空氣源熱泵技術(shù)在海上平臺(tái)的應(yīng)用

吳斌，姜春起，曲雙杰

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452)

海上平臺(tái)生產(chǎn)需要消耗大量的原油或者柴油，不僅投資成本增加，而且碳排放量過(guò)高。為此，考慮對(duì)平臺(tái)電加熱設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，采用空氣源熱泵技術(shù)和智能化控制技術(shù)，充分利用平臺(tái)發(fā)電機(jī)廢熱和空氣低效熱能，把這些低效熱源變成高效熱源，為海上平臺(tái)員工提供熱水與舒適的生活環(huán)境，降低能源消耗，減少碳排放量。

1 空氣源熱泵應(yīng)用的可行性

1.1 海上平臺(tái)面臨的能耗問題

海洋石油平臺(tái)屬于高耗能企業(yè)，碳排量量過(guò)高會(huì)嚴(yán)重制約企業(yè)的發(fā)展，節(jié)能降耗已成為海洋石油生產(chǎn)平臺(tái)關(guān)注的重點(diǎn)。每個(gè)海上平臺(tái)的碳排放量是有配額限制的，高出配額的一部分就要去碳交易市場(chǎng)購(gòu)買，并且能耗的增加也會(huì)增加成本投入，使原油開采成本進(jìn)一步提高，從而限制了企業(yè)的發(fā)展。降低能耗，減少碳排放量，已經(jīng)成為企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。

1.2 空氣源熱泵節(jié)能原理

空氣源熱泵是一種將熱量從低位熱源流向高位熱源的節(jié)能機(jī)械裝置，可以把不能直接利用的低位熱能(如空氣、土壤、水中所含的熱量)轉(zhuǎn)換為可以利用的高位熱能，把室外的能量傳到屋內(nèi)，從而達(dá)到節(jié)能的目的?？諝庠礋岜檬抢媚婵ㄖZ循環(huán)原理，利用少量電力，推動(dòng)壓縮機(jī)對(duì)介質(zhì)做功。介質(zhì)能通過(guò)熱交換器吸收環(huán)境中空氣的熱量，同時(shí)介質(zhì)從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，再通過(guò)電力驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)將介質(zhì)壓縮為較高溫高壓的液體，最后水與空氣通過(guò)另外一個(gè)較熱交換器從而獲得熱水和溫暖的空氣。由壓縮機(jī)消耗的功轉(zhuǎn)化成的熱僅是熱泵輸出熱量的一小部分，大部分是自然界提供的自然能，這種能量是免費(fèi)和取之不盡的。所以熱泵與直接使用電加熱相比是一種高度節(jié)能裝置。

1.3 海洋環(huán)境影響

海上冬季，室外溫度低于-8 ℃，寒風(fēng)凜冽，空氣源熱泵的制熱性能與海上平臺(tái)環(huán)境氣溫有著直接的關(guān)系。空氣源熱泵的制熱過(guò)程比較復(fù)雜，當(dāng)換熱器表面溫度低于空氣露點(diǎn)溫度時(shí)，空氣中的水汽就會(huì)結(jié)露，此時(shí)換熱器表面就可以相變換熱，制熱能力得到提高；但當(dāng)換熱器表面溫度低于空氣的冰點(diǎn)溫度時(shí)，換熱器表面就會(huì)結(jié)霜，影響熱交換量，甚至?xí)Y(jié)冰，壓縮機(jī)也會(huì)出現(xiàn)低壓保護(hù)停機(jī)現(xiàn)象。換熱器表面結(jié)霜，會(huì)影響正常有效的供熱，所以必須定時(shí)化霜。

