加熱原油的太陽(yáng)能-污水源熱泵系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

錢(qián)劍峰，王 強(qiáng)

(哈爾濱商業(yè)大學(xué) 能源與建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150028)

加熱原油的太陽(yáng)能-污水源熱泵系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

錢(qián)劍峰，王 強(qiáng)

(哈爾濱商業(yè)大學(xué) 能源與建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150028)

分析了油田用熱現(xiàn)狀和含油污水利用現(xiàn)狀，詳述了太陽(yáng)能熱泵在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀.在此基礎(chǔ)上，提出應(yīng)用太陽(yáng)能-污水源熱泵系統(tǒng)回收含油污水余熱來(lái)加熱原油，進(jìn)而分析了該系統(tǒng)的組成及五種運(yùn)行模式，建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，為太陽(yáng)能-污水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用提供參考.

太陽(yáng)能熱泵；含油污水；原油加熱；節(jié)能環(huán)保

我國(guó)原油特點(diǎn)是凝點(diǎn)高、黏度大，在原油輸送過(guò)程中必須加熱維溫以保持原油良好的流動(dòng)性.目前各油田大多通過(guò)化石能源的燃燒提供油田用熱，其能源利用率較低，造成了大量的能源浪費(fèi)，同時(shí)有害氣體的排放也對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，因此急需開(kāi)發(fā)一種可靠、穩(wěn)定、連續(xù)、節(jié)能的油田供熱方式.

現(xiàn)階段，我國(guó)大部分油田的開(kāi)發(fā)已經(jīng)進(jìn)入采油的中后期，油田中采出液的含水率在70%～90%左右，對(duì)它們進(jìn)行油水分離處理后，一部分用于回注，另一部分直接排入外界環(huán)境[1].含油污水的溫度大約在35～60 ℃之間，其中所含熱量十分巨大，直接外排不僅浪費(fèi)能源，而且對(duì)環(huán)境產(chǎn)生“熱污染”.

面對(duì)全球氣候變暖，我國(guó)制定了多項(xiàng)法律法規(guī)促進(jìn)節(jié)能減排和低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展.在暖通空調(diào)行業(yè)的發(fā)展中，太陽(yáng)能熱泵采暖系統(tǒng)作為一種新型的綠色環(huán)保供暖方式成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)[2].因此本文提出太陽(yáng)能-污水源熱泵系統(tǒng)，利用太陽(yáng)能和含油污水中的余熱聯(lián)合為油田輸油系統(tǒng)加熱維溫，這對(duì)節(jié)約化石能源的燃燒、建設(shè)節(jié)能環(huán)保型社會(huì)具有一定的研究意義.

1 引 言

1.1油田用熱現(xiàn)狀

我國(guó)油田用熱主要包括原油輸送系統(tǒng)的加熱和冬季生活區(qū)采暖兩部分(如圖1)，原油輸送時(shí)一般需加熱至40～70 ℃，而生活區(qū)采暖需要的熱水通常在80 ℃左右，兩者均為低品位熱用戶[3].目前油田中各用熱環(huán)節(jié)均采用加熱爐加熱，而原油加熱爐存在多種腐蝕情況，主要包括燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣對(duì)爐管外壁及爐內(nèi)件的高溫氧化，爐管內(nèi)被加熱介質(zhì)對(duì)管路系統(tǒng)的沖蝕、碳化、硫化、氫損傷、煙氣的露點(diǎn)腐蝕和開(kāi)停工等不穩(wěn)定工況引起的熱沖擊等.此外，加熱爐內(nèi)化石燃料燃燒產(chǎn)生大量灰塵，積灰嚴(yán)重，煙灰中的硫化物在潮濕空氣中酸化，導(dǎo)致?tīng)t管產(chǎn)生點(diǎn)蝕.同時(shí)，加熱爐內(nèi)溫度分布不均會(huì)引起熱應(yīng)力腐蝕，嚴(yán)重時(shí)可誘發(fā)爆炸.由此可見(jiàn)，原油加熱爐不僅消耗大量的一次能源，而且存在很多不足及安全隱患.因此，油田各環(huán)節(jié)用熱應(yīng)積極開(kāi)發(fā)新能源、新技術(shù)，消除設(shè)備腐蝕及爆炸等一系列不安全隱患.

