熱泵技術(shù)在油田地?zé)崮苜Y源開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

鄧克寧（中國(guó)石油集團(tuán)電能有限公司電力研究設(shè)計(jì)院）

1 概述

地?zé)崮茏鳛橐环N可再生的清潔能源，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，發(fā)展?jié)摿薮?，開(kāi)發(fā)利用地?zé)崮苜Y源是符合企業(yè)安全生產(chǎn)環(huán)保要求、目前國(guó)家產(chǎn)業(yè)發(fā)展要求、國(guó)家新能源發(fā)展規(guī)劃的一項(xiàng)舉措[1]。2017年1月23日，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局、國(guó)土資源部聯(lián)合頒布了《地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》，正式將地?zé)崮艿陌l(fā)展納入國(guó)家規(guī)劃。規(guī)劃指出“全面推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命戰(zhàn)略，以調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、防治大氣污染、減少溫室氣體排放、推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化為導(dǎo)向，依靠科技進(jìn)步，創(chuàng)新地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用模式，積極培育地?zé)崮苁袌?chǎng)，按照技術(shù)先進(jìn)、環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)可行的總體要求，全面促進(jìn)地?zé)崮苡行Ю谩薄?/p>

2021 年9 月10 日，國(guó)家能源局發(fā)布了《關(guān)于促進(jìn)地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用的若干意見(jiàn)》（國(guó)能新能[2021]43 號(hào)），對(duì)我國(guó)地?zé)崮苜Y源開(kāi)發(fā)利用做以明確。指導(dǎo)思想：“穩(wěn)妥推進(jìn)地?zé)崮苜Y源勘查和項(xiàng)目建設(shè)，規(guī)范和簡(jiǎn)化管理流程，完善信息統(tǒng)計(jì)和監(jiān)測(cè)體系，保障地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用高質(zhì)量發(fā)展。”主要目標(biāo)：到2025 年，各地基本建立起完善規(guī)范的地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用管理流程，全國(guó)地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用信息統(tǒng)計(jì)和監(jiān)測(cè)體系基本完善，地?zé)崮芄┡ㄖ评洌┟娣e比2020年增加50%，在資源條件好的地區(qū)建設(shè)一批地?zé)崮馨l(fā)電示范項(xiàng)目，全國(guó)地?zé)崮馨l(fā)電裝機(jī)容量比2020年翻一番；到2035 年，地?zé)崮芄┡ㄖ评洌┟娣e及地?zé)崮馨l(fā)電裝機(jī)容量力爭(zhēng)比2025 年翻一番。

大慶油田是我國(guó)緯度最高的油田，氣候寒冷，每年有6 個(gè)月采暖期，無(wú)論是職工生活還是油田生產(chǎn)都消耗大量的石油、天然氣和煤炭。開(kāi)發(fā)地?zé)崮芸梢怨?jié)能減排，降低油田生產(chǎn)成本，助推綠色油田建設(shè)，有利于實(shí)現(xiàn)大慶油田的可持續(xù)發(fā)展[2]。

2 熱泵技術(shù)

2.1 熱泵技術(shù)原理

熱泵是一種將低溫?zé)嵩吹臒崃哭D(zhuǎn)移到高溫?zé)嵩吹难b置，屬于充分利用低品位熱能的高效節(jié)能裝置。熱泵的工作原理就是以逆循環(huán)方式迫使熱量從低溫物體流向高溫物體的機(jī)械裝置，僅消耗少量的逆循環(huán)凈功，就可以得到較大的供熱量[3-5]。

在夏季空調(diào)降溫時(shí)，按制冷工況運(yùn)行，由壓縮機(jī)排出的高壓蒸汽，經(jīng)換向閥（又稱(chēng)四通閥）進(jìn)入冷凝器。在冬季取暖時(shí)（或用于原油加熱時(shí)），先將換向閥轉(zhuǎn)向熱泵工作位置，于是由壓縮機(jī)排出的高壓制冷劑蒸汽，經(jīng)換向閥后流入室內(nèi)（或油罐內(nèi)）蒸發(fā)器（作冷凝器用）；制冷劑蒸汽冷凝時(shí)放出的潛熱，將室內(nèi)空氣（或油罐內(nèi)原油）加熱，冷凝后的液態(tài)制冷劑，從反向流過(guò)節(jié)流裝置進(jìn)入冷凝器（作蒸發(fā)器用），吸收外界熱量而蒸發(fā)；蒸發(fā)后的蒸汽經(jīng)過(guò)換向閥后被壓縮機(jī)吸入，完成制熱循環(huán)。這樣，將外界空氣（或循環(huán)水）中的熱量“泵”入溫度較高區(qū)域，故稱(chēng)為“熱泵”[6-7]。

