含油污水熱水站太陽能加熱

1、遼河油田采油廠熱水站太陽能加熱輸送系統(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、高架儲水罐- 5 -三、太陽能加熱系統(tǒng)方案- 6 -1、現(xiàn)場氣象條件- 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、 太陽能加熱輸送系統(tǒng)設計- 8 -1、熱水站參數(shù)計算- 8 -2、太陽能系統(tǒng)數(shù)據(jù)估算- 9 -3、經(jīng)濟效益估算- 11 -五、 太陽能系統(tǒng)設備- 12 -1、太陽能集熱器- 12 -2、熱交換器- 13 -3、蓄熱水箱- 13 -4、自動控制- 14 -四、 太陽能系統(tǒng)運行后需要注意的問題-

2、14 -五、結(jié)束語- 15 -一、概述遼河油田的采油、集輸?shù)冗^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備為水套爐，每天要消耗大量的天然氣，如果用太陽能的熱量來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，在政府的扶持下，國內(nèi)太陽能技術(shù)得到長足發(fā)展。目前，我國太陽能產(chǎn)業(yè)規(guī)模已位居世界第一，是全球太陽能熱水器生產(chǎn)量和使用量最大的國家和重要的太陽能光伏電池生產(chǎn)國，而太陽能熱水系統(tǒng)就是我國成熟的太陽能技術(shù)之一。 二、熱水站介紹在油田采油的過程中，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，需要定期洗井來解決這個問題。遼河油田沈陽采油廠地下原油已進入高含水開發(fā)后期，隨著聚合物及深部調(diào)驅(qū)工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模的擴大，熱洗清蠟管理難度逐漸增大。對此，沈陽采油廠建立四個熱水站，采取“熱力清蠟”的洗井措施。熱水站是將來自聯(lián)合站的經(jīng)過初步處理后的污水，通過水套爐等加熱設備將污水加熱到8090后，儲存到高架罐里。根據(jù)現(xiàn)場需求，洗井罐車到熱水站將加熱達到要求的污水拉到井場進行洗井作業(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。沈采的四個熱水站，平均每天消耗天然氣近1900m³，

4、也只能勉強支持洗井供應。到了冬季，這個數(shù)字還會增加。1、熱水站流程圖1 熱水站流程如圖1所示，聯(lián)合站來的污水，經(jīng)過水泵輸送到水套爐中加溫，然后提升至高架水罐。洗井罐車停靠在高架罐下面，注滿水拉到井站進行洗井作業(yè)。由于高架水罐是開口式，經(jīng)過一段時間水溫會下降到要求溫度以下，這時需要將變涼的水重新通過水泵進到水套爐中加溫。2、水套爐水套爐是油田常用的加熱設備之一，具有熱傳導率高，使用壽命長等特點。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、高架儲水罐單臺儲水罐容積為50m³，但由于沉淀結(jié)垢等原因，實際應用容積只有40m³左右。儲水罐作為洗井用熱水存儲設備，還起到保溫的作用，最大限度減少熱水的熱量散失。圖4 高架儲水罐 其主要包括罐體、進水口、循環(huán)出水口、洗井罐車出水口、溫度儀表、液位計。罐整體自動化程度較低，除了液位可以遠程監(jiān)測外，其余都需要值班人員手動操作，增加了值班操作人員的危險性。罐進水、出水、循環(huán)均可以改造成程控。當熱水進罐一段時間后溫度會降低，工作人員根

6、據(jù)溫度傳感器探測到罐內(nèi)水溫進行循環(huán)加熱操作。三、太陽能加熱系統(tǒng)方案1、現(xiàn)場氣象條件氣象資料表明，遼河油田歷年的平均日照輻射時數(shù)為2750h，每年該地區(qū)大約有300天日照輻射時間在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/，已基本達到全國太陽能資源利用的第二類區(qū)域標準。該地區(qū)的太陽能輻射資源相當豐富，具有較大的可挖潛力。沈陽興隆堡地區(qū)各月太陽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入太陽能集熱器里被直接加熱，是受熱過程中效率較高的一種方式；間接加熱方式是太陽能集熱器將熱量提供給一種熱媒，該熱媒再通過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，即使重新設計，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換熱器，而且必須通過二次能量的交換才能將收集