圖1 油田用熱需求

1.2含油污水的利用現(xiàn)狀

含油污水伴隨著油田的生產(chǎn)過(guò)程而產(chǎn)生，雖然各大油田的含油污水的溫度有所差別，但它們的溫度一般都較高，其溫度分布如表1所示.我國(guó)油田含油污水日產(chǎn)量為1.9×106m3，目前污水一部分用于回注，另一部分直接排入外界環(huán)境.以海上油田為例，海上油田每年含油污水排放量為4.648×107t[4].若將外排污水中的余熱進(jìn)行回收，將會(huì)得到很大一部分熱量.以大慶油田為例，大慶油田2008年含油污水量為121.5×104m3/d，取10 ℃溫差，其熱值可替代1 388.57 t標(biāo)準(zhǔn)煤[5]，這意味著我國(guó)油田含油污水余熱的回收利用具有巨大的潛力.

表1 我國(guó)各油田含油污水溫度分布

2 太陽(yáng)能熱泵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富，各地的太陽(yáng)能年總輻射量約為3.3×106～8.4×106kJ/(m2·a)，平均值達(dá)到5.9×106kJ/(m2·a).其中全國(guó)總面積的2/3以上的地區(qū)年日照時(shí)數(shù)大于2 000 h[6]，具有良好的開(kāi)發(fā)條件和應(yīng)用價(jià)值.太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)是將太陽(yáng)能系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)組合利用的一種裝置，它利用太陽(yáng)能集熱器所獲得的太陽(yáng)輻射能量作為熱泵的低溫?zé)嵩?，這樣既降低了一次能源的消耗又能通過(guò)降低太陽(yáng)能集熱器表面溫度來(lái)提高集熱器的吸收效率.

2.1國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)50年代初，Jodan和Therkeld首次提出了太陽(yáng)能與熱泵聯(lián)合運(yùn)行的思想.之后，許多學(xué)者對(duì)太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了研究.

A·Georgiev[7]利用太陽(yáng)能集熱器作為熱泵的低溫?zé)嵩催M(jìn)行了試驗(yàn)，分析發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)效率和熱泵 COP 隨著蒸發(fā)溫度的升高或者冷凝溫度的降低而增大，并且伴隨冷凝側(cè)質(zhì)量流量的增加而增大.B·Stojanovi和J·Akander[8]針對(duì)某住宅的串聯(lián)式太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，兩年期間完全滿足建筑熱負(fù)荷要求.Kadir Bakirci和Bedri Yuksel[9]研究了附帶蓄熱裝置的太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行狀況.研究發(fā)現(xiàn)，平板集熱器的集熱效率在33%～47%之間，熱泵的COP為3.8，系統(tǒng)的COP為2.9.F·Scarp,G·Tagliafico 等人[10]針對(duì)平板集熱器式太陽(yáng)能低溫?zé)崴洼o助熱源為燃?xì)忮仩t的直膨式系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)后者的COP是前者的兩倍.F·B·Gorozabel Cllata等[11]分析了制冷劑對(duì)直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)性能的影響，研究得出COP值取決于純制冷劑及混合物的種類(lèi).Jorn Ruschenburg等人[12]全面回顧和分析市場(chǎng)上存在的太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)，對(duì)太陽(yáng)能集熱器和熱泵之間的交互作用進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析研究.

2.2國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)太陽(yáng)能熱泵的研究相比國(guó)外來(lái)說(shuō)起步較晚，20世紀(jì) 90 年代后期才開(kāi)始關(guān)注太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng).

