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油田污水余热与地热供热系统运行优化策略研究

文档作者：时建虎武东鑫圆熊轲圆文档来源：中国石化集团新星石油有限责任公司中石化新星河南新能源开发有限公司		点击数：	更新时间： 2024年06月15日
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油田污水余热与地热供热系统运行优化策略研究
时建虎员，武东鑫圆，熊轲圆
（员． 中国石化集团新星石油有限责任公司，北京员园园园愿猿；圆． 中石化新星河南新能源开发
有限公司，河南郑州源缘园园园愿）
摘要：建立合适的供热系统运行优化策略是保证其优良运行效果的关键。某油区利用油田污水余热
及当地地热资源作为供热热源，通过分析供热系统工艺流程，研究板式换热器和热泵机组的热交换过
程，基于热量守恒原则，构建供热系统热交换计算模型，使其能够模拟供热系统实际运行情况。利用圆园员缘年供暖季运行数据，计算混合污水温度和板换换热系数变化对供热效果的影响，最后提出适宜
的改进措施以提高供热系统运行效率，尽可能节约运行成本。
关键词：油田污水余热；地热；供热系统；热交换；运行优化
中图分类号：ＴＫ园员摇文献标识码：Ｂ摇文章编号：员园园源原苑怨源愿（圆园员苑）园苑原园园缘怨原园缘
凿燥蚤：员园． 猿怨远怨／ ｊ． ｉｓｓｎ． 员园园源原苑怨源愿． 圆园员苑． 园苑． 园员源
引言
随着油田区块进入开发中后期，油田采出液综
合含水率不断攀升，原油分离出来的污水具有水量
大、温度高等特点，是非常好的余热资源。
某油田联合站平均每天分离出来的含油污水
约员猿园园园ｍ
猿，污水平均温度猿愿℃，污水经过处理后
直接注入地层，其热量白白浪费，如果利用热泵技
术，把污水温度降至圆缘℃，每年就可以获得圆郾缘愿伊
员园缘
ＧＪ 的热量，约节约愿愿员员吨标准煤。所以有效
开发利用油田污水余热，对于节能减排，提高油田
的经济效益和环境效益具有非常重要的意义［员原愿］。
为解决油区周围猿猿郾远愿万ｍ
圆建筑冬季采暖
长期以来供热系统天然气消耗大、供应紧张的问
题，将原有的猿台员园郾缘ＭＷ 的燃气锅炉拆除圆台，
采用热泵技术充分利用油田联合站采油污水的余
热和当地地热资源。该供热系统自圆园员源年改造以
来，目前已运行圆个供暖季，为提高能源利用效率，
节约运行成本，文中通过分析供热系统工艺流程，
研究热交换过程，基于热量守恒原则，构建供热系
统热交换计算模型，利用圆园员缘年供暖季运行数据，
计算混合污水温度和板换换热系数变化对供热效
果的影响，最后提出适宜的改进措施。
员供热系统工艺流程
由于油田污水具有矿化高、易结垢、腐蚀严重
等缺点，为保护热泵机组和供热系统，油田高温污
水不直接进入热泵机组和供热系统，需要增加换热
器进行热能转换。为此，该供热系统建有换热站员
座、热泵机房员座，首先油田污水和地热水经过计
量后进入除污器，经过除污器后再进入换热站，从
换热站出来的中介水经中间循环水泵加压再送至
热泵机房进行换热。换热站和热泵机房，将供热系
统分为猿个循环系统，其工艺流程如图员所示。
图员摇供热系统工艺流程图
摇摇员）热源侧循环系统。
从缓冲罐后污水提升泵来的油田污水与地热
— 缘怨 —
圆园员苑年第苑期
（总第源员愿期）