8、的太陽輻射能傳遞給污水，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、維修、安裝調(diào)試的角度來看，采用間接加熱的方式可以最大限度地利用現(xiàn)有成熟的太陽能集熱及熱交換技術(shù)，此加熱方式安全可靠、運行穩(wěn)定。3、系統(tǒng)組成及工作原理太陽能加熱輸送系統(tǒng)主要包括太陽能集熱器及其陣列、換熱器、蓄熱水箱、控制系統(tǒng)等。運行方式：本系統(tǒng)采用溫差循環(huán)運行方式，晴好天氣充分利用太陽能，陰雨天氣或陽光不足時，關(guān)斷進入換熱器的污水，不影響原工藝流程工作。圖5 加入太陽能系統(tǒng)的熱水工藝工作過程：首先將自來水加滿膨脹水箱，同時使集熱系統(tǒng)保持滿水狀態(tài)。當集熱器接受太陽輻射，水溫高于儲熱水罐溫度8時，單區(qū)域電動閥自動開啟，一次

9、水、二次水循環(huán)泵自動啟動，系統(tǒng)開始循環(huán)。將太陽能熱量經(jīng)交換器儲存到儲熱水罐，集熱器水溫于儲熱水罐溫度相等時，電動閥自動關(guān)閉，停止循環(huán)。然后再開啟，再關(guān)閉，通過這樣不斷重復的過程，把太陽的能量轉(zhuǎn)化為熱能。儲熱水罐水位分五段。首先將水加至20，經(jīng)溫差循環(huán)水溫陸續(xù)升高，水溫達到80時，補水電動閥打開補水，水溫降至75時補水電動閥關(guān)閉，然后再開啟，再關(guān)閉，直到把儲熱水罐的水加滿。只要有陽光輻射，集熱器的水溫必然繼續(xù)升高，當集熱器溫度高于儲熱水箱溫度8時，循環(huán)泵自動啟動，系統(tǒng)開始循環(huán)，儲熱水箱的水將會繼續(xù)增溫，這樣即可保證太陽能得到最充分的利用。系統(tǒng)防凍：為預防冬季管道凍堵，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。當管道壁溫度低于4時，系統(tǒng)循環(huán)水泵定時啟閉；冷水管道、二次水設備管道部分加裝自限式電熱帶恒溫保護，道壁溫度低于4時，伴熱帶啟動，道壁溫度低于8時，伴熱帶關(guān)閉，保證系統(tǒng)管道在寒冷的冬季暢通無阻。4、 太陽能加熱輸送系統(tǒng)設計1、熱水站參數(shù)計算站名稱供熱水量/日水壓天然氣耗氣量/日進口水溫出口水溫3區(qū)前熱水站250m³0.4MPa450m³55751區(qū)6號熱水站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 -太陽能加熱輸送系統(tǒng)達到最大負荷時所需的熱量，kJ / h；M

12、-質(zhì)量流量，kg/h；C -比熱，kJ/(kg·)；T -溫度差，；標準天然氣燃燒值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 由于水套爐長期使用老化程度比較嚴重，加上污水結(jié)垢嚴重，雖然定期進行清洗，也造成了水套爐爐效比較低。2、太陽能系統(tǒng)數(shù)據(jù)估算 通過熱水站相關(guān)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場勘查，熱水站可以采取太陽能部分代替水套爐加熱，由于1區(qū)、3區(qū)聯(lián)合站來水初溫較高，在60

13、左右，太陽能系統(tǒng)平均可以提升來水溫度510；而2區(qū)、采5聯(lián)合站來水溫度較低，在30左右，太陽能系統(tǒng)平均可以提升來水溫度1020。 根據(jù)遼河油田太陽能輻射的氣象資料及設計要求，并結(jié)合試驗測試的數(shù)據(jù)和以上計算公式，可以計算出熱媒水在熱管式真空管太陽能集熱器內(nèi)的溫升。圖2 是集熱效率為40 %和50 %時水的溫升隨太陽輻射強度的變化情況。圖6 集熱器進出口溫差與太陽幅射強度關(guān)系從圖2中可以看出，采用熱管式真空管太陽能集熱器加熱循環(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2030，即在集熱器進口水溫為5060時，出口水溫為7080。這一工況可實現(xiàn)出口熱水通過換熱器加熱

