基于動態(tài)費用年值法的空氣源熱泵加熱系統(tǒng)能耗評價研究

高明星，周亞東，陳浩宇，李娜，王治國

1.延長油田股份有限公司 志丹采油廠（陜西 延安 717500）2.西安石油大學(xué) 機械工程學(xué)院（陜西 西安 710065）

0 引言

延長油田地處鄂爾多斯盆地東南部，冬季平均溫度為-20 ℃，且油層埋藏較淺，冬季產(chǎn)出原油溫度一般在8～10 ℃，黏度較高[1]，造成集輸摩阻過高。因此，需要對原油進行加熱，避免因原油凝結(jié)或者結(jié)蠟而導(dǎo)致輸送摩阻過高或者油水分離困難[2]。

目前，延長油田大部分油井都采用鍋爐加熱或電磁加熱的方式。因為井口處或集輸站點的原油量較少，所以采用的鍋爐均為較小的熱水鍋爐，空氣污染嚴重。此外，這種熱水鍋爐燃燒采用的燃料一般來自油田產(chǎn)出的伴生氣，而伴生氣量隨著油井產(chǎn)量而波動，可靠性差[3]，往往不能保證冬季中井場或者集輸站點的全部加熱和采暖需要，而電磁加熱的耗電量太大，能耗較高，經(jīng)濟性差[4-5]。

國家能源局最新發(fā)布的《2021年新能源工作指導(dǎo)意見》中提出，要降低煤炭資源占終端能源消費比重，提高電能消費比重，深入落實碳達峰、碳中和目標(biāo)要求，持續(xù)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)[6]。因此，加熱系統(tǒng)如何進行選擇，不僅涉及技術(shù)的先進性，更需要考慮其經(jīng)濟性和節(jié)能環(huán)保性。使用新能源技術(shù)對原油進行井口和集輸站的加熱是油田地面技術(shù)的發(fā)展方向[7]。目前井口原油加熱技術(shù)所采用的新能源以太陽能、地源熱泵以及空氣源熱泵為主。太陽能加熱節(jié)能效果顯著，但極易受環(huán)境因素的影響，可靠性較差，一般不以單一形式存在[8；地源熱泵在進行安裝維護的初期投資金額過大[9]；空氣源熱泵是利用空氣作為低溫?zé)嵩矗G色環(huán)保，運行較為穩(wěn)定，綜合性能較好。

1 空氣源熱泵技術(shù)介紹

1.1 空氣源熱泵技術(shù)原理

空氣源熱泵的本質(zhì)為一種依據(jù)“逆卡諾循環(huán)”原理工作的熱能提升裝置，它可以在少量高品位能的輔助下，將水、空氣等環(huán)境熱源中的低品位熱能轉(zhuǎn)化為高品位熱能并釋放至循環(huán)介質(zhì)中加以利用，從而達到節(jié)約高品位能的目的，主要由壓縮機、蒸發(fā)器（空氣熱交換器）、冷凝器（熱水交換器）、膨脹閥4個部分組成，其工作原理如圖1[10]所示。具體工作過程為：低壓氣態(tài)冷媒經(jīng)過壓縮機壓縮后，轉(zhuǎn)化為高溫高壓氣體，壓縮機所需的電能為Q1。該氣態(tài)冷媒在冷凝器（熱水交換器）中與儲水裝置中的冷水進行熱交換，使其變成熱水，同時自身被冷凝為液態(tài)，交換的熱量為Q3。高壓液態(tài)冷媒通過膨脹閥減壓，壓力下降。低溫低壓的液態(tài)冷媒經(jīng)過蒸發(fā)器吸收空氣中熱量，由液態(tài)轉(zhuǎn)為氣態(tài)，吸收的環(huán)境熱量為Q2。低溫低壓氣態(tài)冷媒再由壓縮機進行壓縮，如此往復(fù)循環(huán)，不斷從空氣中吸收熱量，制取熱水。

1.2 空氣源熱泵加熱系統(tǒng)工藝分析

延長油田志丹采油廠某井，由于地理條件及環(huán)境因素的影響，不得不采取原油加熱的方式來滿足其外輸?shù)臏囟葪l件。該井?dāng)M采用空氣源熱泵來代替安全系數(shù)低、環(huán)保程度低、燃料不穩(wěn)定的燃氣鍋爐，對原油進行加熱并對辦公區(qū)域供暖。