摇 摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇节摇摇摇能
ＥＮＥＲＧＹ ＣＯＮＳＥＲＶＡＴＩＯＮ
摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇
万方数据
水组成混合污水，经过计量除污后通过板式换热器
与中间循环水进行热交换，换热后的混合污水再经
处理后全部回注到地层中。圆）中间水循环系统。
中间水循环系统由板式换热器与热泵机组构
成，首先中间循环水经板式换热器换取混合污水的
热量后，进入热泵机组蒸发器作为热泵机组的热
源，提取完热量后的中间循环水再回到板式换热器
重新换热。猿）用户侧循环系统。
经热泵机房出来的采暖热水与原锅炉房的供
暖系统（ 调峰时由原锅炉房员台员园郾缘ＭＷ 的燃气
锅炉补充，文中暂不考虑调峰阶段）相接，用户采
暖后再回到热泵机房重新加热。
圆建立运行优化策略
将该供热系统划分为猿个循环系统来分析热
量传递方式，其中板式换热器和热泵机组是供热系
统圆个关键换热媒介，通过研究板式换热器和热泵
机组的热交换过程，构建供热系统热交换数学计算
模型，最后建立运行优化策略，以此来研究热源变
化对供热效果的影响。
圆郾员供热系统热交换分析
基于传热学原理，利用数学方法来表达板式换
热器以及热泵机组热交换过程［怨原员园］。
圆郾员郾员板换热交换分析员）传热方程式。
Ｑ 越ＫＡΔｔｍ
（员）
式中：Ｑ—热负荷，ｋＷ；
Ｋ—总传热系数，该系数是用来衡量板换传
热阻力的一个参数。传热阻力主要是由板换
的传热板片材料、厚度、污垢和流体本身等因
素构成，Ｗ（／ ｍ
圆·℃）。
Ａ—传热面积，ｍ
圆；
Δｔｍ
—对数平均温差，℃。
对数平均温差是板换传热的动力，对数平均温
差的大小直接关系到板换传热难易程度。板换内
流体在逆流情况和在并流情况下的对数平均温差
的计算方式是不同的，该供热系统所使用的板式换
热器均为逆流型式，如图圆所示。
图圆摇板换逆流型图示
摇摇板换逆流时，对数平均温差计算公式可表示为：
Δｔｍ
越（Ｔ员原ｔ圆）原（Ｔ圆原ｔ员）
ｌｎ（Ｔ员原ｔ圆
Ｔ圆原ｔ员
）
（圆）
式中：Ｔ员—板换一次侧进口温度，℃；
Ｔ圆—板换一次侧出口温度，℃；
ｔ员—板换二次侧进口温度，℃；
ｔ圆—板换二次侧出口温度，℃。摇摇圆）热平衡方程式。摇摇由此可得热平衡方程式下的板换换热计算公式为：
Ｑ 越ｑｍ员 ｃ（员 Ｔ员 原Ｔ圆）越ｑｍ圆 ｃ（圆 ｔ圆 原ｔ员） （猿）
式中：Ｑ—热负荷，ｋＷ；
ｑｍ员—板换一次侧质量流速，ｋｇ ／ ｓ；
ｑｍ圆—板换二次侧质量流速，ｋｇ ／ ｓ；
ｃ员、ｃ圆—水的比热容，一般取源郾员愿远ｋＪ（／ ｋｇ·℃）。
在传热计算中，传热方程式和热流量衡算式将
板换和换热物流的各参数关联起来。即给定板换
传热面积Ａ、总传热系数Ｋ、板换两侧流量ｑｍ员和
ｑｍ圆、板换两侧进出口温度其中任意圆个，最终可计
算得到另外圆个温度。
圆郾员郾圆热泵热交换分析
热泵能量转换是通过消耗一定的电量，在压缩
机和换热系统内循环制冷剂的共同作用下，吸取水
中低温热能，然后转换为高温热能释放至用户侧。
热泵ＣＯＰ 指的是热泵制热运行时，制热量与
制热所消耗电量之比，是反应热泵制热效果的标
准，ＣＯＰ 越高越节能，且不同时间不同工作环境下
ＣＯＰ 值都不一样的。
