含油污水热水站太阳能加热419.docx
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含油污水热水站太阳能加热419
辽河油田采油厂热水站
太阳能加热输送系统方案
盘锦福瑞电子科技有限公司
目录
一、概述-2-
二、热水站介绍-2-
1、热水站流程-3-
2、水套炉-3-
3、高架储水罐-5-
三、太阳能加热系统方案-6-
1、现场气象条件-6-
2、输送系统方案选择-6-
3、系统组成及工作原理-7-
四、太阳能加热输送系统设计-8-
1、热水站参数计算-8-
2、太阳能系统数据估算-9-
3、经济效益估算-11-
五、太阳能系统设备-12-
1、太阳能集热器-12-
2、热交换器-13-
3、蓄热水箱-13-
4、自动控制-14-
四、太阳能系统运行后需要注意的问题-14-
五、结束语-15-
一、概述
辽河油田的采油、集输等过程中至少有20%左右的能耗用于原油、污水及软化水的加热与处理中。
目前主要使用的加热与保温设备为水套炉，每天要消耗大量的天然气，如果用太阳能的热量来部分替代能源燃烧加热，则可为油田节省大量的天然气。
利用太阳能技术加热洗井用的污水以替代部分常规能源，在节能降耗及绿色环保方面具有重要的意义。
近年来，在政府的扶持下，国内太阳能技术得到长足发展。
目前，我国太阳能产业规模已位居世界第一，是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家和重要的太阳能光伏电池生产国，而太阳能热水系统就是我国成熟的太阳能技术之一。
二、热水站介绍
在油田采油的过程中，随着井龄增加，由于原油和地下水在地层中结垢、结蜡，导致油层渗透率降低，出油孔隙被堵，许多油井因此而产量大大下降，需要定期洗井来解决这个问题。
辽河油田沈阳采油厂地下原油已进入高含水开发后期，随着聚合物及深部调驱工业化生产规模的扩大，热洗清蜡管理难度逐渐增大。
对此，沈阳采油厂建立四个热水站，采取“热力清蜡”的洗井措施。
热水站是将来自联合站的经过初步处理后的污水，通过水套炉等加热设备将污水加热到80~90℃后，储存到高架罐里。
根据现场需求，洗井罐车到热水站将加热达到要求的污水拉到井场进行洗井作业。
然而热洗清蜡有很多危害，能源耗能是其中最为突出一个。
沈采的四个热水站，平均每天消耗天然气近1900m³，也只能勉强支持洗井供应。
到了冬季，这个数字还会增加。
1、热水站流程
图1热水站流程
如图1所示，联合站来的污水，经过水泵输送到水套炉中加温，然后提升至高架水罐。
洗井罐车停靠在高架罐下面，注满水拉到井站进行洗井作业。
由于高架水罐是开口式，经过一段时间水温会下降到要求温度以下，这时需要将变凉的水重新通过水泵进到水套炉中加温。
2、水套炉
水套炉是油田常用的加热设备之一，具有热传导率高，使用寿命长等特点。
它的结构包括燃烧器、火筒、烟管、油盘管等部件，他们占据了筒体的一部分空间，其余的空间装的是水，但是水不能装满，在筒体体的三分之一。
燃烧器控制天然气在火筒中燃烧后，产生的热能以辐射、对流等传热形式将热量传给水套中的水，使水的温度升高，并部分汽化，水及其蒸汽再将热量传递给油盘管中的污水，使污水获得热量，温度升高。
图2水套炉外观
图3水套炉内部结构图
3、高架储水罐
单台储水罐容积为50m³，但由于沉淀结垢等原因，实际应用容积只有40m³左右。
储水罐作为洗井用热水存储设备，还起到保温的作用，最大限度减少热水的热量散失。
图4高架储水罐
其主要包括罐体、进水口、循环出水口、洗井罐车出水口、温度仪表、液位计。
罐整体自动化程度较低，除了液位可以远程监测外，其余都需要值班人员手动操作，增加了值班操作人员的危险性。
罐进水、出水、循环均可以改造成程控。
当热水进罐一段时间后温度会降低，工作人员根据温度传感器探测到罐内水温进行循环加热操作。
三、太阳能加热系统方案
1、现场气象条件
气象资料表明，辽河油田历年的平均日照辐射时数为2750h，每年该地区大约有300天日照辐射时间在8～9h，平均全年有6924.7MJ/
