CO2空氣源熱泵原油加熱輸送工程應(yīng)用效果分析

曾俊杰，陶富民，韓宗偉，張孝順，劉恩鵬

（1.東北大學(xué)冶金學(xué)院；2.沈陽群賀新能源科技有限公司）

0 引言

中國油田所產(chǎn)原油多數(shù)為高含蠟原油，蠟含量多為15%～37%，有的甚至高達(dá)40%以上［1］。若直接進(jìn)行管道輸送，易造成凝管事故，因此必須將原油加熱到一定溫度后才能進(jìn)行長距離的管道輸送。目前，油田的原油加熱多采用水套爐和電加熱器等方式。其中，水套爐普遍存在排煙溫度過高、過?？諝庀禂?shù)較大等問題［2］，導(dǎo)致加熱效率低；而電加熱器一般與太陽集熱系統(tǒng)配合使用，以達(dá)到節(jié)能降耗的作用［3-4］，但其運(yùn)行系統(tǒng)復(fù)雜，不適用于太陽能不充足的地區(qū)。隨著近年臭氧層破壞和溫室效應(yīng)的加劇，人們對環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展越來越重視［5］，尋找一種節(jié)能、環(huán)保、可推廣普及的原油加熱技術(shù)，顯得極為重要。

近年來，空氣源熱泵的應(yīng)用逐漸增多，其中江蘇油田對空氣源熱泵在節(jié)能降耗方面的應(yīng)用做出積極嘗試，并率先提出和嘗試復(fù)疊式空氣源熱泵在加熱原油上的應(yīng)用［6-7］；長慶油田則將太陽能-空氣源熱泵復(fù)合加熱技術(shù)用于實(shí)際應(yīng)用中［8］，為該地區(qū)推廣熱泵技術(shù)用于原油輸送提供參考。但目前以傳統(tǒng)制冷工質(zhì) R22（二氟一氯甲烷）、R410A（50%二氟甲烷和50%五氟乙烷組成）或R417（四氟乙烷、五氟乙烷和丁烷組成）來制熱的空氣源熱泵普遍存在加熱溫度受限、低溫環(huán)境效率低等問題［9-10］。而同條件下CO2空氣源熱泵采用超臨界 CO2加熱原油，加熱溫度可達(dá)90 ℃，受環(huán)境溫度影響相對有限，同時(shí)由于CO2單位容積制冷量大、換熱效果好，低溫下運(yùn)行也更加穩(wěn)定高效。此外CO2作為工質(zhì)，其ODP（消耗臭氧潛能值）為0，GWP（全球變暖潛能值）為1［11］，不需回收和再生，更加環(huán)保。因此基于中國大部分油田位于東北等寒冷地區(qū)的國情，CO2空氣源熱泵用于原油輸送具有較好的可行性。

目前，國內(nèi)外CO2空氣源熱泵在原油加熱運(yùn)輸中的應(yīng)用很少，為分析其具體應(yīng)用情況，本文選取東北地區(qū)某油田為研究對象，對CO2空氣源熱泵實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行分析，為確定高效環(huán)保的原油加熱技術(shù)提供參考。

1 CO2空氣源熱泵原油加熱可行性分析

測試油井原采用燃?xì)馑谞t對原油運(yùn)輸管道進(jìn)行加熱。燃?xì)馑谞t主要由殼體、火筒、煙管、盤管及其他附件構(gòu)成。在原油輸送流程中，燃?xì)馑谞t系統(tǒng)由燃燒器燃燒后火筒和煙管內(nèi)的熱煙氣加熱殼體內(nèi)的水，通過熱水循環(huán)進(jìn)一步加熱管道，達(dá)到加熱原油的目的，具體加熱流程如圖1所示。