王成勇[13]等人對(duì)并聯(lián)式太陽(yáng)能土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，其平均制熱效率為7.63，是單一土壤源熱泵的2倍左右.葉曉莉[14]研究發(fā)現(xiàn)以 TRNSYS 軟件建立的太陽(yáng)能—土壤源熱泵系統(tǒng)仿真模型和實(shí)驗(yàn)研究的誤差在(±15)%以內(nèi)，而且兩者變化趨勢(shì)一致.劉其偉和姜益強(qiáng)等人[15]設(shè)計(jì)了一種適用于嚴(yán)寒地區(qū)的太陽(yáng)能熱泵采暖系統(tǒng)，數(shù)據(jù)表明，11月和12月的典型日太陽(yáng)能保證率分別可達(dá)70%和51%，節(jié)約費(fèi)用可達(dá)60%左右.李善可[16]設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能—水源熱泵串聯(lián)式供熱系統(tǒng).通過(guò)經(jīng)濟(jì)分析，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)受能源價(jià)格的變化不大，而且清潔無(wú)污染.馬文瑞[17]以哈爾濱的一幢單體辦公建筑的串聯(lián)式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)為研究對(duì)象，研究發(fā)現(xiàn)集熱器最佳傾角為55°，且熱泵在按照建筑負(fù)荷70%運(yùn)行時(shí)節(jié)能效果最佳.趙達(dá)和張欣艷等人[18]提出并研究了太陽(yáng)能土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，通過(guò)理論分析，系統(tǒng)可更大程度的降低常規(guī)能源消耗率和運(yùn)行費(fèi)用[19].

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者在試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬方面對(duì)太陽(yáng)能熱泵進(jìn)行了研究，但大多研究的是單一熱源.本文在前人研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了太陽(yáng)能-污水源熱泵系統(tǒng)，太陽(yáng)能與油田污水共同作為熱泵熱源，分析了該系統(tǒng)的五種運(yùn)行模式，建立了系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型.

3 太陽(yáng)能-污水源熱泵系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

太陽(yáng)能-污水源熱泵系統(tǒng)利用污水余熱及太陽(yáng)能作為復(fù)合熱源，屬于清潔的太陽(yáng)能資源與污水余熱回收綜合利用的一種方式.與傳統(tǒng)熱泵形式不同，該熱泵系統(tǒng)的低溫?zé)嵩纯梢杂商?yáng)能集熱系統(tǒng)和污水源交替或共同提供，克服了單純太陽(yáng)能供熱由于夜間、陰雨天氣或冬季太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較低而使熱泵機(jī)組無(wú)法正常工作的問(wèn)題.

3.1太陽(yáng)能-污水源熱泵系統(tǒng)的組成

本文針對(duì)大慶油田用熱情況，設(shè)計(jì)出混合式太陽(yáng)能-污水源熱泵系統(tǒng)，如圖2所示.該系統(tǒng)主要由兩大部分組成：一是太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)，該部分包括太陽(yáng)能平板集熱器、蓄熱水箱、循環(huán)水泵及連接管件等；二是熱泵循環(huán)機(jī)組，這一部分包括蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥等組成.這兩部分經(jīng)連接管及閥門(mén)連接在一起形成太陽(yáng)能-污水源熱泵系統(tǒng).由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖可以看出，本系統(tǒng)的太陽(yáng)能集熱部分與污水的余熱回收部分并聯(lián)，然后與熱泵循環(huán)機(jī)組串聯(lián)，共同對(duì)用戶側(cè)進(jìn)行熱水供應(yīng).

3.2太陽(yáng)能-污水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行模式

太陽(yáng)能-污水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行模式是指系統(tǒng)運(yùn)行期間根據(jù)工況與太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度等因素的不同選擇不同的低溫?zé)嵩醇肮艿肋B接方式，主要包括以下幾種：1)太陽(yáng)能集熱器單獨(dú)供熱模式；2)太陽(yáng)能熱泵與污水源熱泵系統(tǒng)交替供熱的運(yùn)行模式；3)同時(shí)采用太陽(yáng)能和污水作為熱泵系統(tǒng)的低溫?zé)嵩吹穆?lián)合運(yùn)行模式； 4)太陽(yáng)能集熱器與輔助加熱裝置聯(lián)合供熱模式.

1～3—截止閥；4—集熱器；5—水泵；6—蒸發(fā)器；7—壓縮機(jī)；8—冷凝器；9—節(jié)流閥；10—污水換熱器；11—污水處理站；12—注水站；13—輔助加熱器；14～15—水箱；16—原油換熱器.圖2 混合式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)

3.2.1 太陽(yáng)能集熱器單獨(dú)供熱模式

在天氣晴朗，太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度較大的條件下，閥3打開(kāi)，閥1、2關(guān)閉，熱泵機(jī)組不工作，由太陽(yáng)能集熱器單獨(dú)運(yùn)行.水箱里的水由泵泵送到太陽(yáng)能集熱器，經(jīng)集熱器加熱到80 ℃后再流回蓄熱水箱以供使用.此時(shí)，該系統(tǒng)充分利用太陽(yáng)能輻射熱量加熱熱水，見(jiàn)圖3(圖中粗線表示運(yùn)行流程，下同).