目前陸地空氣源熱泵機(jī)組大部分采用反向循環(huán)來(lái)化霜或者電加熱器化霜，壓縮機(jī)停止供熱，故系統(tǒng)供熱量受明顯影響。結(jié)霜很嚴(yán)重時(shí)，需要平均20～30 min化一次霜，一次化霜的時(shí)間為5～7 min，因化霜減少的供熱量達(dá)18%左右。海上環(huán)境氣溫更低，機(jī)組要不斷地化霜，供熱能力急劇下降。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)溫度為0～6 ℃時(shí)，供熱輸出率為額定工況下的75%～68%；當(dāng)溫度為-6～10 ℃時(shí)，機(jī)組的供熱輸出率為額定工況下的68%～59%；當(dāng)溫度在-10 ℃以下時(shí)，機(jī)組的供熱輸出率為額定工況下的59%以下。針對(duì)海上平臺(tái)特點(diǎn)，可在外部換熱器加設(shè)主機(jī)廢氣余熱輔助熔霜設(shè)備(提高主機(jī)廢氣余熱利用，降低能源浪費(fèi))，保證熱泵系統(tǒng)在冬季的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.4 智能化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制

空氣源熱泵智能控制系統(tǒng)應(yīng)該具有參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)控制，數(shù)據(jù)記錄、統(tǒng)計(jì)與分析，故障提示與報(bào)警等功能，可根據(jù)大數(shù)據(jù)分析結(jié)果實(shí)時(shí)智能啟動(dòng)相應(yīng)控制程序。采用可編程智能化控制系統(tǒng)，與現(xiàn)場(chǎng)中央空調(diào)PLC控制系統(tǒng)不沖突。智能監(jiān)控每個(gè)房間的溫度與濕度，并根據(jù)每個(gè)員工的不同生活習(xí)慣與體制進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，為每個(gè)員工提供舒適與健康的生活環(huán)境。實(shí)現(xiàn)智能化精準(zhǔn)控制，操作人員完全不必通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)來(lái)控制室溫，并且精準(zhǔn)控制可以實(shí)現(xiàn)5%-20%的節(jié)能效果。

采集每個(gè)房間的溫度、濕度、面積、人員數(shù)量、室外環(huán)境溫度與濕度、24 h的天氣預(yù)報(bào)與空調(diào)負(fù)荷的變化等，對(duì)每時(shí)段的空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，并采用壓縮機(jī)無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化壓縮機(jī)運(yùn)行，精準(zhǔn)控制循環(huán)風(fēng)機(jī)運(yùn)行與停止，使每個(gè)房間的室溫達(dá)到所需要的值。智能化控制系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)分析和調(diào)節(jié)控制功能把室內(nèi)的環(huán)境控制在對(duì)人體適宜的范圍內(nèi)，可避免電能的浪費(fèi)，避免過(guò)熱、過(guò)冷及空載現(xiàn)象的發(fā)生，有效解決系統(tǒng)惰性的控制時(shí)滯問題。

1.5 原中央空調(diào)與熱水器的節(jié)能性改造

1)單向閥改為四通閥。通過(guò)改變?cè)锌照{(diào)中可壓縮介質(zhì)流動(dòng)的方向，實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)既能制冷又能逆向運(yùn)行制熱。

2)熱水罐改裝。在熱水罐內(nèi)加換熱器，可壓縮介質(zhì)在外部換熱器中吸收空氣中的熱量并氣化，然后可壓縮介質(zhì)通過(guò)壓縮機(jī)壓縮后，壓力增大溫度升高，介質(zhì)再通過(guò)熱水罐內(nèi)的換熱器給水加熱，提供源源不斷的熱能。

3)熱回收換熱器。陸地工況條件下，空氣源熱泵一般采用的換熱器效率低，管路損失大，為此，在設(shè)備中加入熱回收裝置，解決熱泵系統(tǒng)的換熱效率低的技術(shù)問題。

