含油污水熱水站太陽(yáng)能加熱

1、遼河油田采油廠熱水站太陽(yáng)能加熱輸送系統(tǒng)方案盤錦福瑞電子科技有限公司目 錄一、概述- 2 -二、熱水站介紹- 2 -1、熱水站流程- 3 -2、水套爐- 3 -3、高架儲(chǔ)水罐- 5 -三、太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)方案- 6 -1、現(xiàn)場(chǎng)氣象條件- 6 -2、輸送系統(tǒng)方案選擇- 6 -3、系統(tǒng)組成及工作原理- 7 -四、 太陽(yáng)能加熱輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 8 -1、熱水站參數(shù)計(jì)算- 8 -2、太陽(yáng)能系統(tǒng)數(shù)據(jù)估算- 9 -3、經(jīng)濟(jì)效益估算- 11 -五、 太陽(yáng)能系統(tǒng)設(shè)備- 12 -1、太陽(yáng)能集熱器- 12 -2、熱交換器- 13 -3、蓄熱水箱- 13 -4、自動(dòng)控制- 14 -四、 太陽(yáng)能系統(tǒng)運(yùn)行后需要注意的問(wèn)題-

2、14 -五、結(jié)束語(yǔ)- 15 -一、概述遼河油田的采油、集輸?shù)冗^(guò)程中至少有20%左右的能耗用于原油、污水及軟化水的加熱與處理中。目前主要使用的加熱與保溫設(shè)備為水套爐，每天要消耗大量的天然氣，如果用太陽(yáng)能的熱量來(lái)部分替代能源燃燒加熱，則可為油田節(jié)省大量的天然氣。利用太陽(yáng)能技術(shù)加熱洗井用的污水以替代部分常規(guī)能源，在節(jié)能降耗及綠色環(huán)保方面具有重要的意義。近年來(lái)，在政府的扶持下，國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能技術(shù)得到長(zhǎng)足發(fā)展。目前，我國(guó)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)規(guī)模已位居世界第一，是全球太陽(yáng)能熱水器生產(chǎn)量和使用量最大的國(guó)家和重要的太陽(yáng)能光伏電池生產(chǎn)國(guó)，而太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)就是我國(guó)成熟的太陽(yáng)能技術(shù)之一。 二、熱水站介紹在油田采油的過(guò)程中，隨著井

3、齡增加，由于原油和地下水在地層中結(jié)垢、結(jié)蠟，導(dǎo)致油層滲透率降低，出油孔隙被堵，許多油井因此而產(chǎn)量大大下降，需要定期洗井來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。遼河油田沈陽(yáng)采油廠地下原油已進(jìn)入高含水開(kāi)發(fā)后期，隨著聚合物及深部調(diào)驅(qū)工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，熱洗清蠟管理難度逐漸增大。對(duì)此，沈陽(yáng)采油廠建立四個(gè)熱水站，采取“熱力清蠟”的洗井措施。熱水站是將來(lái)自聯(lián)合站的經(jīng)過(guò)初步處理后的污水，通過(guò)水套爐等加熱設(shè)備將污水加熱到8090后，儲(chǔ)存到高架罐里。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求，洗井罐車到熱水站將加熱達(dá)到要求的污水拉到井場(chǎng)進(jìn)行洗井作業(yè)。然而熱洗清蠟有很多危害，能源耗能是其中最為突出一個(gè)。沈采的四個(gè)熱水站，平均每天消耗天然氣近1900m³，

4、也只能勉強(qiáng)支持洗井供應(yīng)。到了冬季，這個(gè)數(shù)字還會(huì)增加。1、熱水站流程圖1 熱水站流程如圖1所示，聯(lián)合站來(lái)的污水，經(jīng)過(guò)水泵輸送到水套爐中加溫，然后提升至高架水罐。洗井罐車?？吭诟呒芄尴旅?，注滿水拉到井站進(jìn)行洗井作業(yè)。由于高架水罐是開(kāi)口式，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間水溫會(huì)下降到要求溫度以下，這時(shí)需要將變涼的水重新通過(guò)水泵進(jìn)到水套爐中加溫。2、水套爐水套爐是油田常用的加熱設(shè)備之一，具有熱傳導(dǎo)率高，使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。它的結(jié)構(gòu)包括燃燒器、火筒、煙管、油盤管等部件，他們占據(jù)了筒體的一部分空間，其余的空間裝的是水，但是水不能裝滿，在筒體體的三分之一。燃燒器控制天然氣在火筒中燃燒后，產(chǎn)生的熱能以輻射、對(duì)流等傳熱形式將熱量傳給