圖3 太陽(yáng)能集熱器單獨(dú)供熱模式

3.2.2 太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)供熱模式

當(dāng)太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度不足以滿足所需供熱要求時(shí)，閥1開(kāi)啟，閥2、3關(guān)閉，運(yùn)行熱泵機(jī)組進(jìn)行二次升溫來(lái)達(dá)到80 ℃供熱要求.此時(shí)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)與熱泵機(jī)組串聯(lián)，水流經(jīng)集熱器時(shí)吸收太陽(yáng)輻射能，水溫上升，經(jīng)過(guò)加熱的水作為熱泵機(jī)組的低溫?zé)嵩矗瑹崃客ㄟ^(guò)熱泵機(jī)組工質(zhì)的循環(huán)傳遞給用戶側(cè)的水，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示.

3.2.3 污水源熱泵系統(tǒng)供熱模式

當(dāng)遇到連續(xù)陰天、夜間或者冬季的嚴(yán)寒天氣，此時(shí)的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度非常低，太陽(yáng)能集熱器不能利用太陽(yáng)輻射對(duì)流進(jìn)的水進(jìn)行加熱，而且冬季溫度較低時(shí)可能會(huì)因結(jié)冰等問(wèn)題破壞集熱器.這時(shí)閥2開(kāi)啟，閥1、3關(guān)閉，單獨(dú)利用污水作為熱泵機(jī)組的低溫?zé)嵩?，運(yùn)行污水源熱泵模式加熱用水至80 ℃，污水源熱泵的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示.

圖4 太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)供熱模式

圖5 污水源熱泵系統(tǒng)供熱模式

3.2.4 太陽(yáng)能-污水源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合供熱模式

當(dāng)經(jīng)太陽(yáng)能集熱器加熱后水的溫度略高于污水源的水溫或兩者非常接近時(shí)，可以同時(shí)采用兩種熱源作為熱泵機(jī)組的低溫?zé)嵩?閥1、2打開(kāi)，閥3關(guān)閉)，保證熱泵低溫?zé)嵩吹姆€(wěn)定性，提高蒸發(fā)溫度.供應(yīng)熱水量固定時(shí)，通過(guò)此種措施可以有效地減小集熱器的面積，減小初期的投入，結(jié)構(gòu)形式如圖6.

圖6 太陽(yáng)能-污水源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合供熱模式

3.2.5 太陽(yáng)能集熱器與輔助加熱裝置聯(lián)合供熱模式

當(dāng)熱泵系統(tǒng)出水溫度過(guò)低，太陽(yáng)能集熱器又不足以達(dá)到供熱需求，此時(shí)開(kāi)啟輔助加熱裝置，使太陽(yáng)能集熱器與輔助加熱裝置聯(lián)合工作(閥3開(kāi)啟，閥1、2關(guān)閉)，進(jìn)一步將熱水加熱到80 ℃的溫度需求，具體流程如圖7.

圖7 太陽(yáng)能集熱器與輔助加熱裝置聯(lián)合供熱模式

4 系統(tǒng)模型的建立

4.1集熱器數(shù)學(xué)模型

系統(tǒng)各部件采用穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，各自建立太陽(yáng)能平板集熱器模型與熱泵系統(tǒng)模型.忽略各管路壓力損失及管路向環(huán)境的散熱損失.在穩(wěn)態(tài)時(shí)，平板集熱器的熱貯存率為零，其有效集熱量為：

Qu=Qs-Ql

(1)

其中：Qu為集熱器單位時(shí)間內(nèi)有效得熱量，kW；Qs為集熱器單位時(shí)間內(nèi)吸收到的太陽(yáng)輻射能量，kW；Ql為單位時(shí)間內(nèi)集熱器熱損失，kW.

Qs=AcGt(τα)e

(2)

其中：Ac為集熱器的面積，m2；Gt為太陽(yáng)輻射照度，W/m2；τ為玻璃蓋板對(duì)太陽(yáng)輻射的透過(guò)率；α為集熱器對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收率.