該套系統(tǒng)主要采用油、水兩套循環(huán)系統(tǒng)進行運作。從井口出來的原油經(jīng)過儲油罐的緩沖后流入換熱撬，在其內(nèi)部與熱泵機組產(chǎn)生的熱水進行熱交換，加熱后返回儲油罐緩沖儲存，再外輸，此為油循環(huán)。熱泵機組加熱后的水流入換熱撬與原油進行熱交換，再流入辦公區(qū)進行供暖，最后流回?zé)岜脵C組進行再次加熱，此為水循環(huán)。辦公區(qū)旁另設(shè)并行的事故罐，以便辦公區(qū)內(nèi)換熱器發(fā)生事故或進行檢修時，熱水可以轉(zhuǎn)經(jīng)事故罐，繼續(xù)進行水循環(huán)，不影響整個原油加熱系統(tǒng)的運行。具體工藝流程圖如圖2所示。

2 空氣源熱泵加熱系統(tǒng)能耗評價方法

對于涉及空氣源熱泵加熱系統(tǒng)的能耗評價，國內(nèi)還沒有相應(yīng)的評價規(guī)范，結(jié)合相關(guān)文獻，擬從經(jīng)濟性分析、等價標(biāo)煤量、COP 值、CO2減排量[11-12]4 個方面綜合考慮各類加熱系統(tǒng)的能耗水平。

2.1 經(jīng)濟性分析基本原理

對于工程中的經(jīng)濟分析，經(jīng)濟學(xué)上一般采用靜態(tài)評價指標(biāo)和動態(tài)評價指標(biāo)兩種方法?？紤]到投入資金的時間價值和評價的精確程度，采用動態(tài)費用年值法對加熱系統(tǒng)進行經(jīng)濟性分析。引入動態(tài)評價法公式[13]:

式中：Z為加熱系統(tǒng)的費用年值，萬元；A為加熱系統(tǒng)年運行費用，萬元；a為貸款利率，%；n為加熱系統(tǒng)的運行年限，年；B為加熱系統(tǒng)所需投資費用，萬元。

進行加熱系統(tǒng)經(jīng)濟性分析時，以動態(tài)費用年值作為評價標(biāo)準(zhǔn)。通過設(shè)定基本利率，查閱相關(guān)資料及工程實例確定系統(tǒng)運行1 年所需的費用、運行年限、投資費用，代入式（1）中，可計算出相應(yīng)的費用年值。

2.2 等價標(biāo)煤量計算基本原理

不同的加熱系統(tǒng)使用的能源存在著差異，耗能單位也不同，因此各系統(tǒng)的能耗無法進行直接比較，但各類能源都可以轉(zhuǎn)化為熱能。為便于進行對比分析，可選取某種統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)燃料作為基準(zhǔn)，再通過各類能源的實際含熱量與標(biāo)準(zhǔn)燃料熱值之比即折標(biāo)系數(shù)，對各類能源進行折算。依據(jù)GB 2589—1990《綜合能耗計算通則》規(guī)定，每千克含有7 29.3 MJ熱值的煤，稱為1 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，表示符號為kgce。實際應(yīng)用中，也可采用“噸標(biāo)準(zhǔn)煤”為單位，表示符號為tce[14-15]。

因此，各類加熱系統(tǒng)能耗均可轉(zhuǎn)換為等價標(biāo)煤量，進行更為直觀的比較，計算公式為：

等價標(biāo)煤量=實際年耗能×折標(biāo)系數(shù)

各類原油加熱系統(tǒng)所需能源的等價折標(biāo)系數(shù)見表1[15]。

表1 各類原油加熱系統(tǒng)所需能源的等價折標(biāo)系數(shù)

2.3 COP值計算基本原理

熱泵的效能系數(shù)（COP）是評價熱泵節(jié)能性的最重要指標(biāo)之一。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱泵將低品位熱源的熱量品位提升，需要消耗一定的高品位能。熱泵的效能系數(shù)是指熱泵收益（供冷量或制熱量）與付出代價（所消耗的機械功或熱能）的比值，其大小反映出不同熱泵系統(tǒng)的節(jié)能情況。能效比數(shù)值越大，表明該熱泵使用時能源轉(zhuǎn)換效率越高，節(jié)省的電能就越多。效能系數(shù)的計算式為：