5、水套中的水，使水的溫度升高，并部分汽化，水及其蒸汽再將熱量傳遞給油盤管中的污水，使污水獲得熱量，溫度升高。圖2 水套爐外觀圖3 水套爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3、高架儲(chǔ)水罐單臺(tái)儲(chǔ)水罐容積為50m³，但由于沉淀結(jié)垢等原因，實(shí)際應(yīng)用容積只有40m³左右。儲(chǔ)水罐作為洗井用熱水存儲(chǔ)設(shè)備，還起到保溫的作用，最大限度減少熱水的熱量散失。圖4 高架儲(chǔ)水罐 其主要包括罐體、進(jìn)水口、循環(huán)出水口、洗井罐車出水口、溫度儀表、液位計(jì)。罐整體自動(dòng)化程度較低，除了液位可以遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)外，其余都需要值班人員手動(dòng)操作，增加了值班操作人員的危險(xiǎn)性。罐進(jìn)水、出水、循環(huán)均可以改造成程控。當(dāng)熱水進(jìn)罐一段時(shí)間后溫度會(huì)降低，工作人員根

6、據(jù)溫度傳感器探測(cè)到罐內(nèi)水溫進(jìn)行循環(huán)加熱操作。三、太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)方案1、現(xiàn)場(chǎng)氣象條件氣象資料表明，遼河油田歷年的平均日照輻射時(shí)數(shù)為2750h，每年該地區(qū)大約有300天日照輻射時(shí)間在89h，平均全年有6924.7MJ/的能量可以利用，全年平均日照幅射量為18.97MJ/，即日平均為658.68W/，已基本達(dá)到全國(guó)太陽(yáng)能資源利用的第二類區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)。該地區(qū)的太陽(yáng)能輻射資源相當(dāng)豐富，具有較大的可挖潛力。沈陽(yáng)興隆堡地區(qū)各月太陽(yáng)能輻射資料表月份十一月w/m2十二月w/m2一月w/m2二月w/m2三月w/m2全年MJ/ m2晴天414.2326.4380.8488.4665.33319.2云天305.4246.

7、9292.0376.6502.12369.8 2、輸送系統(tǒng)方案選擇利用太陽(yáng)能加熱污水，可以采用直接加熱和間接加熱兩種方式：直接加熱方式是原油和軟化水進(jìn)入太陽(yáng)能集熱器里被直接加熱，是受熱過(guò)程中效率較高的一種方式；間接加熱方式是太陽(yáng)能集熱器將熱量提供給一種熱媒，該熱媒再通過(guò)熱交換器將熱量間接傳遞給原油及軟化水。直接加熱方式存在以下不足： (1)污水的輸送為帶壓輸送，目前的集熱器大部分承壓能力不夠，即使重新設(shè)計(jì)，其承壓結(jié)構(gòu)可靠性也不高。(2)污水存在結(jié)垢現(xiàn)象，集熱器的清洗非常困難。目前采用太陽(yáng)能直接加熱污水，其關(guān)鍵技術(shù)還不成熟。采用間接加熱方式必須增加一臺(tái)換熱器，而且必須通過(guò)二次能量的交換才能將收集

8、的太陽(yáng)輻射能傳遞給污水，效率不如直接加熱方式高，但從系統(tǒng)安全性、可靠性和維護(hù)、維修、安裝調(diào)試的角度來(lái)看，采用間接加熱的方式可以最大限度地利用現(xiàn)有成熟的太陽(yáng)能集熱及熱交換技術(shù)，此加熱方式安全可靠、運(yùn)行穩(wěn)定。3、系統(tǒng)組成及工作原理太陽(yáng)能加熱輸送系統(tǒng)主要包括太陽(yáng)能集熱器及其陣列、換熱器、蓄熱水箱、控制系統(tǒng)等。運(yùn)行方式：本系統(tǒng)采用溫差循環(huán)運(yùn)行方式，晴好天氣充分利用太陽(yáng)能，陰雨天氣或陽(yáng)光不足時(shí)，關(guān)斷進(jìn)入換熱器的污水，不影響原工藝流程工作。圖5 加入太陽(yáng)能系統(tǒng)的熱水工藝工作過(guò)程：首先將自來(lái)水加滿膨脹水箱，同時(shí)使集熱系統(tǒng)保持滿水狀態(tài)。當(dāng)集熱器接受太陽(yáng)輻射，水溫高于儲(chǔ)熱水罐溫度8時(shí)，單區(qū)域電動(dòng)閥自動(dòng)開(kāi)啟，一次