14、污水，換熱器可以直接依據(jù)該計算結(jié)果進行設計。 假設水在太陽能集熱器內(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/，集熱器進出口溫差在30。根據(jù)公式(2)，得出太陽能效率為： = 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按照太陽能系統(tǒng)每天6小時有效光照時間，1區(qū)、3區(qū)來水初溫提升5、2區(qū)、采5來水溫度提升10計算，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，太陽能能量設計應增加95%的余量，那么太陽能提供的能量應該為：3區(qū)前熱水站：Q3 /0.95= 137

16、2MJ1區(qū)6號熱水站：Q1 /0.95 = 1922MJ2區(qū)熱水站：Q2 /0.95 = 2745MJ采5熱水站： Qc /0.95 = 1647MJ一組太陽能集熱器采熱面積為1.67，那么各種需要的太陽能集熱器組數(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)濟效益估算按照上面的計算，太陽能平均每天可以為熱水站帶來7686MJ的能量，平均提升來水初溫2/5，相

17、當于每天節(jié)省天然氣800m³，折合人民幣1840元，年節(jié)約資金671600元。四個站太陽能系統(tǒng)投資見下表序號名稱單位數(shù)量價格（萬）1太陽能集熱設備組2361182保溫水箱臺4103換熱器臺4204自動控制套4105材料費套4 206安裝費套4207合計198回收周期237/67.16 = 2.94年。隨著能源進一步枯竭，天然氣價格將會越來越高，節(jié)省成本越來越高。 5、 太陽能系統(tǒng)設備 1、太陽能集熱器考慮到東北地區(qū)的氣候特點和溫升特點，選擇熱管式真空管太陽能集熱器，該集熱器的優(yōu)點是，熱管內(nèi)部工質(zhì)在相變過程中具有較大的換熱系數(shù)，傳熱效率高。選用適當?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；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。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備，但它具有結(jié)構(gòu)堅固、彈性大、可靠程度高、使用范圍廣等優(yōu)點，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、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70年代美國菲利浦石油公司W(wǎng).M.Small等人為解決大型管殼式換熱器的流體誘導振動而開發(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。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變?yōu)槠叫辛鲃樱粌H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折流而損失的殼程壓降。為強化換熱管內(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)運行的穩(wěn)定性，使換熱器的進口熱水溫度不受太陽輻照瞬時變化的直接影響，太陽能集熱器出口的熱水首先進入蓄熱水箱，再由蓄熱水箱進入換熱器。本系統(tǒng)

20、設置了一個蓄熱水箱，主要用來保證系統(tǒng)的快速啟動，使經(jīng)集熱器加熱的熱水溫度盡快達到換熱器所需要的運行溫度；還有要用來儲存多余的熱能，將太陽輻射能高峰時暫時用不了的能量以熱水的形式儲存起來，以備無太陽能輻射時使用。 4、自動控制 太陽能系統(tǒng)的啟動、富余太陽能的儲存，以及太陽能與常規(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、功能齊全的自動控制系統(tǒng)來完成。本控制系統(tǒng)包括太陽能控制系統(tǒng)和水套爐控制系統(tǒng)。太陽能控制系統(tǒng)的功能包括實現(xiàn)太陽能系統(tǒng)的供熱與蓄熱控制；實現(xiàn)蓄熱水箱中熱水熱量的條件放熱；實現(xiàn)太陽能加熱系統(tǒng)與水套爐加熱系統(tǒng)在不同工況下的切換；實現(xiàn)冬季夜晚太陽能管路系統(tǒng)的水量自動排空。自控系統(tǒng)優(yōu)勢有以下幾個方面：1、智能化運行，管理方便；2、水溫水位自由設定，直觀可見；3、自動上水，溫差循環(huán)，集熱效率高；4、自動防過熱保護；5、系統(tǒng)管路自控防凍，預防冬季凍