、臨盤宏祥小區深井地熱供暖、魯勝集油站污水余熱利用等八個項目,累計實現新增和替代供暖(制冷)面積67.82萬平方米,代油5978噸,節約標煤1.96萬噸,減排二氧化碳4.94萬噸。在加快推進項目建設的同時,地熱余熱資源開發項目部通過總結近兩年項目推進經驗、梳理項目運作程序,在凝聚油田各部門、單位意見建議的基礎上,制定了《勝利石油管理局 勝利油田分公司地熱余熱資源開發利用項目管理辦法》,于今年722日以勝油局發【201595號文件下發。

                三、油田污水余熱利用相關政策

            為進一步推廣地源熱泵技術的應用,財政部與住房和城鄉建設部聯合發文,關于印發《可再生能源建筑應用專項資金管理暫行辦法》的通知(財建[2006]460號),要求對地源熱泵應用工程提供資金補貼。文件規定,財建[2006]460號第二條:本辦法所稱“可再生能源建筑應用”是指利用太陽能、淺層地能、污水余熱、風能、生物質能等對建筑進行采暖制冷、熱水供應、供電照明和炊事用能等。第十三條(三)財政部、建設部綜合考慮不同氣候區域及技術應用水平差別等,在補貼額度中給予上下10%的浮動。(四)對可再生能源建筑應用共性關鍵技術集成及示范推廣,能效檢測、標識,技術規范標準驗證及完善等項目,根據經批準的項目經費金額給予全額補助。  目前北京、河北、山東、山西等省市對地源熱泵技術已有明確的優惠政策,包括節能投資項目實行無償補助、按投資規模給予資助、按節能效果給予獎勵等。天津、廣東、南京、長沙等省市還設立了節能專項資金。其中北京早在2006年就對應用地源熱泵技術項目進行了財政補貼,凡選用地源熱泵的項目,可獲得每平方米50元的補助。

                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臵清水循環,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、介質性質等方面都適合油田生產的實際情況,因此在原理上是可行的。 

            五、油田污水余熱利用技術路線與原理 

               (一)污水余熱利用技術路線 

                 1、對于高溫污水,采用高效熱交換技術,直接將熱量交換給混合液; 

                 2、對于低溫污水,采用熱泵技術回收其余熱,制取高溫熱水,再通過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)污水余熱利用技術原理

            1、高溫污水直接換熱 

            外輸高溫污水溫度達80℃,將這部分高溫污水引入污水換熱器,利用熱傳導原理與分水后的油水混合液進行換熱, 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

                通過使用溴化鋰吸收式熱泵技術,將外輸低溫污水中的余熱提取出來,制取90℃的熱水對混合液進行加熱。

            六、熱泵供熱方案經濟效益測算 

            熱泵供熱的目的在于獲得節能效益,進而獲得一定的經濟效益, 因而對熱泵供熱方案的評價應包括兩個方面,即一是節能效益評價, 二是經濟效益測算。

            ( 1) 節能效益評價 

            按油田生產實際情況,油田原來配備的加熱爐、鍋爐的運行效率按70%計算, 吸收式熱泵的性能與熱泵的工況有關, 具體可參考文獻。對于上述方案, 熱泵的供熱系數可以達到 1.7, :  COP=QX+QL/QZ = 1.7  式中  QX工作流體在吸收器內吸收的熱量;  QL工作流體在冷凝器內吸收的熱量;  QZ 再生器消耗的熱量, 對于直燃型吸收式熱泵QZ=ηz×Qr   ηz再生器效率,一般可達92% 以上; 

            QZ 供給熱泵的天然氣總發熱量;提供等量熱能時,加熱爐的燃料消耗量與熱泵的燃料消耗量差即為節能效益。即:  用加熱爐供熱:提供1MW 熱量需要消耗的天然氣( 折合發熱量):1/0.7 = 1.43( MW)  用吸收式熱泵供熱, 提供等量熱量(1MW) , 需要消耗天然氣(折合發熱量):  1/ ( 1.7×0.92) = 0.64( MW)   節能率為: ( 1.43 - 0.64) / 1.43 = 55.2% 由此可見,與傳統的加熱爐供熱相比,利用吸收式熱泵供熱可以獲得55.2%的節能效益,也就是說可以節約1半以上的天然氣消耗,節能效益十分明顯。

            ( 2) 經濟效益測算  由于吸收式熱泵與傳統的加熱爐消耗的能源都是天然氣,燃料種類相同,如果視節約的燃料費用為經濟效益,那么,節能效益與經濟效益是統一的,即可節約一半以上的燃料費用。如果二者消耗的燃料種類不同,節能效益與經濟效益將出現偏差,實際中應根據原有的供熱系統情況區別對待。在討論經濟效益時,需要考慮設備投資,經調研證明,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。

            通過對油田污水熱源和用熱要求的調查分析,油田污水余熱利用節能和經濟效益明顯,項目可行,具體得到以下結論: 

            (一)油田存在大量溫度為40℃左右的低溫污水余熱, 該余熱的回收對油田生產過程沒有不利影響,是優質、可回收的低溫余熱資源;    

               (二)油田生產過程需要大量的溫度為70-80℃的熱水,該熱水主要用于生產拌熱、含水原油處理過程、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, 即油田生產企業是應用吸收式熱泵技術的理想場所; 

            (三)設計了原油生產系統應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系統的用熱需求,也可以根據具體情況,有選擇地減少供熱項目,可以選擇一兩項加熱功能進行試驗; 

            (四)對所設計的吸收式熱泵供熱方案的節能效益、經濟效益進行了計算分析,結果證明,與傳統的加熱爐供熱相比,吸收式熱泵供熱方案可以獲得50%以上的節能效益。


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