太陽能光熱結合吸收式熱泵用于油田生產加熱技術研究與設計

崔士波+劉玉巖

摘 要：我國油田生產能耗巨大，導致成本高、污染嚴重，同時其豐富的低溫污水余熱和太陽能光熱資源未得到高效開發(fā)利用。通過太陽能聚光光熱技術產生的中高溫導熱油結合天然氣等補充能源作為吸收式熱泵的驅動熱源，回收采油污水中的余熱用于集輸伴熱等油田生產中，不僅能比常規(guī)鍋爐提高能源利用效率，還可以充分利用余熱資源和太陽能資源，大幅降低能源消耗總量和溫室氣體排放量，在油田節(jié)能、減排、降本方面具有廣闊的前景。

關鍵詞：太陽能光熱；吸收式熱泵；余熱回收；原油加熱

中圖分類號：TE19 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）24-0046-02

1 概述

1.1 油田生產能耗巨大

我國開采的原油多為高含蠟、高凝點、高黏度的“三高”原油，近年來新發(fā)現(xiàn)的油田稠油占比較高，常溫下流動性差，在集輸和處理工藝過程中需要進行加熱與保溫。在油田生產過程中至少有20%的能耗用于原油加熱與處理，每年消耗大量的煤、原油、天然氣和電等能源，產生嚴重的環(huán)境污染問題。據統(tǒng)計，我國各油田每集輸1t原油平均耗氣約15～35m3。據此測算，中石化油田集輸原油每年能耗總量折合成原油至少在60×104t以上，中石油約為170×104t[1]。

1.2 油區(qū)太陽能和污水資源豐富

大慶油田、勝利油田、長慶油田、塔里木油田、遼河油田、西北油田等中國主要陸上油田都分布在西部、北部等太陽能資源非常豐富的地區(qū)，年日照時間長、能量大，具備利用太陽能光熱資源用于油田加熱的條件。隨著油田含水率的上升，大量具有較高溫度的儲層水伴隨石油采出后經過凈化又回注地層。以中石化為例，>40℃的采油污水達到110萬噸/天，若從污水中提取10℃熱量，相當于1578噸標煤/天，每年達57.6萬噸，節(jié)能潛力巨大。

2 太陽能光熱和吸收式熱泵供熱在油田中的應用

2.1 太陽能光熱在油田生產中的應用

太陽能光熱應用分為低溫和中高溫利用。太陽能真空管集熱熱水器是最為常見的太陽能低溫光熱利用形式，多在制取生活熱水、供暖和預加熱等直接利用方面，在需要較高溫度的工業(yè)適用性較為局限。太陽能中高溫光熱技術是用槽式、線性菲涅爾式等太陽能聚光光熱技術把導熱油最高加熱至近400℃，用于工業(yè)生產。

在原油集輸太陽能加熱應用方面[2][3]，遼河油田與上海交通大學、華南理工大學等合作，研究設計了基于真空管集熱器陣列的“原油集輸太陽能加熱節(jié)能系統(tǒng)”并在興隆臺采油廠投入應用。僅靠太陽能可將原油最高加熱到83℃，在太陽能輻射不足時開啟燃燒器和水套爐對原油進行二次補充加熱。在邊緣井儲油罐加熱維溫上[3][4]，江蘇油田在安徽采油廠天83-1拉油站等邊遠井站安裝的“太陽能+輔助電加熱系統(tǒng)”在油罐和管路供熱方面取得了較好的應用效果。華北油田自2006年開始已在冀中、二連油區(qū)的一些邊緣井站安裝30多套太陽能加熱裝置。河南油田2008年在古城油礦使用太陽能對高架儲油罐進行伴熱維溫，新疆塔河油田2014年底采用150kW線性菲涅爾聚光太陽能系統(tǒng)替代原來的鍋爐為原油輸送加熱[5]。除上述項目外，華北油田、大港油田、長慶油田等均開發(fā)了小規(guī)模的太陽能熱水系統(tǒng)，部分取代常規(guī)能源解決油罐或管輸?shù)墓釂栴}，研究表明節(jié)能效果明顯。