圖1 燃?xì)馑谞t加熱流程

由于通過煙氣作為載體與水交換熱量，加熱過程中易結(jié)垢積灰同時(shí)燃料燃燒不完全，從而導(dǎo)致加熱效率低（80%～85%）［12］、污染嚴(yán)重，這與節(jié)能環(huán)保的大趨勢明顯不符。同時(shí)，因?yàn)樗谞t要實(shí)現(xiàn)燃料燃燒、煙氣與水的熱交換等過程，所需空間較大。此外，油田水套爐運(yùn)行工況晝夜變化較大，需要司爐工摸清具體情況，并及時(shí)作出相應(yīng)調(diào)整，操作復(fù)雜［13］。而CO2空氣源熱泵直接使用電能驅(qū)動，充分利用低品位環(huán)境空氣熱能，效率較燃?xì)馑谞t高很多，其具體加熱流程如圖2所示。

圖2 CO2空氣源熱泵加熱流程

低壓冷媒經(jīng)回?zé)崞黝A(yù)熱后被壓縮機(jī)吸入，經(jīng)壓縮后進(jìn)入超臨界狀態(tài)的高溫高壓氣體進(jìn)入冷卻器。水作為傳熱介質(zhì)將高溫高壓氣體中的熱量持續(xù)傳遞到儲油罐，同時(shí)冷卻下來的高壓氣態(tài)工質(zhì)經(jīng)回?zé)崞黝A(yù)熱后進(jìn)入節(jié)流閥降壓，變?yōu)榈蛪簹庖夯旌衔镞M(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中液態(tài)冷媒吸收熱量變成氣態(tài)。氣態(tài)冷媒隨后進(jìn)入壓縮機(jī)，進(jìn)行下一次循環(huán)。由于CO2的單位容積制熱量較一般氟利昂工質(zhì)大得多，因此對于相同制冷量的系統(tǒng)，CO2空氣源熱泵結(jié)構(gòu)更緊湊。同時(shí)，因?yàn)镃O2臨界溫度較低，熱泵循環(huán)高壓加熱過程在超臨界區(qū)域進(jìn)行，且原油加熱側(cè)為直流式換熱，流動和傳熱效果良好。

目前，CO2空氣源熱泵控制系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)自動化，并可以通過PLC（可編程控制器）或GPRS（通用分組無線服務(wù)技術(shù)）快速有效調(diào)節(jié)溫度，操作簡單高效。由于燃?xì)馑谞t系統(tǒng)和CO2空氣源熱泵系統(tǒng)主體部分均在同一箱體或殼體中，工程上將燃?xì)馑谞t替換成CO2空氣源熱泵時(shí)，僅需將主體部分拆除替換，再安裝電子設(shè)備即可，無需進(jìn)行末端改造，較為方便快捷。

綜上分析，CO2空氣源熱泵在原油加熱輸送方面具有尺寸較小、操作管理自動化程度高、現(xiàn)場基本無污染物排放、高效節(jié)能、改造方便等特點(diǎn)，可行性較強(qiáng)。其與燃?xì)馑谞t具體比較如表1所示。

表1 加熱裝置現(xiàn)場綜合效果對比情況

2 工程應(yīng)用效果分析

CO2空氣源熱泵雖在原油加熱中具有巨大優(yōu)勢，但因缺少實(shí)際工程應(yīng)用，難以對其可行性進(jìn)行具體評估。為了驗(yàn)證 CO2空氣源熱泵的實(shí)際應(yīng)用效果，選取東北某油田進(jìn)行試驗(yàn)分析，現(xiàn)場應(yīng)用情況如圖3所示。

圖3 CO2空氣源熱泵現(xiàn)場應(yīng)用情況

應(yīng)用地區(qū)冬季平均氣溫約-9 ℃，其34-312油井于2019年改用CO2空氣源熱泵對原油進(jìn)行加熱。設(shè)備基本參數(shù)如表2所示，機(jī)組使用380 V三相電源，不同溫度下設(shè)備額定功率有所差別，且隨溫度降低而下降。

表2 CO2空氣源熱泵機(jī)組及性能參數(shù)

2019年11月28日至2020年4月1日，對設(shè)備進(jìn)行了試運(yùn)行，測試時(shí)間125 d。部分采集數(shù)據(jù)如表3所示，測試參數(shù)包括環(huán)境平均溫度、原油進(jìn)出口溫度、油量和耗電量等。

