熱泵替代油田燃油加熱爐技術(shù)研究

曲 虎，劉 靜，王 赪，付瑩瑩

（1.中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司華北分公司，河北任丘062552；2.中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司石油機(jī)械廠，河北 任丘 062552）

加熱爐是油田生產(chǎn)中的主要能耗設(shè)備[1]。目前，國(guó)內(nèi)各油田80%以上的用熱負(fù)荷是通過(guò)加熱爐提供的，油田加熱爐的主要燃料為原油和伴生氣，加熱爐在油田生產(chǎn)過(guò)程中消耗了大量的燃油和伴生氣，同時(shí)，排放了大量的硫化物和氮氧化物，對(duì)環(huán)境 造成嚴(yán)重 污染[2‐4]。

某油田對(duì)其運(yùn)行的15臺(tái)加熱爐排放進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果及按《鍋爐大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)》GB 13271-2014的要求指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表1。

通過(guò)表1可以看出，除燃?xì)饧訜釥t外，燃油及油氣混燒加熱爐煙氣排放均不達(dá)標(biāo)，其中二氧化硫超標(biāo)率為45.5%，氮氧化物超標(biāo)率為81.8%。由此可以看出，燃油加熱爐是油田站場(chǎng)供熱系統(tǒng)排放不達(dá)標(biāo)的主要因素，油田站場(chǎng)燃油加熱爐替代刻不容緩[5‐6]。目前，能從空氣中吸收熱量的空氣源熱泵和能從污水中吸收熱量的污水源熱泵是解決燃油加熱爐排放超標(biāo)問(wèn)題的有效途徑[7‐8]。

表1 加熱爐煙氣監(jiān)測(cè)結(jié)果及排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比Table 1 Comparison table of heating furnace flue gas monitoring results and emission standards

1 空氣源熱泵

1.1 工作原理及特點(diǎn)

空氣源熱泵基本原理如圖1所示。制冷劑的低壓蒸汽被壓縮機(jī)吸入并壓縮為高壓蒸汽后排至冷凝器。同時(shí)軸流風(fēng)扇吸入的室外空氣流經(jīng)冷凝器，與循環(huán)水一起帶走制冷劑冷凝放出的熱量，使高壓制冷劑凝結(jié)為高壓液體。高壓液體經(jīng)過(guò)過(guò)濾器、節(jié)流機(jī)構(gòu)后噴入蒸發(fā)器，并在相應(yīng)的低壓下蒸發(fā)，吸收周?chē)鸁崃?。如此反?fù)達(dá)到熱交換目的[9‐10]。

圖1 空氣源熱泵基本原理Fig.1 Basic schematic diagram of air source heat pump

空氣源熱泵的特點(diǎn)[11]：（1）適用范圍廣，在溫度為-7～40℃均可使用，不受陰、雨、雪等惡劣天氣和冬季夜晚的影響。（2）運(yùn)行效率受環(huán)境溫度影響較大，環(huán)境溫度越高，空氣源熱泵的運(yùn)行效率越高。（3）運(yùn)行成本低，節(jié)能效果突出，投資回報(bào)期短。（4）安全環(huán)保，無(wú)任何燃燒外排物，不會(huì)對(duì)人體造成損害，具有良好的社會(huì)效益。（5）撬裝化供應(yīng)，占地面積小。（6）易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)化，可自動(dòng)運(yùn)行，無(wú)人值守。

1.2 能耗計(jì)算

COP是衡量空氣源熱泵系統(tǒng)制熱效果的最重要標(biāo)準(zhǔn)。COP是空氣源熱泵的總制熱量與輸入功率之比，對(duì)于空氣源熱泵而言，COP的大小與環(huán)境溫度密切相關(guān)，COP越高，說(shuō)明空氣源熱泵能效越高?？諝庠礋岜每傊茻嶝?fù)荷計(jì)算方法見(jiàn)式（1）、（2）：

式中，Q為空氣源熱泵總制熱負(fù)荷，W；G為循環(huán)水的質(zhì)量流量，kg/s；c為循環(huán)水的比熱容，J/（kg·℃）；t進(jìn)、t出為循環(huán)水進(jìn)、出空氣源熱泵的溫度，℃。