由ＣＯＰ 定义可得：热泵提取热量越热泵制热
量伊（ＣＯＰ 原员）／ ＣＯＰ；根据该供热系统工艺流程
图，在不考虑沿程热损失以及不使用锅炉调峰情况
下，各循环系统之间保持能量守恒，即板换两侧热
— 远园 —
节摇摇摇能
ＥＮＥＲＧＹ ＣＯＮＳＥＲＶＡＴＩＯＮ
摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇圆园员苑年第苑期
（总第源员愿期）

万方数据
量相等，热泵提取热量越板换换热量，热泵制热量越用户供给热量，由此可通过热平衡计算分析供热
系统各参数变化情况。
圆郾圆建立热交换计算模型
根据供热系统工艺流程以及板式换热器和热
泵的热交换分析，利用循环系统之间的热量守恒原
则，构建供热系统热交换计算模型，计算流程图如
图猿所示。
图猿摇供热系统参数计算模型
摇摇为保证上述模型求解结果更接近供热系统实
际运行情况，需要在计算模型时提出以下几点假设
条件：员）假定供热系统是瞬时稳定，各循环系统间
的换热介质流量相对稳定，用户侧供热负荷恒定。圆）仅考虑热泵和板换的热交换情况，且认为
板换热损失系数是相对固定的，暂不考虑系统其他
设备运行产生的热量以及对外界环境散热情况。猿）设定沿程热量损失率为相对固定值，即可
认为热泵蒸发器侧进口和出口温度近似等于板换
二次侧出口和进口温度，热泵冷凝器侧进口和出口
温度近似等于用户侧出口和进口温度。
由供热系统热交换计算模型，求解步骤可分解
为：ａ． 输入供热系统基本参数，包括混合污水温度
及流量、板换换热系数、中介水流量、用户侧流量及
进口温度等；ｂ． 根据热泵运行性能，确定热泵ＣＯＰ
计算公式；ｃ． 在合理范围内，假定热泵中间侧（ 热
泵蒸发器侧）进口温度，并输入到模型编译的计算
程序中，与运行得到的热泵中间侧进口温度进行比
较，如不相等，再重新输入，直至两者在一定允许误
差范围内相等，运行结束。
猿运行优化策略计算
猿郾员供热系统运行情况
该供热系统换热站有猿台板换（圆用员备），圆
台板换总换热面积为远员愿郾愿ｍ
圆，最大总换热量可达
到员圆苑猿缘ｋＷ；热泵机房有圆台离心式热泵机组，满
负荷运行最大制热量员猿苑源源ｋＷ（ 并联运行），总功
率圆缘缘苑ｋＷ，其中员裕热泵功率员源园远ｋＷ，制热量远苑源源ｋＷ，圆裕热泵功率员员缘员ｋＷ，制热量苑园园园ｋＷ。
根据圆园员缘年供暖季运行数据，板换运行圆台，
污水侧平均流量远员远ｍ
猿
／ ｈ，中间侧平均流量苑源圆ｍ
猿
／ ｈ，地热井开启利用员员圆ｄ，平均取水量缘远ｍ
猿
／ ｈ，平均温度远圆℃，与油田污水混合后的平均
温度为源园郾愿怨℃，地热井流量与混合污水温度变化
情况，如图源所示。用户侧供水平均温度缘员郾怨缘℃，回水平均温度源猿郾源员℃，每天供回水温度
变化情况如图缘所示。
图源摇圆园员缘年供暖季地热井流量及污水温度变化
图缘摇圆园员缘年供暖季采暖供回水温度变化情况
猿郾圆热泵悦韵孕运行中规律
对圆园员缘年供暖季热泵机组两侧运行数据进行
统计整理分析，具体如表员所示。可以看出，热泵
蒸发器进口温度越高，热泵ＣＯＰ 则越高，热泵冷凝
器出口温度越高，热泵ＣＯＰ 反而越低。
— 远员 —
圆园员苑年第苑期
（总第源员愿期）
摇 摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇节摇摇摇能
ＥＮＥＲＧＹ ＣＯＮＳＥＲＶＡＴＩＯＮ
摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇
万方数据
表员摇热泵悦韵孕与蒸发器进口温度和冷凝器出口温度的关系
热泵蒸发器
进口温度／℃
热泵冷凝器
出口温度／℃
蒸发器进口温度／
冷凝器出口温度／℃
热泵
ＣＯＰ 圆苑郾缘缘缘园郾怨园员郾愿缘源郾愿怨
圆愿郾苑员缘园郾苑苑员郾苑苑缘郾园圆
圆怨郾缘源缘员郾员猿员郾苑猿缘郾园源
猿园郾源猿缘员郾源源员郾远怨缘郾员园
猿员郾缘远缘园郾远远员郾远员缘郾猿圆
猿圆郾缘愿缘园郾员缘员郾缘源缘郾源远
猿猿郾源远缘园郾圆远员郾缘园缘郾缘缘
猿源郾圆源源怨郾猿缘员郾源源缘郾苑员
摇摇采用线性拟合方法处理数据（见图远），由此可
得出热泵ＣＯＰ 与蒸发器进口温度和冷凝器出口温
度的关系有：
ＣＯＰ 越原圆郾园缘怨愿Ｔｏｕｔ
Ｔｉｎ
垣愿郾远源员猿（源）
式中：Ｔｏｕｔ
—热泵冷凝器侧出口温度，℃；
Ｔｉｎ
—热泵蒸发器侧进口温度，℃。
图远摇热泵悦韵孕与蒸发器进口温度和冷凝器
出口温度的关系
猿郾猿计算结果及分析
考虑供热系统实际换热过程中热量损失，在热
泵用户侧进出口温度不变即热泵供给负荷一定情
况下，基于圆园员缘年供暖季运行数据，利用文中建立
的供热系统运行优化策略模拟供热系统运行模式，
根据运行模型计算步骤，首先确定基础数据，即板
换污水侧流量取远员愿ｍ
猿
／ ｈ，中间侧流量取苑源圆ｍ
猿
／ ｈ，用
户侧流量取员员苑怨ｍ
猿
／ ｈ，热泵用户侧进口温度取源猿郾源员℃，出口温度取缘员郾怨缘℃，再输入热泵ＣＯＰ 运
行规律计算公式。
猿郾猿郾员模拟计算结果
设置污水进口温度取变化区间值猿远耀源愿℃，板
换总换热系数取变化区间值员远园园 耀猿圆园园Ｗ（／ ｍ
圆·℃），
编译计算程序，分别计算不同污水进口温度和不同
板换总换热系数变化下的板换二次侧进出口温度
变化以及热泵耗电量情况，如图苑、图愿、表圆所示。
图苑摇板换二次侧进口温度与污水进口温度的关系
图愿摇板换二次侧出口温度与污水进口温度的关系
表圆摇热泵耗电量与污水进口温度和板换换热系数的关系
污水进
口温
度／℃
不同污水进口温度和板换换热系数下的热泵耗电量／ ｋＷｈ
员远园园Ｗ／
（ｍ
圆·℃）
圆园园园Ｗ／
（ｍ
圆·℃）
圆源园园Ｗ／
（ｍ
圆·℃）
圆愿园园Ｗ
（／ ｍ
圆·℃）
猿圆园园Ｗ／
（ｍ
圆·℃）
猿远原圆源远愿圆猿缘愿圆圆愿怨圆圆源源
猿愿圆源愿远圆猿怨圆圆圆怨源圆圆猿圆圆员怨员
源园圆源员园圆猿圆远圆圆猿苑圆员愿员圆员源圆
源圆圆猿源圆圆圆远远圆员愿缘圆员猿源圆园怨怨
源源圆圆愿圆圆圆员圆圆员猿怨圆园怨圆圆园远园
源远圆圆圆愿圆员远源圆园怨苑圆园缘源圆园圆源
源愿圆员苑怨圆员圆园圆园缘怨圆园员怨员怨怨圆
摇摇员）根据上述计算结果分析，以污水进口温度源园℃为基准，计算污水进口温度每提高员℃，对应
热泵可节约的电量以及可节约的资金情况，如图怨、表猿所示。
图怨摇热泵节约电量与污水进口温度提高幅度的关系
— 远圆 —
节摇摇摇能
ＥＮＥＲＧＹ ＣＯＮＳＥＲＶＡＴＩＯＮ
摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇圆园员苑年第苑期
（总第源员愿期）

万方数据
表猿摇整个供暖季节约资金与污水进口温度
提高幅度的关系
板换换热系数／