9、水、二次水循環(huán)泵自動(dòng)啟動(dòng)，系統(tǒng)開(kāi)始循環(huán)。將太陽(yáng)能熱量經(jīng)交換器儲(chǔ)存到儲(chǔ)熱水罐，集熱器水溫于儲(chǔ)熱水罐溫度相等時(shí)，電動(dòng)閥自動(dòng)關(guān)閉，停止循環(huán)。然后再開(kāi)啟，再關(guān)閉，通過(guò)這樣不斷重復(fù)的過(guò)程，把太陽(yáng)的能量轉(zhuǎn)化為熱能。儲(chǔ)熱水罐水位分五段。首先將水加至20，經(jīng)溫差循環(huán)水溫陸續(xù)升高，水溫達(dá)到80時(shí)，補(bǔ)水電動(dòng)閥打開(kāi)補(bǔ)水，水溫降至75時(shí)補(bǔ)水電動(dòng)閥關(guān)閉，然后再開(kāi)啟，再關(guān)閉，直到把儲(chǔ)熱水罐的水加滿。只要有陽(yáng)光輻射，集熱器的水溫必然繼續(xù)升高，當(dāng)集熱器溫度高于儲(chǔ)熱水箱溫度8時(shí)，循環(huán)泵自動(dòng)啟動(dòng)，系統(tǒng)開(kāi)始循環(huán)，儲(chǔ)熱水箱的水將會(huì)繼續(xù)增溫，這樣即可保證太陽(yáng)能得到最充分的利用。系統(tǒng)防凍：為預(yù)防冬季管道凍堵，一次水部分以防凍間歇循環(huán)為主

10、，二次水部分因管道短，以伴熱帶為主。當(dāng)管道壁溫度低于4時(shí)，系統(tǒng)循環(huán)水泵定時(shí)啟閉；冷水管道、二次水設(shè)備管道部分加裝自限式電熱帶恒溫保護(hù)，道壁溫度低于4時(shí)，伴熱帶啟動(dòng)，道壁溫度低于8時(shí)，伴熱帶關(guān)閉，保證系統(tǒng)管道在寒冷的冬季暢通無(wú)阻。4、 太陽(yáng)能加熱輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、熱水站參數(shù)計(jì)算站名稱供熱水量/日水壓天然氣耗氣量/日進(jìn)口水溫出口水溫3區(qū)前熱水站250m³0.4MPa450m³55751區(qū)6號(hào)熱水站350m³0.3MPa350m³60852區(qū)熱水站250m³0.3MPa650m³3580采5熱水站150m³0.4MPa550m

11、79;3080表1 沈采熱水站物理參數(shù)表根據(jù)表1，我們分別計(jì)算出各站每天理論消耗能量值：3區(qū)前熱水站：Q3 = MCT= 250000×4.174×20 = 20870000kJ1區(qū)6號(hào)熱水站：Q1 = MCT= 350000×4.174×25 = 36522500kJ2區(qū)熱水站：Q2 = MCT= 250000×4.174×45 = 46957500kJ采5熱水站： Qc = MCT= 150000×4.174×50 = 31305000kJ式中Q -太陽(yáng)能加熱輸送系統(tǒng)達(dá)到最大負(fù)荷時(shí)所需的熱量，kJ / h；M

12、-質(zhì)量流量，kg/h；C -比熱，kJ/(kg·)；T -溫度差，；標(biāo)準(zhǔn)天然氣燃燒值Z = 80(MJ/m³)，則每天燃燒天然氣產(chǎn)生熱量為：3區(qū)前熱水站：A3 = 80*450=36000MJ1區(qū)6號(hào)熱水站：A1 = 80*350=28000MJ2區(qū)熱水站：A2 = 80*650=52000MJ采5熱水站：Ac = 80*550=44000MJ 由于水套爐長(zhǎng)期使用老化程度比較嚴(yán)重，加上污水結(jié)垢嚴(yán)重，雖然定期進(jìn)行清洗，也造成了水套爐爐效比較低。2、太陽(yáng)能系統(tǒng)數(shù)據(jù)估算 通過(guò)熱水站相關(guān)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)勘查，熱水站可以采取太陽(yáng)能部分代替水套爐加熱，由于1區(qū)、3區(qū)聯(lián)合站來(lái)水初溫較高，在60

