高溫水源熱泵在原油加熱中的應用

張延春

摘要：通常情況下，熱可自行由高溫物體傳遞給低溫物體。與此同時，按照熱力學第二定律，通過消耗機械功可以使熱從低溫物體傳遞給高溫物體。為了回收排到大氣中的低溫熱氣、排到河川中的低溫熱水等中的熱量或回收品位較低的熱能，熱泵被用來將低溫物體中的熱能傳送高溫物體中，使熱量得到充分利用。

關鍵詞：熱泵技術；背景；應用

1 熱泵技術簡介

通常情況下，熱可自行由高溫物體傳遞給低溫物體。與此同時，按照熱力學第二定律，通過消耗機械功可以使熱從低溫物體傳遞給高溫物體。為了回收排到大氣中的低溫熱氣、排到河川中的低溫熱水等中的熱量或回收品位較低的熱能，熱泵被用來將低溫物體中的熱能傳送高溫物體中，使熱量得到充分利用。

熱泵的性能一般用能效比(COP)來評價。能效比的定義為由低溫物體傳到高溫物體的熱量與所需的動力之比。通常熱泵的能效比為3－4左右，也就是說，熱泵能夠將自身所需3到4倍的熱能從低溫物體傳送到高溫物體。

熱泵技術目前在許多發達國家已經得到了普遍應用，目前在我國的工業和民用方面，熱泵也已經得到了廣泛的應用。但普通水源熱泵的出水溫度只能達到55℃左右，應用范圍很窄。北京清源世紀科技有限公司通過和北京市科委、清華大學的緊密合作，研發出國內獨有技術的高溫水源熱泵機組，采用高溫環保工質HTR01、02，突破了電動壓縮式熱泵的溫度瓶頸，最高供水溫度可達95℃，可以從15~60℃的低品位熱水中回收熱量，制取60~95℃的高溫熱水，是具有“高溫、高效、環保、節能”優點的高新技術產品，可廣泛應用于低溫地熱水、地熱尾水的余熱回收、中央空調冷卻水余熱回收、油田含油污水余熱回收，以及其他工業廢水、廢熱的余熱回收利用，極大的拓展了熱泵的應用范圍，特別是在工業領域的應用。

2 原油加熱熱泵的技術背景

油田在生產過程中產生大量含油污水，這些含油污水的溫度往往較高，例如勝利油田的含油污水在夏季可以達到57℃，在冬季可以達到53℃；大慶油田含油污水的溫度一般在36~42℃。我國油田每天含油污水日產量為190萬立方米（來自1998年陸地油田統計數據），海上油田每年含油污水排放4648萬噸（2000年中國海洋環境質量公報）。由此可見，我國油田含油污水的余熱回收潛力巨大。人們一直在關注著如何回收利用這部分熱能來為油田的生產和生活服務，同時解決因燃燒礦物燃料造成的污染問題（同時因為原油在我國來說是屬于希缺資源，因此有必要節約使用）。這部分熱能的特點是品位比較低，但是可以利用熱泵來提高其溫度，有相關文獻報道在勝利油田等油田有利用吸收式熱泵進行冬季供熱的案例，可以節約大量的燃油。

含油污水余熱的回收利用用于供暖，只解決了很小一部分含油污水的利用問題，仍然有相當多的含油污水的余熱被排放到大氣中，即造成熱污染又浪費資源。一方面，隨著油田的開發進入中后期，油井的含油污水水量越來越大；另一方面，原油的脫水和外輸都需要加熱，尤其是稠油，由于其粘度較高，必須加熱降粘之后才可以外輸。稠油集輸工藝主要包括摻熱水、摻稀油和三管伴熱3種流程，相應的加熱爐也分為稠油加熱爐、稀油加熱爐和熱水爐三類，諸多的加熱過程需要耗費大量的能量，這就需要深入研究加熱爐的形式，以降低原油在集輸過程中的能耗。目前可以采用的加熱爐主要為燃油燃氣水套加熱爐的形式，原油加熱的溫度范圍為40~70℃，這種形式的能量利用方式實際是采用燃燒高品位能源獲得低品位熱能，有用能效率較低。即使不考慮有用能效率的問題，這種加熱爐的一次能源利用效率約為85%。