的能量可以利用，全年平均日照幅射量为18.97MJ/
，即日平均为658.68W/
，已基本达到全国太阳能资源利用的第二类区域标准。
该地区的太阳能辐射资源相当丰富，具有较大的可挖潜力。
沈阳兴隆堡地区各月太阳能辐射资料表
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
414.2
326.4
380.8
488.4
665.3
3319.2
云天
305.4
246.9
292.0
376.6
502.1
2369.8
2、输送系统方案选择
利用太阳能加热污水，可以采用直接加热和间接加热两种方式：
直接加热方式是原油和软化水进入太阳能集热器里被直接加热，是受热过程中效率较高的一种方式；间接加热方式是太阳能集热器将热量提供给一种热媒，该热媒再通过热交换器将热量间接传递给原油及软化水。
直接加热方式存在以下不足：
（1）污水的输送为带压输送，目前的集热器大部分承压能力不够，即使重新设计，其承压结构可靠性也不高。
（2）污水存在结垢现象，集热器的清洗非常困难。
目前采用太阳能直接加热污水，其关键技术还不成熟。
采用间接加热方式必须增加一台换热器，而且必须通过二次能量的交换才能将收集的太阳辐射能传递给污水，效率不如直接加热方式高，但从系统安全性、可靠性和维护、维修、安装调试的角度来看，采用间接加热的方式可以最大限度地利用现有成熟的太阳能集热及热交换技术，此加热方式安全可靠、运行稳定。
3、系统组成及工作原理
太阳能加热输送系统主要包括太阳能集热器及其阵列、换热器、蓄热水箱、控制系统等。
运行方式：
本系统采用温差循环运行方式，晴好天气充分利用太阳能，阴雨天气或阳光不足时，关断进入换热器的污水，不影响原工艺流程工作。
图5加入太阳能系统的热水工艺
工作过程：
首先将自来水加满膨胀水箱，同时使集热系统保持满水状态。
当集热器接受太阳辐射，水温高于储热水罐温度8℃时，单区域电动阀自动开启，一次水、二次水循环泵自动启动，系统开始循环。
将太阳能热量经交换器储存到储热水罐，集热器水温于储热水罐温度相等时，电动阀自动关闭，停止循环。
然后再开启，再关闭，通过这样不断重复的过程，把太阳的能量转化为热能。
储热水罐水位分五段。
首先将水加至20％，经温差循环水温陆续升高，水温达到80℃时，补水电动阀打开补水，水温降至75℃时补水电动阀关闭，然后再开启，再关闭，直到把储热水罐的水加满。
只要有阳光辐射，集热器的水温必然继续升高，当集热器温度高于储热水箱温度8℃时，循环泵自动启动，系统开始循环，储热水箱的水将会继续增温，这样即可保证太阳能得到最充分的利用。
系统防冻：
为预防冬季管道冻堵，一次水部分以防冻间歇循环为主，二次水部分因管道短，以伴热带为主。
当管道壁温度低于4℃时，系统循环水泵定时启闭；冷水管道、二次水设备管道部分加装自限式电热带恒温保护，道壁温度低于4℃时，伴热带启动，道壁温度低于8℃时，伴热带关闭，保证系统管道在寒冷的冬季畅通无阻。
4、太阳能加热输送系统设计
1、热水站参数计算
站名称
供热水量/日
水压
天然气耗气量/日
进口水温
出口水温
3区前热水站
250m3
0.4MPa
450m3
55℃
75℃
1区6号热水站
350m3
0.3MPa
350m3
60℃
85℃
2区热水站
250m3
0.3MPa
650m3
35℃
80℃
采5热水站
150m3
0.4MPa
550m3
30℃
80℃
表1沈采热水站物理参数表
根据表1，我们分别计算出各站每天理论消耗能量值：
3区前热水站：
Q3=MCT=250000×4.174×20=20870000kJ
1区6号热水站：
Q1=MCT=350000×4.174×25=36522500kJ
2区热水站：
Q2=MCT=250000×4.174×45=46957500kJ
采5热水站：
Qc=MCT=150000×4.174×50=31305000kJ
式中 Q---太阳能加热输送系统达到最大负荷时所需的热量，kJ/h；
M---质量流量，kg/h；
C---比热，kJ/（kg·℃）；
T---温度差，℃；