熱泵按照熱量來(lái)源可分為水源熱泵、地源熱泵和空氣源熱泵；按照驅(qū)動(dòng)方式可分為電力驅(qū)動(dòng)、燃?xì)庖骝?qū)動(dòng)和熱力驅(qū)動(dòng)熱泵；按照工作原理可分為壓縮式和吸收式熱泵。熱泵工作原理見(jiàn)圖1。

圖1 熱泵工作原理Fig.1 Working principle of heat pump

2.2 熱泵選型方案

在油田企業(yè)實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)燃?xì)馕帐綗岜煤碗婒?qū)壓縮式熱泵所適用的溫度工況和熱量范圍不同，結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)進(jìn)行機(jī)組選型。

現(xiàn)場(chǎng)只要有伴生氣，就可以選用燃?xì)馕帐綗岜?，運(yùn)行費(fèi)用低，熱水溫度范圍廣。

現(xiàn)場(chǎng)只有電，推薦電熱泵方案。現(xiàn)場(chǎng)熱水要求70 ℃以上選擇離心熱泵，要求熱水70 ℃以下選擇螺桿熱泵；日處理水量1 500 m3以上推薦離心熱泵，日處理水量1 500 m3以下推薦螺桿熱泵。

現(xiàn)場(chǎng)有電和伴生氣，推薦燃?xì)馕帐綗岜茫驗(yàn)榘樯鷼鈨r(jià)格低，伴生氣的燃?xì)馕帐綗岜眠\(yùn)行費(fèi)用遠(yuǎn)低于電熱泵。

現(xiàn)場(chǎng)有伴生氣、商業(yè)氣和電，推薦燃?xì)馕帐綗岜?，運(yùn)行費(fèi)用低。

現(xiàn)場(chǎng)有電和商業(yè)天然氣，比較氣和電的價(jià)格，計(jì)算運(yùn)行費(fèi)用后選擇泵型。

機(jī)組運(yùn)行在不同溫度工況下的效率不同，不同項(xiàng)目的初投資、燃?xì)赓M(fèi)、電費(fèi)不同，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目具體情況進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析后，確定最終方案。兩種型式熱泵機(jī)組性能對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 兩種型式熱泵機(jī)組性能對(duì)比Tab.1 Performance comparison of two types of heat pump units

3 熱泵應(yīng)用

3.1 地?zé)崮軆?yōu)勢(shì)

大慶油田有豐富的地?zé)豳Y源，探區(qū)內(nèi)傳統(tǒng)水熱、產(chǎn)出水余熱及干熱大量分布，其中水熱型地?zé)豳Y源可采資源量為30.4×108tce；產(chǎn)出水熱能可采資源量為69.4×104tce；探區(qū)3～10 km 干熱型地?zé)豳Y源總量為7.45×1012tce，這些資源是大慶油田開(kāi)發(fā)利用地?zé)岬馁Y源基礎(chǔ)[8-10]。