式中，Q為空氣源熱泵總制熱負(fù)荷，W；Q空為空氣源熱泵在空氣中吸收的熱量，W；Q電為空氣源熱泵輸入的電能，W。

1.3 節(jié)能效果分析

蘇北油田采用1臺(tái)MWV-L400T1/S型空氣源熱泵機(jī)組為站內(nèi)儲(chǔ)罐維溫和管線伴熱，通過(guò)對(duì)1-6月份空氣源熱泵的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)，根據(jù)式（1）計(jì)算出空氣源熱泵的COP，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知，空氣源熱泵的COP維持在1.5～3.5，空氣源熱泵的COP隨著環(huán)境溫度的降低而降低[12]。

圖2 COP隨環(huán)境溫度變化Fig.2 COP vs.ambient temperature curve

根據(jù)式（1）和（2）可知：

環(huán)境溫度越低，空氣源熱泵從空氣中吸收的熱量越少。根據(jù)式（3）可知，在空氣源熱泵輸入電功率不變的情況下，空氣源熱泵從空氣中吸收的熱量越少，COP越低。

空氣源熱泵制熱溫度越高，需要熱泵工質(zhì)壓縮溫度越高，壓縮機(jī)輸入電功率越大。根據(jù)式（3）可知，在空氣提供熱量一定的前提下，空氣源熱泵輸入功率越大，其COP越低。

以提供100 kW伴熱負(fù)荷為例，分別對(duì)電加熱、加熱爐加熱和空氣源熱泵加熱（空氣源熱泵COP按照2.0計(jì)算）三種工藝進(jìn)行經(jīng)濟(jì)對(duì)比，結(jié)果如表2所示。由表2可知，采用空氣源熱泵比采用加熱爐工藝平均降低運(yùn)行費(fèi)用30%以上。

2 污水源熱泵

為達(dá)到較好的脫水效果，油田處理站（場(chǎng)）大部分采用熱化學(xué)脫水工藝，脫除的采出水溫度較高，在大慶油田、吐哈油田等采用二段脫水工藝的站（場(chǎng)），脫除的采出水溫度高達(dá)50℃以上；除此之外，某些油田的高溫產(chǎn)液井產(chǎn)出液溫度較高，可達(dá)60～70℃，這部分采出水分離后直接回注，未能有效利 用[13‐14]。

為了能有效利用此部分高溫?zé)崴臒崃?，降低油田站?chǎng)加熱爐負(fù)荷，在油田站（場(chǎng)）內(nèi)配置水源熱泵是一個(gè)較為合理的選擇。

表2 不同加熱工藝運(yùn)行能耗對(duì)比Table 2 Comparison of energy consumption for different heating processes

2.1 工作原理及特點(diǎn)

水源熱泵機(jī)組的工作原理如圖3所示。其通過(guò)輸入少量高品位能源(如天然氣、電能)，實(shí)現(xiàn)低溫位熱能向高溫位轉(zhuǎn)移。即消耗少部分電能或伴生氣，產(chǎn)生站場(chǎng)需要的熱負(fù)荷，從而能夠替代燃油加熱爐[15‐16]。

圖3 水源熱泵基本原理Fig.3 Basic principle diagram of water source heat pump

污水源熱泵分為電驅(qū)熱泵和燃驅(qū)熱泵，在伴生氣比較充足的油田站場(chǎng)可以采用燃驅(qū)水源熱泵。在伴生氣不充足的油田站場(chǎng)可以采用電驅(qū)水源熱泵。電驅(qū)水源熱泵和燃驅(qū)水源熱泵的對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。

2.2 能耗計(jì)算

污水源熱泵COP是總制熱量與輸入功率（輸入熱量）之比，COP越高，說(shuō)明污水源熱泵能效越高。

污水源熱泵總制熱量計(jì)算方法見(jiàn)式（4）、（5）：

式中，Q水為水源熱泵總制熱負(fù)荷，W；G為冷流體的質(zhì)量流量，kg/s；c為冷流體的比熱容，J/（kg·℃）；t進(jìn)、t出為冷流體進(jìn)、出水源熱泵的溫度，℃。