總體來看，當前太陽能用于原油集輸伴熱多使用類似熱水器的真空管集熱器，雖已有聚光光熱利用的實例，但都是直接利用，利用領域和利用效率受到限制。

2.2 吸收式熱泵在石油行業(yè)中的應用

雖然工業(yè)生產中諸如采油污水等低溫余熱資源具備很大的利用潛力，但因溫度不高難以再次直接利用，需使用熱泵等設備提溫。

目前應用較多的熱泵有以電能驅動的壓縮式熱泵和以溴化鋰吸收式技術為基礎的溴化鋰吸收式熱泵。相較于電能驅動的壓縮式熱泵，溴化鋰吸收式熱泵[6]是以熱能驅動從低品位熱源中吸取熱量制取滿足工藝需求的中、高溫熱水或蒸汽，其驅動熱源可以是蒸汽、高溫煙氣、直接燃燒熱量或高溫導熱油等介質，驅動熱源的品質及形式適用度廣，可利用多種工業(yè)廢熱及可再生能源，大大節(jié)省了電力這種優(yōu)質能源。吸收式熱泵的系統(tǒng)COP約為1.6-2.5，是天然氣鍋爐效率（0.90左右）的近兩倍。此外，吸收式熱泵單臺設備功率更大，更貼近中大型民用及工業(yè)使用要求，在節(jié)能降耗和余熱供熱領域中發(fā)揮越來越重要的作用。

溴化鋰吸收式熱泵在利用電廠余熱供暖方面應用廣泛，效果良好。在石油行業(yè)中，利用吸收式熱泵回收余熱同樣發(fā)揮著節(jié)能減排的重大作用[7][8]。勝利油田某換熱站采用6臺單機供熱量7700kW的蒸汽型溴化鋰吸收式熱泵機組把從采油污水換熱獲得的溫度為45℃的余熱熱水加熱至85℃用于采暖，替代原來的原油加熱爐，每年節(jié)省原油約5600噸，節(jié)能效益高達上千萬元。華北油田某采油站采用2臺單機供熱量2910kW的直燃型吸收式熱泵供熱，替代原來的原油加熱爐，年節(jié)省原油750噸。大慶石化橡膠總廠應用一臺供熱量3.5MW的吸收式熱泵，以橡膠生產工藝中的化工多組分汽體為低溫熱源輸出熱水用于工藝加熱，每年節(jié)省蒸汽5萬噸以上，冷卻水用量僅為原系統(tǒng)的50%，節(jié)能效益超過600萬人民幣/年。

吸收式熱泵技術在油田采油污水余熱回收用等石油行業(yè)已經得到應用，但仍然以燃燒化石能源作為基礎驅動能源，雖然節(jié)約了一定的能源，但減排效果沒有得到充分發(fā)揮。

在現(xiàn)有太陽能光熱直接利用和常規(guī)能源驅動吸收式熱泵回收污水余熱的基礎上，設計兩者結合的新型節(jié)能加熱系統(tǒng)，節(jié)能減排、降本增效更加明顯，應用前景廣闊。

3 太陽能結合吸收式熱泵余熱回收系統(tǒng)設計

以某油田聯(lián)合站為例，設計太陽能結合吸收式熱泵回收采油污水余熱用于油田生產的新型節(jié)能加熱系統(tǒng)。

3.1 某聯(lián)合站現(xiàn)狀

目前使用天然氣熱水鍋爐為采出液脫水分離和原油集輸加熱，全年平均熱負荷約為5000kW，年耗氣量約487萬立方米。工藝示意圖如圖1所示：endprint

3.2 新型節(jié)能加熱系統(tǒng)設計思路

本系統(tǒng)主要包括：（1）以槽式聚光太陽能集熱器為核心的太陽能采集系統(tǒng)；（2）可以以高溫導熱油和燃氣兩種能源驅動的雙能源雙高發(fā)吸收式熱泵和污水余熱回收換熱器為核心的余熱回收提升系統(tǒng)；（3）以替換原有鍋爐和換熱器的新型可拆卸式油-水換熱器為核心的熱能交換系統(tǒng)。