13、左右，太陽(yáng)能系統(tǒng)平均可以提升來(lái)水溫度510；而2區(qū)、采5聯(lián)合站來(lái)水溫度較低，在30左右，太陽(yáng)能系統(tǒng)平均可以提升來(lái)水溫度1020。 根據(jù)遼河油田太陽(yáng)能輻射的氣象資料及設(shè)計(jì)要求，并結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試的數(shù)據(jù)和以上計(jì)算公式，可以計(jì)算出熱媒水在熱管式真空管太陽(yáng)能集熱器內(nèi)的溫升。圖2 是集熱效率為40 %和50 %時(shí)水的溫升隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化情況。圖6 集熱器進(jìn)出口溫差與太陽(yáng)幅射強(qiáng)度關(guān)系從圖2中可以看出，采用熱管式真空管太陽(yáng)能集熱器加熱循環(huán)水，如果集熱器效率為40%50%，按遼河地區(qū)氣候條件，一般情況下水溫差高達(dá)2030，即在集熱器進(jìn)口水溫為5060時(shí)，出口水溫為7080。這一工況可實(shí)現(xiàn)出口熱水通過(guò)換熱器加熱

14、污水，換熱器可以直接依據(jù)該計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。 假設(shè)水在太陽(yáng)能集熱器內(nèi)溫度可以提高20，在不考慮熱損失的情況下，則需要熱水流量(L)為: L = Qr/(Cpw×t)=9.2(t/h)根據(jù)調(diào)查，興隆堡地區(qū)全年平均日照幅射量為22.97MJ/，集熱器進(jìn)出口溫差在30。根據(jù)公式(2)，得出太陽(yáng)能效率為： = 0.767-2.28(Ti-Ta)/I = 0.664每平方米面積集熱器可產(chǎn)生能量(Ws)為：Ws = 22.97×0.764 =17.6MJ按照太陽(yáng)能系統(tǒng)每天6小時(shí)有效光照時(shí)間，1區(qū)、3區(qū)來(lái)水初溫提升5、2區(qū)、采5來(lái)水溫度提升10計(jì)算，需要能量：3區(qū)前熱水站：Q3 = 1/

15、4MCT=0.25×250000×4.174×5 = 1304MJ1區(qū)6號(hào)熱水站：Q1 = 1/4MCT=0.25×350000×4.174×5 = 1826MJ2區(qū)熱水站：Q2 = 1/4MCT=0.25×250000×4.174×10 = 2608MJ采5熱水站： Qc = 1/4MCT=0.25×150000×4.174×10 = 1565MJ考慮到換熱器效率和熱損失，太陽(yáng)能能量設(shè)計(jì)應(yīng)增加95%的余量，那么太陽(yáng)能提供的能量應(yīng)該為：3區(qū)前熱水站：Q3 /0.95= 137

16、2MJ1區(qū)6號(hào)熱水站：Q1 /0.95 = 1922MJ2區(qū)熱水站：Q2 /0.95 = 2745MJ采5熱水站： Qc /0.95 = 1647MJ一組太陽(yáng)能集熱器采熱面積為1.67，那么各種需要的太陽(yáng)能集熱器組數(shù)為：3區(qū)前熱水站：1372MJ/(17.6MJ/)/(1.67)=42組1區(qū)6號(hào)熱水站：1922MJ/(17.6MJ/)/(1.67)=59組2區(qū)熱水站：2745MJ/(17.6MJ/)/(1.67)=84組采5熱水站： 1647MJ/(17.6MJ/)/(1.67)=51組3、經(jīng)濟(jì)效益估算按照上面的計(jì)算，太陽(yáng)能平均每天可以為熱水站帶來(lái)7686MJ的能量，平均提升來(lái)水初溫2/5，相

17、當(dāng)于每天節(jié)省天然氣800m³，折合人民幣1840元，年節(jié)約資金671600元。四個(gè)站太陽(yáng)能系統(tǒng)投資見(jiàn)下表序號(hào)名稱單位數(shù)量?jī)r(jià)格（萬(wàn)）1太陽(yáng)能集熱設(shè)備組2361182保溫水箱臺(tái)4103換熱器臺(tái)4204自動(dòng)控制套4105材料費(fèi)套4 206安裝費(fèi)套4207合計(jì)198回收周期237/67.16 = 2.94年。隨著能源進(jìn)一步枯竭，天然氣價(jià)格將會(huì)越來(lái)越高，節(jié)省成本越來(lái)越高。 5、 太陽(yáng)能系統(tǒng)設(shè)備 1、太陽(yáng)能集熱器考慮到東北地區(qū)的氣候特點(diǎn)和溫升特點(diǎn)，選擇熱管式真空管太陽(yáng)能集熱器，該集熱器的優(yōu)點(diǎn)是，熱管內(nèi)部工質(zhì)在相變過(guò)程中具有較大的換熱系數(shù)，傳熱效率高。選用適當(dāng)?shù)墓べ|(zhì)，集熱器可以在-30或更低的環(huán)境