标准天然气燃烧值Z=80（MJ/m3），则每天燃烧天然气产生热量为：
3区前热水站：
A3=80*450=36000MJ
1区6号热水站：
A1=80*350=28000MJ
2区热水站：
A2=80*650=52000MJ
采5热水站：
Ac=80*550=44000MJ
由于水套炉长期使用老化程度比较严重，加上污水结垢严重，虽然定期进行清洗，也造成了水套炉炉效比较低。
2、太阳能系统数据估算
通过热水站相关数据和现场勘查，热水站可以采取太阳能部分代替水套炉加热，由于1区、3区联合站来水初温较高，在60℃左右，太阳能系统平均可以提升来水温度5~10℃；而2区、采5联合站来水温度较低，在30℃左右，太阳能系统平均可以提升来水温度10~20℃。
根据辽河油田太阳能辐射的气象资料及设计要求，并结合试验测试的数据和以上计算公式，可以计算出热媒水在热管式真空管太阳能集热器内的温升。
图2是集热效率为40%和50%时水的温升随太阳辐射强度的变化情况。
图6 集热器进出口温差与太阳幅射强度关系
从图2中可以看出，采用热管式真空管太阳能集热器加热循环水，如果集热器效率为40%～50%，按辽河地区气候条件，一般情况下水温差高达20～30℃，即在集热器进口水温为50～60℃时，出口水温为70～80℃。
这一工况可实现出口热水通过换热器加热污水，换热器可以直接依据该计算结果进行设计。
假设水在太阳能集热器内温度可以提高20℃，在不考虑热损失的情况下，则需要热水流量（L）为:
L=Qr/（Cpw×t）=9.2（t/h）
根据调查，兴隆堡地区全年平均日照幅射量为22.97MJ/
，集热器进出口温差在30℃。
根据公式
（2），得出太阳能效率为：
η=0.767-2.28（Ti-Ta）/I=0.664
每平方米面积集热器可产生能量（Ws）为：
Ws=22.97×0.764=17.6MJ
按照太阳能系统每天6小时有效光照时间，1区、3区来水初温提升5℃、2区、采5来水温度提升10℃计算，需要能量：
3区前热水站：
Q’3=1/4MCT=0.25×250000×4.174×5=1304MJ
1区6号热水站：
Q’1=1/4MCT=0.25×350000×4.174×5=1826MJ
2区热水站：
Q’2=1/4MCT=0.25×250000×4.174×10=2608MJ
采5热水站：
Q’c=1/4MCT=0.25×150000×4.174×10=1565MJ
考虑到换热器效率和热损失，太阳能能量设计应增加95%的余量，那么太阳能提供的能量应该为：
3区前热水站：
Q’3/0.95=1372MJ
1区6号热水站：
Q’1/0.95=1922MJ
2区热水站：
Q’2/0.95=2745MJ
采5热水站：
Q’c/0.95=1647MJ
一组太阳能集热器采热面积为1.67㎡，那么各种需要的太阳能集热器组数为：
3区前热水站：
1372MJ/（17.6MJ/㎡）/（1.67㎡）=42组
1区6号热水站：
1922MJ/（17.6MJ/㎡）/（1.67㎡）=59组
2区热水站：
2745MJ/（17.6MJ/㎡）/（1.67㎡）=84组
采5热水站：
1647MJ/（17.6MJ/㎡）/（1.67㎡）=51组
3、经济效益估算
按照上面的计算，太阳能平均每天可以为热水站带来7686MJ的能量，平均提升来水初温2/5，相当于每天节省天然气800m3，折合人民币1840元，年节约资金671600元。
四个站太阳能系统投资见下表
序号
名称
单位
数量
价格（万）
1
太阳能集热设备
组
236
118
2
保温水箱
台
4
10
3
换热器
台
4
20
4
自动控制
套
4
10
5
材料费
套
4
20
6
安装费
套
4
20
7
合计
198
回收周期237/67.16=2.94年。
随着能源进一步枯竭，天然气价格将会越来越高，节省成本越来越高。
5、太阳能系统设备
1、太阳能集热器
考虑到东北地区的气候特点和温升特点，选择热管式真空管太阳能集热器，该集热器的优点是，热管内部工质在相变过程中具有较大的换热系数，传热效率高。