油田產(chǎn)出水型地?zé)嵯鄬?duì)傳統(tǒng)水熱型地?zé)釡囟鹊停吞锂a(chǎn)出水量大、蘊(yùn)藏的熱能比較豐富。其節(jié)能降耗、改善環(huán)境作用突出，由于利用了含油污水中的熱能，節(jié)能率在70%以上。根據(jù)大慶油田地?zé)峥碧劫Y料數(shù)據(jù)，松遼盆地北部地?zé)崴馁Y源總量為6 518×108m3，按照10 ℃的溫差換算熱量為27.38×1018J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤9.35×108t。2019 年，大慶油田油氣生產(chǎn)能源消耗量387.27×104tce，其中天然氣消耗量15.43× 108m3，折合標(biāo)準(zhǔn)煤205.21×104t，占比52.99%；電消耗量119×108kWh，折合標(biāo)準(zhǔn)煤146.25×104t，占比37.77%。大慶油田每年采暖期長(zhǎng)達(dá)六個(gè)月，用于油氣生產(chǎn)中鍋爐、加熱爐消耗的天然氣的能耗量超過(guò)總能耗量的一半以上[11-12]。目前，油田加熱爐2 830 臺(tái)，裝機(jī)總?cè)萘? 648 MW；采暖鍋爐640 臺(tái)，裝機(jī)總?cè)萘? 137 MW。根據(jù)地?zé)嵋?guī)劃相關(guān)數(shù)據(jù)，油田可利用含油污水量121×104m3/d，供熱負(fù)荷465 MW，每年可替代天然氣1.82×108m3。油田用熱泵工作流程見(jiàn)圖2。

圖2 油田用熱泵工作流程Fig.2 Workflow of heat pump for oilfield

3.2 熱泵技術(shù)在油田應(yīng)用

1）通過(guò)老區(qū)改造等手段，利用油田采出含油污水余熱、電動(dòng)機(jī)冷卻水余熱、淺層地下水等熱源。在采油一廠等13 個(gè)單位，先后實(shí)施熱泵供暖項(xiàng)目31 個(gè)，為油田生產(chǎn)站場(chǎng)、辦公樓等供暖，供暖面積達(dá)27.36×104m2，年替代能源2.2×104tce，已經(jīng)累計(jì)替代能源23.83×104tce，減少CO2排放61.29×104t。

2）油田完成了6 項(xiàng)地?zé)崂檬痉豆こ痰目裳性O(shè)計(jì)。經(jīng)審查，確定了采油一廠新中一污水站、采油三廠北十七聯(lián)合站、采油六廠喇360 轉(zhuǎn)油放水站三個(gè)項(xiàng)目作為油田地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用示范工程建設(shè)項(xiàng)目。項(xiàng)目建成運(yùn)行后，每年可節(jié)約天然氣1 014×104m3，節(jié)能1.15×104tce。（按燃料計(jì)算可減排2.19×104t，按照系數(shù)可減排2.83×104t）

3）采油一廠新中一污水站、采油三廠北十七聯(lián)合站兩座地?zé)崾痉豆こ添?xiàng)目建設(shè)工作。2020 年9月建成投產(chǎn)，投產(chǎn)后節(jié)約天然氣636.16×104m3，折合原油5 069 t，減少CO2排放1 386.83 t。

4）利用南十聯(lián)污水站工業(yè)余熱，建設(shè)電動(dòng)壓縮熱泵站，替代6 臺(tái)采暖燃?xì)忮仩t（其中南十聯(lián)3臺(tái)，劉高手3 臺(tái)），年節(jié)約天然氣156×104m3；利用北Ⅱ-1 污水站工業(yè)余熱，建設(shè)電動(dòng)壓縮熱泵站，替代3 臺(tái)北Ⅱ-1 聯(lián)合站采暖爐及八一鍋爐房供熱，年節(jié)約天然氣228×104m3；利用聚喇140 地區(qū)污水站工業(yè)余熱，建設(shè)電動(dòng)壓縮熱泵站，替代周邊6 座工業(yè)場(chǎng)站合計(jì)24 臺(tái)加熱爐、采暖爐等生產(chǎn)用熱。上述項(xiàng)目年節(jié)約天然氣1 200×104m3。

3.3 熱泵應(yīng)用規(guī)劃

1）“十四五”期間規(guī)劃熱泵站23 座，替代供熱負(fù)荷 163.48 MW，利用含油污水量為25.80×104m3/d，節(jié)約天然氣6 966.1×104m3，折合標(biāo)準(zhǔn)煤7.24×104t，減少CO2排放15.06×104t。熱泵替代供熱負(fù)荷規(guī)劃見(jiàn)表2。