表3 油井熱泵加熱運(yùn)行情況（2019年11月28日至2020年4月1日）

通過表3測試數(shù)據(jù)可以看出，受環(huán)境溫度和機(jī)組制熱性能的影響，測試期間出口油溫在 57～66 ℃波動，滿足該地區(qū)出油溫度一般不低于55 ℃的原油運(yùn)輸要求。測試期間環(huán)境溫度變化最大幅值達(dá)18 ℃（第5階段和第8階段），但這兩個階段的出口油溫僅相差 3.6 ℃，原油溫度變化相對穩(wěn)定，機(jī)組加熱效果受環(huán)境影響較小，能夠?qū)⒃洼斔蜏囟仁冀K保持在最佳范圍內(nèi)。同時(shí)，隨著環(huán)境溫度降低，原油溫度與管外環(huán)境溫差增大，達(dá)到所需溫度的供熱量增加，因此熱泵機(jī)組的平均耗電量也隨之增長。根據(jù)擬合結(jié)果，隨環(huán)境溫度升高，用電量減少幅度逐漸趨于平穩(wěn)，在測試期間環(huán)境平均溫度每提高1 ℃，平均用電量約減少4～8 kW?h，最大減低幅度超過6%。

圖4為熱泵機(jī)組COP（制熱性能系數(shù)）與環(huán)境溫度變化曲線。COP表征熱泵能源利用效率，相同工作條件下，COP值越大，其制熱效果越好、越節(jié)能。原油換熱過程在儲油罐中進(jìn)行，COP為原油加熱量與儲油罐散熱量之和與機(jī)組耗電量之比，其中儲油罐內(nèi)液體約23 m3，罐體散熱面積約71 m2，傳熱系數(shù)約1.1 W/（m2?℃）。由圖4可以看出，機(jī)組COP變化基本與環(huán)境溫度同步，在環(huán)境平均溫度最低的第5階段，COP為1.85；環(huán)境平均溫度最高的第8階段，COP為2.67。測試階段平均COP為2.11，總體制熱效果較好。但由于儲油罐存在熱損失，原油實(shí)際加熱效率會低于熱泵能源利用效率。

圖4 熱泵機(jī)組COP與環(huán)境溫度變化曲線

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，實(shí)際加熱過程中原油噸加熱量與噸耗電量變化曲線如圖5所示。測試期間，平均噸加熱量為56.85 MJ，平均噸耗電量為10.15 kW?h。由于加熱效率為有效加熱量和耗電量之比，平均加熱效率達(dá)155.6%，較改進(jìn)前燃?xì)馑谞t加熱效率提高了70%左右。

圖5 噸加熱量與噸耗電量變化曲線

3 效益分析

3.1 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性

測試油井年產(chǎn)量為8 400 t，開采過程中非特殊情況一般不停止運(yùn)行。因此，為與實(shí)際情況吻合，后續(xù)計(jì)算中年運(yùn)行時(shí)間取365 d。

在使用 CO2空氣源熱泵前，燃?xì)馑谞t消耗油田伴生氣約為90 m3/d，廠內(nèi)燃?xì)饽昶骄鶅r(jià)格為2.09元/m3，則燃?xì)赓M(fèi)用為6.87×104元/a；改用CO2空氣源熱泵后，加熱裝置每日消耗電能隨環(huán)境溫度變化有所波動，其中夏季和秋季由于環(huán)境溫度升高耗電量會有所下降。若根據(jù)測試期間平均日耗電量估算全年耗電量，耗電量會偏大。測試期間平均日消耗電量約為233.5 kW?h，電費(fèi)以0.5元/（kW?h）計(jì)，則年消耗電費(fèi)最多不超過4.26×104元。在不考慮運(yùn)行過程中折舊損失和維護(hù)費(fèi)用的情況下，年節(jié)省2.61×104元，節(jié)省率達(dá)37.99%。安裝CO2空氣源熱泵需一次性投資 26.5×104元，其回收年限約為 10年，能在15年使用年限內(nèi)收回成本，應(yīng)用前景較好。