槽式聚光太陽能集熱器把其真空管中的導熱油加熱至170℃左右，驅動雙能源雙高發(fā)吸收式熱泵把從采油污水中回收的30～40℃的低溫余熱加熱至80℃左右，用于采出液脫水分離和原油集輸加熱?？梢酝ㄟ^配置太陽能高溫蓄能器或利用谷電的電加熱器等較為經濟的方式來延長高溫導熱油驅動熱源的運行時間，在陰雨天或夜間以天然氣驅動熱源完成余熱提溫過程。

3.3 節(jié)能減排量估算

使用原系統(tǒng)效率90%的天然氣鍋爐進行加熱時，年消耗天然氣量為：5000kW×24h/天×365天×3.6MJ/kWh÷90%÷36MJ/m3=487萬m3，燃料成本約為974萬元（天然氣2元/m3）。

使用太陽能結合吸收式熱泵新型節(jié)能加熱系統(tǒng)后，系統(tǒng)COP以1.8計算，比原燃氣鍋爐節(jié)能50%。按照太陽能驅動系統(tǒng)年運行2600小時、燃氣驅動系統(tǒng)運行6160小時估算：太陽能驅動系統(tǒng)年節(jié)約天然氣量為：5000kW×2600h×3.6MJ/kWh÷90%÷36MJ/m3=144萬m3；天然氣驅動系統(tǒng)年節(jié)約天然氣量為：5000kW×6160h×3.6MJ/kWh÷90%÷36MJ/m3*50%=171萬m3。

相較原系統(tǒng)，新型節(jié)能系統(tǒng)每年節(jié)約天然氣315萬m3，減排CO2約9560T，節(jié)省燃料成本730萬元，不到3年即可收回系統(tǒng)投資。

4 結束語

我國油田生產能耗巨大，導致成本高、污染嚴重，但同時其豐富的低溫污水余熱和太陽能光熱資源未得到高效開發(fā)利用。通過太陽能聚光光熱技術產生的中高溫導熱油結合天然氣等補充能源作為吸收式熱泵的驅動熱源，回收采油污水中的余熱用于集輸伴熱等油田生產中，不僅能比常規(guī)鍋爐提高能源利用效率，還可以充分利用余熱資源和太陽能資源，大幅降低能源消耗總量和溫室氣體排放量，在油田節(jié)能、減排、降本方面具有廣闊的前景。

建議在開展油區(qū)污水余熱和太陽能資源調查的基礎上，結合實際用能需求，盡早設計建設太陽能結合吸收式熱泵新型節(jié)能加熱系統(tǒng)，實現(xiàn)油田低能耗、清潔化生產。

參考文獻：

[1]黃輝，李奇，邱偉偉.可再生能源在油田地面工程中的應用[J].石油石化節(jié)能，2013（6）：63-66.

[2]侯磊，張欣，周偉.太陽能在油氣田地面工程中的應用[J].應用能源技術，2011（1）：40-43.

[3]王向宏，葉朝曦.太陽能光熱技術在油氣田中的節(jié)能應用[J].石油石化節(jié)能，2013（7）：22-25.

[4]范玉平.太陽能節(jié)能技術在油田的應用[J].石油天然氣學報，2005，27（3）：568-569.

[5]關俊嶺.太陽能高溫熱在西北油田單井應用的可行性分析[J].石油石化節(jié)能與減排，2013，3（5）：36-41.

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[8]戴永慶，鄭玉清.溴化鋰吸收式制冷機[M].國防工業(yè)出版社，1980，06.endprint