式中：Qy為系統(tǒng)的年供熱量，kW；Wy為系統(tǒng)的全年能耗，kW。

2.4 CO2減排量計算基本原理

隨著電能、燃氣等的大量使用，高品位能被不斷消耗[16]，環(huán)境污染情況也日漸嚴重?；剂系娜紵?，必然產(chǎn)生大量CO2，而CO2正是全球變暖的元兇。因此，評價一個系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保性的重要指標(biāo)就是其CO2減排量[17]。

工程中一般采用的計算CO2減排量的方式為[18]：

式中：TCO2為系統(tǒng)運行年限內(nèi)的CO2減排量，kg；Qs為系統(tǒng)年節(jié)能量，MJ；n為系統(tǒng)運行年限，年；W為標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值，29.3 MJ；η為系統(tǒng)的熱效率，%；F為碳排放因子，kg碳/kg標(biāo)準(zhǔn)煤。

將加熱系統(tǒng)的年供熱量除去全年能耗，即可得到該系統(tǒng)的年節(jié)能量。系統(tǒng)的年供熱量可通過每日供熱量和年工作天數(shù)求取，即：

Qy=3 045 000 kJ×300=913 500 MJ

3 各類加熱系統(tǒng)能耗對比

以延長油田志丹采油廠某井為例，其基本運行參數(shù)為：冬季井口采出的原油平均初始溫度為10 ℃，設(shè)計的加熱原油加熱系統(tǒng)要求恒溫到45 ℃；采油廠的加熱系統(tǒng)每日使用時間為20 h，每日所需加熱的原油為30 m3，系統(tǒng)全年工作時間扣除檢修所需時間為300 d。

3.1 經(jīng)濟性分析對比結(jié)果

1）原油加熱系統(tǒng)年運行費用A的確定。運行費用A主要涉及設(shè)備維護、運行耗能、設(shè)備折舊費用3個方面。其中，設(shè)備維護所需的費用和系統(tǒng)所需投資費用相關(guān)，大多數(shù)情況下為總投資費用的3%。

原油中含水率約為50%，水的比熱容為4.2 kJ/(kg·℃)，原油的比熱容取2 kJ/(kg·℃)，原油的密度取0.8 g/cm3，則整個系統(tǒng)的每日供熱量：

原油加熱系統(tǒng)的年耗能費用與其每日的供熱量、能源熱值、熱效率等有關(guān)，其關(guān)系式為：

式中：T為原油加熱系統(tǒng)的年耗能費用，萬元；Qd為原油加熱系統(tǒng)的日供熱量，kJ；D為原油加熱系統(tǒng)的年工作天數(shù)，d；p為能源價格，元/kW·h（以電能為例）；為能源的理論熱值，kcal/kW·h（以電能為例）；ηQ為系統(tǒng)的熱效率，%。

各類能源的單價均按陜西省相關(guān)部門2021年公布的價格進行計算，所需能源熱值和熱效率見表2。

表2 各類能源熱值、熱效率及價格

設(shè)備折舊費用計算采用年限平均法，計算公式為[19]：

式中：t為設(shè)備折舊費用，萬元；D為原油加熱系統(tǒng)的投資費用，萬元；c為預(yù)計凈殘差率，一般取4%。

2）貸款利率a暫取10%，進行相關(guān)計算。

3）原油加熱系統(tǒng)的可運行年限n，參照實際工程的最大使用年限，電鍋爐、燃煤鍋爐、燃氣鍋爐為10年，太陽能電輔、地源熱泵、空氣源熱泵為15年。

4）原油加熱系統(tǒng)所需投資費用B的確定。投資費用B包括加熱系統(tǒng)設(shè)備的購買、安裝、施工等費用。由于各系統(tǒng)未進行實際的具體設(shè)計，無法得知精確的投資費用，為進行計算比較，根據(jù)已知市場價格查得電鍋爐、燃煤鍋爐、燃氣鍋爐、空氣源熱泵的投資費用均為3萬元左右，費用相近，假設(shè)其投資費用為D；而地源熱泵投資費用為10 萬元左右，其投資費用為3D[20]。