采用清華大學與我公司合作開發的高溫熱泵，可以滿足原油加熱的需求，同時大大的提高了一次能源利用效率，與原有系統相比，一次能源的利用效率大約可提高36%。

3 技術概要

基于上述考慮，如果采用壓縮式熱泵的形式應用于含油污水廢熱回收利用和原油加熱，必須滿足下面三個條件：

①該種熱泵的工作范圍必須兼顧到含油污水的溫度（40～60℃）和油出口的溫度（70℃左右），在此工作范圍內效率盡量要高；

②與傳統的燃油燃氣水套加熱爐相比具有良好的經濟性。

③動力來源方便，能很好地適應復雜多變的原油加熱的工作環境。

采用電動壓縮式高溫熱泵就能很好的滿足上述三個必要條件。

眾所周知，傳統的中溫制冷劑如R22和R134a等不能滿足水套加熱爐出口油溫度的需求。為使熱泵出口溫度進一步提高，熱泵的工質采用清華大學熱能系專門研制開發的高溫環保制冷劑，經過實踐證明，采用這種工質的熱泵，出水溫度可以達到90℃,最高可以達到95℃，同時還具有比較高的能效比，例如在冷凝溫度為85℃（蒸發器進口溫度50℃）的情況下，可以很好的滿足原油加熱的需求。這種系統的原理如下圖所示：為了避免含油污水對熱泵系統的腐蝕，上圖中的污水－水換熱器必須采用特制的耐腐蝕鈦管換熱器。采用水作為中間介質進行換熱。

根據嚴格推算，上述熱泵系統在該種工況下的COP可以達到3.8以上，而整個系統（含水泵）COP可以達到3.5以上。

我們可以通過計算該種熱泵的一次能源效率來證實其經濟節能性（假設發電的效率為33%）

電動壓縮式高溫熱泵裝置，其一次能源利用效率可以達到1.16以上，大大超過燃油燃氣鍋爐，是一種非常高效的節能裝置。

專用原油加熱系統介紹：

為了使熱泵的能源利用效率進一步提高，系統進一步簡化，可以采用如下圖所示的技術：

熱泵機組的兩器（蒸發器和冷凝器）采用特殊設計，蒸發器能耐腐蝕，含油污水可直接進入蒸發器，而原油可以直接進入冷凝器，取消了原來的油－水換熱器和污水－水換熱器，同時取消了相應的水泵及補水系統，使原油加熱熱泵系統大大簡化。但該種系統需要特殊設計，同時需要國內外專業生產換熱器的廠家配合。

在該種工況下整個熱泵系統的COP可以達到5以上。

這種情況下的一次能源利用效率為：與原有的水套加熱爐相比，提高了將近一倍。

4 優勢分析

總而言之，電動壓縮式高溫熱泵與現存技術相比，具有如下特點：能源利用效率高：如上所述，能源利用效率比燃油燃氣鍋爐效率大大提升；原油屬于希缺資源，目前我國所使用的原油有一半依賴于進口，同時，國家原油戰略儲備的形勢日益嚴峻，節約原油的戰略意義更加凸顯；運行成本低：本裝置初投資方面比常規鍋爐高，但在運行時減少一次性能源（原油和天然氣）的消耗，運行費用大大減少，所以可以在很短的時間內通過運行費用的節約而收回初投資；環保效果顯著：原油和天然氣的燃燒大幅度減少，燃燒效率提高，廢氣的排放也大幅度降低；有利于污水回灌：在充分利用了含油污水余熱的前提下，降低了含油污水的溫度，為污水處理回灌創造了便利條件，同時減少了含油污水對環境的熱污染，具有非常好的環保優勢；動力來源便利，益于推廣：該產品主要動力是電能，便于獲得；安全可靠：該系統運行穩定，無任何安全隱患。以勝利油田為例：目前勝利油田日產含油污水30萬噸（12500t/h），溫度50℃。如果采用高溫熱泵從中提取5℃的熱量進行回收，則可回收的能量為：73000kW。考慮到熱泵輸出端的熱量，可達10萬kW左右。相當于10t/h原油全部燃燒的熱值；如果照此核算下去，相當于每年87600t原油的產能；如果利用熱泵將含油污水溫度下降20℃，達到30℃排放，則每年可以節約原油35萬噸，相當于整個勝利油田1%的原油產量。一臺1000kW的水套加熱爐，所需要的燃油為95.69kg/h，假如勝利油田共有100臺類似水套加熱爐，則每小時需要消耗原油9.6噸，每年需要消耗原油8.4萬噸。可見只需采用熱泵將污水溫度下降5℃即可滿足全部勝利油田水套加熱爐的需求。