Ｗ·（ｍ
圆·℃）
不同污水进口温度提高幅度下整个供暖
季节约资金／ 万元
员℃ 圆℃ 猿℃ 源℃ 员远园园怨． 愿员愿． 远圆远． 缘猿猿． 苑
圆园园园苑． 怨员缘圆员． 源圆苑． 猿
圆源园园远． 愿员猿员愿． 苑圆猿． 怨
圆愿园园远． 圆员员． 怨员苑． 员圆员． 怨
猿圆园园缘． 愿员员． 员员远圆园． 源
注：电价按园郾缘远元／ ｋＷｈ 计算，下同。
摇摇圆）根据上述计算结果分析，以板换系数员远园园Ｗ（／ ｍ
圆·℃）为基准，计算提高一定程度的板
换换热系数时，对应热泵可节约的电量以及可节约
的资金情况，如图员园、表源所示。
图员园摇热泵节约电量与板换换热系数变化的关系
表源摇整个供暖季节约资金与板换换热系数变化的关系
污水进
口温
度／℃
提高一定程度的板换换热系数下整个供暖
季节约资金／ 万元
员远园园Ｗ／
（ｍ
圆·℃）
圆园园园Ｗ／
（ｍ
圆·℃）
圆源园园Ｗ／
（ｍ
圆·℃）
圆愿园园Ｗ／
（ｍ
圆·℃）
猿圆园园Ｗ／
（ｍ
圆·℃）
猿愿园． 园圆远． 园源园． 缘源怨． 远缘缘． 怨
源园园． 园圆员． 圆猿猿． 员源园． 苑源缘． 怨
源圆园． 园员苑． 缘圆苑． 缘猿源． 园猿愿． 源
源源园． 园员源． 愿圆猿． 猿圆愿． 愿猿圆． 远
源远园． 园员圆． 远圆园． 园圆源． 苑圆愿． 员
猿郾猿郾圆结论与建议员）热泵供给侧负荷一定时，污水进口温度越
高，板换换热系数越大，则热泵耗电量越低，并且当
污水进口温度较低，板换换热系数较小时，热泵节
约的电量提高幅度就越大。由此，可采取必要以下
措施提高系统供热效率，降低能耗：ａ． 提高地热井
利用效率，加大地热井取水量，提高污水进口温度；
ｂ． 增加沿程保温措施，降低流体热量损耗，如对联
合站愿个污水过滤罐进行保温；ｃ． 定期清洗板换，
提高板换换热系数。圆）根据圆园员缘年供暖季运行数据分析，污水进
口温度集中在源园耀源员℃，板换换热系数在圆园园园耀
圆源园园Ｗ（／ ｍ
圆·℃），通过供热系统运行模型优化计
算后，保守估计当污水进口温度提高员耀圆℃，每个
供暖季可节约圆园万ｋＷｈ 左右的电量，即节约员园
万耀员缘万元；另外定期清洗板换提高板换换热系
数缘％耀员园％，可再节约缘万元左右。
源结语
通过对供热系统工艺流程图和热交换进行分
析，利用文中建立的供热系统运行优化策略，基于圆园员缘年供暖季运行数据，模拟供热系统运行模式，
最后得到以下几点认识： 员）通过对板式换热器和热泵的热交换分析，
建立运行优化策略计算模型，在考虑供热系统热损
失下，能够较好地模拟供热系统实际运行情况。圆）基于圆园员缘年供暖季运行数据，通过模拟污
水进口温度和板换换热系数变化对供热效果的影
响，以此对供热系统提出合理的提高改进措施。猿）该计算模型不仅可模拟供热系统运行参数
对供暖效果的影响，而且还可用来验证供热运行数
据，对比分析实际运行情况。
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作者简介：时建虎（员怨愿怨原），男，安徽安庆人，硕士，助理工
程师，从事地热能开发利用研究与管理工作。
收稿日期：圆园员苑原园缘原员苑；修回日期：圆园员苑原园远原圆圆
— 远猿 —

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