將以上參數(shù)代入式（1）進行計算，各類原油加熱系統(tǒng)的經(jīng)濟指標(biāo)見表3。

表3 各類原油加熱系統(tǒng)經(jīng)濟指標(biāo)

對電鍋爐、燃油鍋爐、燃氣鍋爐進行比較，可以發(fā)現(xiàn)燃氣鍋爐的費用年值遠少于其他兩種鍋爐；對空氣源熱泵、太陽能電輔進行比較，空氣源熱泵費用年值明顯少于太陽能電輔；若投資費用B超過30萬元，太陽能電輔的費用年值少于燃氣鍋爐；若投資費用B超過1.26 萬元，空氣源熱泵的費用年值少于地源熱泵。

在運行費用A的比較中，可以得出空氣源熱泵、太陽能電輔具有一定的優(yōu)勢。從實際角度出發(fā)，地源熱泵的初期投資金額最低為10 萬元左右，遠超1.26 萬元，因此空氣源熱泵雖然在年耗能以及運行費用上略高于地源熱泵，但考慮投資金額和成本，綜合經(jīng)濟效率最好。

3.2 等價標(biāo)煤量對比結(jié)果

依據(jù)2.2中等價標(biāo)煤轉(zhuǎn)換原理及各類能源的折標(biāo)系數(shù)，對各類原油加熱系統(tǒng)的能耗進行標(biāo)煤折算對比，結(jié)果如圖3所示。

從圖3 中可以看出，諸多原油加熱系統(tǒng)的年能耗從大到小排序為：電鍋爐＞太陽能電輔＞燃氣鍋爐＞燃油鍋爐＞空氣源熱泵＞地源熱泵?？諝庠礋岜眉訜嵯到y(tǒng)的年能耗經(jīng)過轉(zhuǎn)換，約為23.15 t 的等價標(biāo)煤，與最低能耗的加熱系統(tǒng)——地源熱泵相差2.87 t的等價標(biāo)煤，具有較好的節(jié)能性，能耗相對較低。

圖3 各類原油加熱系統(tǒng)年能耗轉(zhuǎn)換為折標(biāo)煤量

3.3 COP值與CO2減排量對比結(jié)果

通過對經(jīng)濟效率以及耗能的分析，太陽能電輔、地源熱泵、空氣源熱泵加熱系統(tǒng)具有較大的優(yōu)勢，且是原油加熱系統(tǒng)未來的主要發(fā)展方向。因此，重點比較這3 種加熱系統(tǒng)的COP 值和CO2減排量，如圖所示4。

圖4 各類原油加熱系統(tǒng)COP值及CO2減排量

在原油加熱系統(tǒng)的使用年限內(nèi)，太陽能電輔系統(tǒng)的CO2減排量最多，達485.08 t；空氣源熱泵次之，為302.98 t；地源熱泵的CO2減排量最少。同等情況下，地源熱泵的COP 值可達4.0，空氣源熱泵的COP值為3.5，太陽能電輔系統(tǒng)的COP 值最低，為2.25。綜合分析看，空氣源熱泵在CO2減排和熱泵效能方面均具有較大的優(yōu)勢，節(jié)能環(huán)保效益明顯。

4 結(jié)論

1）依據(jù)動態(tài)年值法，空氣源熱泵在投資金額超過1.26萬元時，費用年值低于其他加熱系統(tǒng)。

2）進行等價標(biāo)煤折算對比，空氣源熱泵在工作年限內(nèi)消耗的等價標(biāo)煤量略高于地源熱泵，遠低于其他加熱系統(tǒng)。

3）空氣源熱泵的CO2減排量低于太陽能電輔，高于地源熱泵；運行時的COP 值略低于地源熱泵，遠高于太陽能電輔。

4）從上述角度綜合分析，空氣源熱泵加熱系統(tǒng)在能耗上與其他5種常用加熱系統(tǒng)相比具有顯著的優(yōu)勢，但具體實施方案仍需要對能源價格、利率、環(huán)境等因素加以考慮，才能確定。