污水源泵總制熱量：

式中，Q為污水源熱泵總制熱負(fù)荷，W；Q污水為污水源熱泵在污水中提取的熱量，W；Q電為污水源熱泵輸入的電能，W；Q燃?xì)鉃槲鬯礋岜幂斎氲娜細(xì)鉄崮?，W。

表3 電驅(qū)/燃驅(qū)水源熱泵對(duì)比Table 3 Comparison table of electric/combustion water source heat pump

2.3 節(jié)能效果分析

某油田聯(lián)合站有伴生氣4 000 m3/d，采出水3 000 m3/d，溫度為40℃，站場(chǎng)需要熱負(fù)荷為2 200 kW，僅靠燃?xì)獠荒軡M足站場(chǎng)負(fù)荷需求。站內(nèi)可以采用燃?xì)?燃油、電驅(qū)水源熱泵、燃驅(qū)水源熱泵三種供熱方式，分別對(duì)以上供熱方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)對(duì)比。

2.3.1 采用燃?xì)?燃油方式供熱 采用燃?xì)?燃油供熱方式運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 燃?xì)?燃油方式供熱運(yùn)行參數(shù)Table 4 Operation parameters of gas+fuel oil heating

2.3.2 采用電驅(qū)水源熱泵供熱 采用電驅(qū)水源熱泵供熱方式運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表5。

2.3.3 采用燃驅(qū)熱泵供熱 采用電驅(qū)水源熱泵供熱方式運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表6。

由表4-6可知，采用加熱爐直接供熱方式運(yùn)行費(fèi)用最高，且需要燃油補(bǔ)充。燃驅(qū)熱泵運(yùn)行費(fèi)用次之，電驅(qū)熱泵運(yùn)行費(fèi)用最低，且電驅(qū)熱泵的碳排量最低。利用污水源熱泵比利用加熱爐最多可以降低運(yùn)行費(fèi)用45%以上，降低碳排量75%以上。

表5 電驅(qū)水源熱泵方式供熱運(yùn)行參數(shù)Table 5 Electric drive water source heat pump mode heating operation parameter table

空氣源熱泵適用范圍廣、維護(hù)費(fèi)用低，但單機(jī)容量低，機(jī)組效率受環(huán)境溫度影響較大；污水源熱泵單機(jī)容量較大，但對(duì)站場(chǎng)的低品位熱源需求量較大，具體對(duì)比見(jiàn)表7。對(duì)負(fù)荷需求較低、環(huán)境溫度較高的站場(chǎng)，推薦采用空氣源熱泵；對(duì)負(fù)荷需求較高，且伴生氣及污水較為充足的站場(chǎng)，推薦采用燃驅(qū)水源熱泵；對(duì)負(fù)荷需求較高、伴生氣較少、污水較為充足的站場(chǎng)，推薦采用電驅(qū)水源熱泵。

表6 燃驅(qū)熱泵方式供熱運(yùn)行參數(shù)Table 6 Operation parameters of heating system by combustion drive heat pump

3 結(jié) 論

隨著人們對(duì)生活品質(zhì)要求越來(lái)越高，國(guó)家對(duì)環(huán)保的要求也越來(lái)越嚴(yán)格，通過(guò)熱泵工藝取代排放普遍超標(biāo)的燃油加熱爐是解決油田生產(chǎn)供熱排放超標(biāo)的可行性方案。通過(guò)本文研究，熱泵技術(shù)在解決燃油替代、實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)環(huán)保達(dá)標(biāo)目的的同時(shí)，還可以獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益?？諝庠礋岜煤臀鬯礋岜眉夹g(shù)各有其優(yōu)點(diǎn)和限制條件，應(yīng)根據(jù)油田站場(chǎng)伴生氣量、污水產(chǎn)量及品質(zhì)及站場(chǎng)實(shí)際情況，用熱負(fù)荷的高低優(yōu)選合適的技術(shù)進(jìn)行燃油替代。

表7 燃油替代能源利用方式對(duì)比Table 7 Comparison table of fuel alternative energy utilization methods