选用适当的工质，集热器可以在-30℃或更低的环境温度下工作，抗冻能力强；不受水质结垢及腐蚀影响，集热器工作性能稳定，使用寿命长。
图7热管式真空管集热器结构示意图
2、热交换器
管壳式换热器虽然在换热效率、设备的体积和金属材料的消耗量等方面不如其它新型的高效换热设备，但它具有结构坚固、弹性大、可靠程度高、使用范围广等优点，所以在工程中仍得到普遍使用。
由于原油输送管道有一定的压力，原油的粘度较大且易结垢，有一定的腐蚀性，考虑到换热器清洗、维护、维修、装拆方便等情况，因此确定换热器结构为管壳式结构。
折流杆换热器是20世纪70年代美国菲利浦石油公司W.M.Small等人为解决大型管壳式换热器的流体诱导振动而开发研制的，该换热器内部结构以杆式支撑替代原弓形挡板，具有抗振、高效、低压降等优点。
与传统的折流板管壳式换热器相比，内部结构有较大变化。
壳程内部采用折流杆组成的折流栅取代折流板作管间支撑物,使壳程流体由横向流动变为平行流动，不仅大大减少了传热死区，而且大幅度减少了流体因多次反复折流而损失的壳程压降。
为强化换热管内外的传热，折流杆换热器内部换热管常采用螺旋槽管。
与现行管壳式换热器相比，总传热系数提高了35%以上，壳侧阻力降减小了50%以上。
图8 套管式折流杆管束换热器
3、蓄热水箱
为了保证系统运行的稳定性，使换热器的进口热水温度不受太阳辐照瞬时变化的直接影响，太阳能集热器出口的热水首先进入蓄热水箱，再由蓄热水箱进入换热器。
本系统设置了一个蓄热水箱，主要用来保证系统的快速启动，使经集热器加热的热水温度尽快达到换热器所需要的运行温度；还有要用来储存多余的热能，将太阳辐射能高峰时暂时用不了的能量以热水的形式储存起来，以备无太阳能辐射时使用。
4、自动控制
太阳能系统的启动、富余太阳能的储存，以及太阳能与常规能源之间的切换等尤为重要，而这些功能必须由一套安全可靠、功能齐全的自动控制系统来完成。
本控制系统包括太阳能控制系统和水套炉控制系统。
太阳能控制系统的功能包括实现太阳能系统的供热与蓄热控制；实现蓄热水箱中热水热量的条件放热；实现太阳能加热系统与水套炉加热系统在不同工况下的切换；实现冬季夜晚太阳能管路系统的水量自动排空。
自控系统优势有以下几个方面：
1、智能化运行，管理方便；
2、水温水位自由设定，直观可见；
3、自动上水，温差循环，集热效率高；
4、自动防过热保护；
5、系统管路自控防冻，预防冬季冻堵；
6、自控双能源转换，保证全天候供应热水；
7、自动、手动双功能，可操控性强。
六、太阳能系统运行后需要注意的问题
含油污水结垢问题，含油污水是经过初步处理的采油含水，水质为碳酸氢钠型，重根浓度偏高，加上水质中伴有泥质胶结物，经换热器加热，可能会不同程度地存在结垢情况。
需要对换热器进行定期酸洗。
七、结束语
利用太阳能加热含油污水，为太阳能的热利用技术开辟了新的应用领域。
该设计系统有以下几个特点：
（1）采用热管式真空管太阳能集热器可以提高系统热效率，特别适用于环境温度较低的场合。
（2）采用间接加热方式，系统中设计的换热器，内部采用折流杆结构，并采用套管式管束结构，可以提高传热效率，降低系统阻力降。
（3）系统内设置大小两个蓄热水箱，不仅可以加快系统的启动时间，而且可以储存多余的热量，延长系统的工作时间。
（4）系统运行及各工况之间切换均能实现自动控制。
油田热水站是油井服务最重要的环节之一，肩负着管辖区域内900多口油井的清洗任务。
为了加热这些污水，热水站的水套炉每天24小时不间断地向大气排放大量的温室气体。
近期我国部分地区和城市出现了严重的雾霾天气，污染指数高、持续时间长都是以前没有的。
大气污染治理已经到了刻不容缓的地步了，当务之急，就是要减少碳排放量，给子孙留下一片干净的天空。
我公司相应国家节能减排号召，多年来致力于新能源和洁净能源领域的研究开发，改造了包括沈采作业浴池、锦采作业浴池等多个热水洗浴系统，累积节电近80万千瓦时，若折算到煤炭发电则减少了温室气体排放超过36万公斤。
为用户节省资金的的同时，也为国家环境治理做出贡献。
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