4)主機(jī)廢氣余熱輔助熔霜設(shè)備。該設(shè)備利用平臺(tái)主機(jī)排氣余熱作為熱源并引入熱交換器，使用風(fēng)機(jī)將廢氣余熱通過(guò)廢氣熱交換器吹到中央空調(diào)的熱交換器上，從而使中央空調(diào)的熱交換器內(nèi)部的介質(zhì)升溫。利用平臺(tái)主機(jī)排氣余熱來(lái)為中央空調(diào)在冬季提供高效的熱源，安全可靠，主機(jī)廢氣不會(huì)泄露進(jìn)入生活樓。

2 系統(tǒng)組成

2.1 控制系統(tǒng)

1)邏輯控制方案。通過(guò)PLC程序?qū)χ醒肟照{(diào)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，建立數(shù)據(jù)庫(kù)；利用模糊理論與控制技術(shù)，通過(guò)對(duì)每個(gè)房間的溫度、濕度、房間面積、人員數(shù)量、室外環(huán)境溫度與濕度、24 h的天氣預(yù)報(bào)與空調(diào)負(fù)荷的變化情況等進(jìn)行記錄、統(tǒng)計(jì)、分析、運(yùn)算和推理，基于歷史負(fù)荷及其人員反饋，對(duì)每時(shí)段的空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，控制電磁閥的開度，解決系統(tǒng)惰性的控制時(shí)滯問題，即可增加舒適度，又可降低能耗。

2)通信方案。采用光纖通信，采集的每個(gè)房間的溫度與濕度等數(shù)據(jù)和人機(jī)界面輸入數(shù)據(jù)通過(guò)光纖傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能夠從整體上了解房間狀態(tài)，做出判斷，把指令信息傳給PLC系統(tǒng)控制中央空調(diào)運(yùn)行。另一方面，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)把控制數(shù)據(jù)通過(guò)光纖發(fā)送給人機(jī)界面，從而實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)的智能控制。

3)人機(jī)界面。組態(tài)王軟件具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，采用組態(tài)王軟件顯示中央空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)，顯示的內(nèi)容有報(bào)警窗口、電流實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線、室內(nèi)溫度和濕度曲線、室外溫度與濕度曲線、天氣預(yù)報(bào)等。通過(guò)這些信息可以快速分析中央空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)，便于設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)與檢修。各房間通過(guò)溫度控制器顯示房間溫度與濕度，控制風(fēng)閘開度，控制房間溫度。

控制實(shí)現(xiàn)過(guò)程見圖1。

圖1 控制實(shí)現(xiàn)過(guò)程示意

2.2 硬件配置

1)四通閥。用于改變空調(diào)中氟利昂流動(dòng)的方向，讓中央空調(diào)可以制冷也可以制熱，海上平臺(tái)原中央空調(diào)均是本身只能制冷，冬季使用電加熱管制熱，冬季消耗驚人的電能。把原中央空調(diào)的單相閥改為四通閥后，中央空調(diào)既能制冷又能制熱。

2)原中央空調(diào)。對(duì)原中央空調(diào)進(jìn)行制冷系統(tǒng)管路、電磁閥、控制系統(tǒng)改裝，加裝熱介質(zhì)油輔助熔霜系統(tǒng)，其他部分保留。

3)熱水罐與熱回收換熱器。增加1套熱水與熱回收換熱器，對(duì)相關(guān)介質(zhì)線路進(jìn)行改裝，見圖2～4，實(shí)現(xiàn)夏季房間制冷、冬季房間制熱、春秋季房間通風(fēng)和四季熱水器制熱，代替原始電加熱，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

圖2 夏季房間制冷，熱水器制熱原理示意

圖3 冬季房間制熱，熱水器制熱原理示意

圖4 春秋季房間通風(fēng)，熱水器制熱原理示意

4)主機(jī)廢氣余熱輔助熔霜設(shè)備。見圖5。

圖5 主機(jī)廢氣余熱輔助熔霜原理示意

該設(shè)備裝設(shè)在蒸發(fā)器旁，把平臺(tái)主機(jī)排氣余熱作為熱源，利用易于熱傳導(dǎo)的熱交換器和易于升溫的介質(zhì)，通過(guò)管線把高溫介質(zhì)運(yùn)到中央空調(diào)蒸發(fā)器旁邊的熱交換器，使用風(fēng)機(jī)將介質(zhì)的熱量通過(guò)吹到中央空調(diào)的蒸發(fā)器上，從而使中央空調(diào)的蒸發(fā)器內(nèi)部的介質(zhì)升溫。利用平臺(tái)主機(jī)排氣余熱作為中央空調(diào)在冬季提供的高效熱源，可提高能源利用率，也一定程度上減少環(huán)境污染。