表2 熱泵替代供熱負(fù)荷規(guī)劃Tab.2 Heat pump alternative heating load planning

2）“十四五”期間規(guī)劃39 座注水站利用注水電動(dòng)機(jī)冷卻水余熱供暖，采暖總負(fù)荷23.4 MW，提取電動(dòng)機(jī)冷卻水余熱45.9 MW，節(jié)約天然氣765.4×104m3，減少CO2排放2.0×104t。熱泵利用注水電動(dòng)機(jī)冷卻水規(guī)劃見(jiàn)表3。

表3 熱泵利用注水電動(dòng)機(jī)冷卻水規(guī)劃Tab.3 Planning for the use of water injection motor cooling water in heat pumps

3）“十四五”期間規(guī)劃在海拉爾油田等單位改造油井108 口，建設(shè)23 個(gè)站點(diǎn)用于采暖，采暖面積13.3×104m2，年替代原油2 046 t，替代天然氣186.3×104m3，減少CO2排放1.02×104t。熱泵利用改造油井替代天然氣規(guī)劃見(jiàn)表4。

表4 熱泵利用改造油井替代天然氣規(guī)劃Tab.4 Planning for replacing natural gas with oil wells through heat pump transformation

大慶油田“十四五”期間，共計(jì)規(guī)劃熱泵站85座，替代供熱負(fù)荷203.98 MW，利用含油污水量為25.80×104m3/d，節(jié)約天然氣7 917.8×104m3，減少CO2排放18.39×104t。

隨著油田進(jìn)入開(kāi)發(fā)中后期，綜合含水率已經(jīng)達(dá)到90% 以上，目前，油田日產(chǎn)含油污水量195.17×104m3。其中喇薩杏油田含油污水量185.69×104m3/d，占油田總含油污水量的95.15%；外圍油田含油污水量9.48×104m3/d，占油田總含油污水量的4.85%。僅采油一廠～六廠年油田采出水就接近5×108m3，水溫35～42 ℃，按提取10 ℃溫差熱能計(jì)算，相當(dāng)于70×104tce。與傳統(tǒng)供熱方式相比，節(jié)約了油氣資源，節(jié)省了人力資源，減少了CO2排放。

4 結(jié)論

大慶油田在油氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中積累了豐富、可靠的數(shù)據(jù)和資料，降低了勘探投入和開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。探區(qū)有大量低效關(guān)停井閑置，通過(guò)改造，可利用最新地巖熱技術(shù)取熱，可以節(jié)約鉆井成本，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，而且還盤(pán)活了國(guó)有資產(chǎn)。

油田開(kāi)發(fā)利用地?zé)豳Y源不但環(huán)境效益顯著，經(jīng)濟(jì)效益也極為可觀。相比傳統(tǒng)能源，熱泵技術(shù)具有更高的能效比。在不享受?chē)?guó)家新能源補(bǔ)貼的條件下，其運(yùn)行費(fèi)用僅為燃燒渣油的30%～50%，燃燒天然氣的40%～50%。若考慮近年來(lái)熱泵能效比的不斷提高，以及今后國(guó)家對(duì)新能源補(bǔ)貼措施的落實(shí)，其優(yōu)勢(shì)將更為明顯。

熱泵在應(yīng)用過(guò)程中也存在一系列問(wèn)題：①熱泵工程一次性投入較高制約了其發(fā)展，盡管熱泵技術(shù)已經(jīng)非常成熟，且相比傳統(tǒng)供熱方式有了更高的能效比、更好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，但是一次性投入過(guò)高還是限制了其推廣應(yīng)用，一般情況熱泵設(shè)備投資300 萬(wàn)元～500 萬(wàn)元/MW，大約為燃?xì)忮仩t的2倍左右，裝機(jī)功率越小，單位投資越高。②地?zé)犴?xiàng)目具有投資費(fèi)用高、回收期長(zhǎng)、內(nèi)部收益率低等特點(diǎn)，難以達(dá)到投資項(xiàng)目效益標(biāo)準(zhǔn)，難以立項(xiàng)實(shí)施。從可持續(xù)發(fā)展角度看地?zé)崂脤儆谇鍧嵞茉错?xiàng)目，建議降低地?zé)犴?xiàng)目審查標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)地?zé)犴?xiàng)目實(shí)施，為今后地?zé)崮軜I(yè)務(wù)長(zhǎng)期開(kāi)展奠定基礎(chǔ)。