考慮到如今大中型油田油井?dāng)?shù)均超過 1×104口，年產(chǎn)量均過萬噸，若推廣使用CO2空氣源熱泵，僅原油加熱輸送一項(xiàng)每年便可節(jié)省上億元。以東北遼河油田為例，其油井?dāng)?shù)約為1.1×104口，采用CO2空氣源熱泵后，年節(jié)省成本3.14×108元左右，經(jīng)濟(jì)效益良好。

3.2 節(jié)能減排效果

為便于比較分析，根據(jù)GB/T 2589—2020《綜合能耗計(jì)算通則》，將各種能源折算成標(biāo)準(zhǔn)煤進(jìn)行綜合能耗計(jì)算。其中，油田伴生氣（天然氣）折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)為1.100 0～1.330 0 kgce/m3，電力折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)為 0.404 kgce/（kW?h）。改進(jìn)前，單口油井消耗油田伴生氣約32 850 m3/a，折合一次能源約為39 912.8 kgce/a；改進(jìn)后，單口油井耗電量為85 227.5 kW?h/a，折合一次能源約為34 431.91 kgce/a。因此，與燃?xì)馑谞t相比，使用CO2空氣源熱泵每年可節(jié)約能耗5 479.89 kgce，綜合能耗節(jié)能率達(dá)13.73%，節(jié)能效果明顯。

減排方面，根據(jù)《環(huán)境保護(hù)實(shí)用數(shù)據(jù)手冊》中燃料排放污染物系數(shù)的取值，天然氣燃燒排放污染物中二氧化碳排放量取1.9 kg/m3，二氧化氮排放量取6.3 kg/104m3，二氧化硫排放量取1.0 kg/104m3，煙塵排放量取2.4 kg/104m3。在不考慮發(fā)電過程污染物排放的情況下，因禁用油田伴生氣每年所減少的二氧化碳排放量為62 415 kg，減少的二氧化氮排放量為20.7 kg，減少的二氧化硫排放量為3.3 kg，減少的煙塵排放量為7.9 kg。若推廣到整個遼河油田，則每年減少二氧化碳排放6.87×108kg，減少二氧化氮排放22.77×104kg，減少二氧化硫排放3.63×104kg，減少煙塵排放8.69×104kg。

4 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)原油加熱運(yùn)輸方式耗能大、污染嚴(yán)重等不足，提出運(yùn)用 CO2空氣源熱泵進(jìn)行原油加熱運(yùn)輸，通過分析東北某油田應(yīng)用 CO2空氣源熱泵后的實(shí)際效益，得出如下結(jié)論：

加熱效果方面，整個測試期間室外平均溫度為-9 ℃，原油出口溫度可保持在60 ℃左右，完全滿足該地區(qū)原油輸送要求。同時(shí) COP值保持在 1.8～2.7之間，原油實(shí)際加熱效率達(dá)155.6%，制熱性能良好；經(jīng)濟(jì)性方面，若不考慮折舊損失和維護(hù)費(fèi)用，單口油井年節(jié)省加熱成本約2.61×104元，運(yùn)行費(fèi)用減少37.99%，且能在10年左右收回成本；節(jié)能減排效果方面，單口油井年節(jié)約綜合能耗 5 479.89 kgce，節(jié)能率達(dá)13.73%；同時(shí)，企業(yè)每年可減少二氧化碳排放62 415 kg，二氧化氮排放20.7 kg，二氧化硫排放3.3 kg和煙塵排放7.9 kg。

從初步應(yīng)用 CO2空氣源熱泵的情況可知，CO2空氣源熱泵經(jīng)濟(jì)實(shí)用、節(jié)能減排效果顯著、操作安全高效，適用于寒冷地區(qū)原油加熱輸送；而在其他環(huán)境溫度較高的地區(qū)，綜合效果更佳。因此，CO2空氣源熱泵具有較高的應(yīng)用價(jià)值。