3 平臺(tái)空氣源熱泵節(jié)能減排計(jì)算

用熱泵替代電加熱對(duì)生活樓與熱水器進(jìn)行加熱,按照海上平臺(tái)41人對(duì)節(jié)能減排效果進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，對(duì)空氣能比電加熱器節(jié)能進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，全年節(jié)能效率達(dá)到74%,因此,空氣能熱泵具有顯著的節(jié)能效果。詳細(xì)計(jì)算步驟如下。

1)需要消耗熱水。

=41人×30L/人×365 d=448 950 L。

2)電加熱每年需要消耗電能。

=448 950×(60-10 ℃)×4.2/3 600/0.95=27 567 kW·h。

3)空氣能每年需要消耗電能。

=448 950×(60-10 ℃)×4.2/3 600/4=6 547 kW·h。

4)節(jié)省電能。

=-=21 019 kW·h。

冬季中央空調(diào)節(jié)能效果計(jì)算如下。

1)原始中央空調(diào)電加熱器消耗電能。

=150 d×24 h×100 kW=360 000 kW·h。

2)空氣源熱泵中央空調(diào)消耗電能。

=/4=360 000 kW·h/4=90 000 kW·h。

3)節(jié)省電能。

=-=270 000 kW·h。

全年節(jié)省能源及碳排量計(jì)算。

1)全年節(jié)省電能。

=+=291 019 kW·h。

2)減少二氧化碳排量。

=291 019÷3 400×860×3.02=222 304 kg。

對(duì)海上平臺(tái)中央空調(diào)和生活熱水加熱系統(tǒng)改造后，41人的海上平臺(tái)每年可節(jié)省29萬(wàn)kW·h(相當(dāng)于116 t原油)，減少碳排放量222 t。不僅每年減少能源投入40萬(wàn)元，在規(guī)定的碳配額情況下提高生產(chǎn)產(chǎn)量。空氣源熱泵技術(shù)在海上平臺(tái)應(yīng)用后，節(jié)能減排效果非常明顯。并且此系統(tǒng)應(yīng)用智能化控制技術(shù)，精準(zhǔn)控制整個(gè)系統(tǒng)，可充分利用主機(jī)廢熱，保障熱泵系統(tǒng)高效運(yùn)行。

但是，空氣熱源泵需要壓縮機(jī)不斷運(yùn)行，也需要消耗一部分電能，能效比為3∶1，并且壓縮機(jī)運(yùn)行噪音較大，易對(duì)員工造成職業(yè)病危害。整體分析，海上平臺(tái)中央空調(diào)和生活熱水加熱系統(tǒng)的改造利大于弊，降本增效和節(jié)能減排效果顯著。

4 結(jié)論

空氣熱源泵在海上平臺(tái)應(yīng)用，原油或者柴油消耗量會(huì)大幅度降低，不僅降低了生產(chǎn)成本，而且在定量的碳配額的情況下，平臺(tái)生產(chǎn)產(chǎn)量可以進(jìn)一步提高。采用空氣源熱泵技術(shù)和智能控制技術(shù)，結(jié)合廢熱的利用，很好地解決了海上惡劣環(huán)境中平臺(tái)的生活舒適度和故障檢修等難題。但在環(huán)境溫度低于-20 ℃的情況下，應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備巡檢，防止結(jié)霜，并輔助電加熱保持舒適的環(huán)境。