Ql=ACUl(tm-ta)

(3)

其中：Ul為集熱器的熱損失系數(shù)，W/(m2·K)；tm為吸熱板的平均溫度，K；ta為環(huán)境溫度，K.

將式(2)、(3)帶入式(1)得

Qu=AcGt(τα)e-ACUl(tm-ta)

(4)

集熱器效率：

(5)

其中：ηc為太陽(yáng)能集熱器效率.

將式(4)帶入式(5)得

(6)

4.2熱泵數(shù)學(xué)模型

制冷劑流量：

(7)

其中：mr1為制冷劑的循環(huán)量，kg；Vh為壓縮機(jī)的工作容積；ηv為容積效率；r為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，rad/min；v1為壓縮機(jī)進(jìn)口處制冷劑的比容，m3/kg.

蒸發(fā)器能量平衡方程：

Qe=mr1 (h1-h4)

(8)

其中：Qe為蒸發(fā)器吸熱量，kW；h4和h1分別為蒸發(fā)器進(jìn)、出口制冷劑的比焓，kJ/kg.

冷凝器能量平衡方程：

Qc=mr1 (h2-h3)

(9)

其中：Qc為冷凝器放熱量，kW；h2和h3分別為冷凝器進(jìn)、出口制冷劑的比焓，kJ/kg.

節(jié)流閥流量：

(10)

其中：CD為流量系數(shù)；As為膨脹閥流通截面積，m3；ρl為膨脹閥入口制冷劑密度，kg/m3；ΔP為膨脹閥進(jìn)、出口處制冷劑壓力差，Pa.

節(jié)流過(guò)程認(rèn)為是絕熱等焓過(guò)程，故有：

h3=h4

(11)

其中：h3和h4為膨脹閥進(jìn)出口處制冷劑的比焓，kJ/kg.

熱泵性能系數(shù)：

(12)

其中：COP為熱泵性能系數(shù)；Wi為壓縮機(jī)所消耗的電量，kW.

4.3系統(tǒng)總效率

把該復(fù)合系統(tǒng)的總熱效率定義為系統(tǒng)的總得熱量與系統(tǒng)耗功之比.總得熱量包括熱泵冷凝放熱量以及太陽(yáng)能集熱器獲得的有效集熱量?jī)刹糠?，則總熱效率表示為：

(13)

其中：∑Wj為系統(tǒng)水泵耗電量，kW.

5 結(jié) 語(yǔ)

太陽(yáng)能-污水源熱泵系統(tǒng)集合了太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)的雙方面優(yōu)勢(shì)，不僅解決了油田供熱存在的能源利用率低、污染環(huán)境的問(wèn)題，而且充分利用含油污水的余熱，節(jié)能環(huán)保.此外，太陽(yáng)能-污水源熱泵系統(tǒng)克服了太陽(yáng)能系統(tǒng)的間斷性問(wèn)題，同時(shí)循環(huán)水吸收太陽(yáng)輻射能，與含油污水混合作為熱泵的低溫?zé)嵩?，解決了熱泵系統(tǒng)低溫?zé)嵩吹牟环€(wěn)定性問(wèn)題.隨著太陽(yáng)能熱泵技術(shù)的不斷深入研究，太陽(yáng)能-污水源熱泵系統(tǒng)將具有很大的發(fā)展前景.

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Developmentonsolar-assistedsewagesourceheatpumpsystemforcrudeoilheating

QIAN Jian-feng, WANG Qiang

(School of Energy & Construction Engineering, Harbin University of Commerce, Harbin 150028, China)

In this paper, the situations of crude oil heating and oily water utilization were analyzed. The development situation of solar heat pump at home and abroad was introduced. It was put forward that the solar-assisted sewage source heat pump system could be used to reuse oily water for crude oil heating. The composition of the system and five kinds of operation mode were analyzed. The mathematical model was also established. It provided some references for the application of solar-assisted sewage source heat pump system.

solar heat pump; oily water; crude oil heating; energy saving and environmental protection

2016-11-17.

黑龍江省高校青年人才培養(yǎng)計(jì)劃(UNP YSCT-2015072)

錢(qián)劍峰(1979-)，男，博士，副教授，研究方向：制冷與熱泵節(jié)能技術(shù).

X741

：A

1672-0946(2017)04-0477-05