18、溫度下工作，抗凍能力強(qiáng)；不受水質(zhì)結(jié)垢及腐蝕影響，集熱器工作性能穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)。圖7 熱管式真空管集熱器結(jié)構(gòu)示意圖 2、熱交換器 管殼式換熱器雖然在換熱效率、設(shè)備的體積和金屬材料的消耗量等方面不如其它新型的高效換熱設(shè)備，但它具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、彈性大、可靠程度高、使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，所以在工程中仍得到普遍使用。由于原油輸送管道有一定的壓力，原油的粘度較大且易結(jié)垢，有一定的腐蝕性，考慮到換熱器清洗、維護(hù)、維修、裝拆方便等情況，因此確定換熱器結(jié)構(gòu)為管殼式結(jié)構(gòu)。折流桿換熱器是20世紀(jì)70年代美國(guó)菲利浦石油公司W(wǎng).M.Small等人為解決大型管殼式換熱器的流體誘導(dǎo)振動(dòng)而開(kāi)發(fā)研制的，該換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)以桿式支撐替

19、代原弓形擋板，具有抗振、高效、低壓降等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的折流板管殼式換熱器相比，內(nèi)部結(jié)構(gòu)有較大變化。殼程內(nèi)部采用折流桿組成的折流柵取代折流板作管間支撐物,使殼程流體由橫向流動(dòng)變?yōu)槠叫辛鲃?dòng)，不僅大大減少了傳熱死區(qū)，而且大幅度減少了流體因多次反復(fù)折流而損失的殼程壓降。為強(qiáng)化換熱管內(nèi)外的傳熱，折流桿換熱器內(nèi)部換熱管常采用螺旋槽管。與現(xiàn)行管殼式換熱器相比，總傳熱系數(shù)提高了35 %以上，殼側(cè)阻力降減小了50 %以上。圖8 套管式折流桿管束換熱器 3、蓄熱水箱 為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，使換熱器的進(jìn)口熱水溫度不受太陽(yáng)輻照瞬時(shí)變化的直接影響，太陽(yáng)能集熱器出口的熱水首先進(jìn)入蓄熱水箱，再由蓄熱水箱進(jìn)入換熱器。本系統(tǒng)

20、設(shè)置了一個(gè)蓄熱水箱，主要用來(lái)保證系統(tǒng)的快速啟動(dòng)，使經(jīng)集熱器加熱的熱水溫度盡快達(dá)到換熱器所需要的運(yùn)行溫度；還有要用來(lái)儲(chǔ)存多余的熱能，將太陽(yáng)輻射能高峰時(shí)暫時(shí)用不了的能量以熱水的形式儲(chǔ)存起來(lái)，以備無(wú)太陽(yáng)能輻射時(shí)使用。 4、自動(dòng)控制 太陽(yáng)能系統(tǒng)的啟動(dòng)、富余太陽(yáng)能的儲(chǔ)存，以及太陽(yáng)能與常規(guī)能源之間的切換等尤為重要，而這些功能必須由一套安全可靠、功能齊全的自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)完成。本控制系統(tǒng)包括太陽(yáng)能控制系統(tǒng)和水套爐控制系統(tǒng)。太陽(yáng)能控制系統(tǒng)的功能包括實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能系統(tǒng)的供熱與蓄熱控制；實(shí)現(xiàn)蓄熱水箱中熱水熱量的條件放熱；實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)與水套爐加熱系統(tǒng)在不同工況下的切換；實(shí)現(xiàn)冬季夜晚太陽(yáng)能管路系統(tǒng)的水量自動(dòng)排空。自控系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)有以下幾個(gè)方面：1、智能化運(yùn)行，管理方便；2、水溫水位自由設(shè)定，直觀可見(jiàn)；3、自動(dòng)上水，溫差循環(huán)，集熱效率高；4、自動(dòng)防過(guò)熱保護(hù)；5、系統(tǒng)管路自控防凍，預(yù)防冬季凍