熱泵技術在遼河油田中的應用

蓋超

(遼河油田供水公司金輝公司，遼寧 盤錦 124010)

前言：遼河油田每年需要燃燒大量的天然氣、原油和煤炭作為礦區居民生活、供暖、注汽熱采及原油集輸等方面的熱能來源。根據統計，遼河油田分公司每年僅用于原油開采、集輸等需燃燒210萬噸原油，折合標準煤300萬噸，不僅大大增加了采油成本，而且也產生了大量的尾氣和煙塵，嚴重影響環境質量。而熱泵技術（包括地源和水源熱泵）作為一種新型環保、節能技術，它利用地表淺層水的低溫地熱資源（包括土壤和地表水、湖水、地熱尾水），通過輸入少量的高品位電能，實現低品位熱源向高品位熱能轉移。通常熱泵性能系數（即COP值）達4以上，即消耗1KW的能源，用戶可獲得4KW以上熱量和冷量[1]。因此該技術在油田生產及生活供暖等方面存在著廣泛的利用空間。

1 熱泵機組工作原理

熱泵是將低溫介質中的熱量輸送到較高溫度（相對而言）介質中去的一種裝置，并通過工質（如R22）循環來實現熱量輸送。其工作過程可分為4個階段：

（1）蒸發吸熱階段：從膨脹閥出來的低溫液態（1-3℃）工質，進入蒸發器（即熱交換器），與原水進行熱交換，此時原水溫度高，而工質溫度低，熱量就從原水向工質傳導，原水溫度降低5℃多，再回到地下。而工質被加熱升溫到5℃時（依壓力不同而有所變化），從液態蒸發變成氣態，吸收很大熱量。從蒸發器出來的工質，溫度升高不多（7-10℃），但均變成氣態，攜帶的氣化熱量很大。

（2）壓縮升溫階段:工質接著進入壓縮機，被壓縮升溫到60℃～70℃以上。

（3）冷凝放熱階段：氣態高溫工質進入冷凝器中，與溫度相對較低的供熱循環水發生熱交換，溫度降低到60℃左右時發生相變，從氣態變成液態，放出大量液化潛熱，將很大熱量傳給供熱循環水，本身溫度進一步降低到55℃左右。供熱循環水經過冷凝器接受工質的很大熱量，溫度從40℃升高到45－53℃，繼續循環到用熱處而被利用。

（4）膨脹降溫階段：液態的較高溫工質繼續循環到膨脹閥，被節流降溫到3℃左右，重新回到蒸發器，完成一個循環。周而復始，工質就源源不斷地將原水中的熱量提取出來，逆向輸送給供熱循環水。而鍋爐等普通制熱裝置的制熱系數永遠小于1，所以熱泵在實際應用中具有很大的優勢。

2 熱泵系統設計

水源熱泵空調系統由水源水系統、水源熱泵機組系統和室內空調系統組成[2]。

（1）水源水系統。

水源水系統是影響水源熱泵空調系統的重要因素，同時也影響機組的制冷量、制熱量、電功率等技術參數。水源熱泵對水源系統的要求是:水量充足，水溫適度，供水穩定。就遼河油田而言，因其地下水資源豐富可以是地下生活飲用水，也可以是油田生產過程中所產生的脫油污水，并通過回灌或回注使其循環利用。

（2）水源熱泵機組系統

水源熱泵機組系統是整個熱泵系統的核心，通常設有多臺同型號的水源熱泵機組、循環水泵、電子水處理儀及水路上的轉換閥門。系統可根據水源水系統情況采用并聯或串聯連接形式，夏、冬季共用一套系統，制冷和制熱通過轉換閥門實現工況轉換，管道采用無縫鋼管，發泡橡塑海綿保冷(溫)，而對于單一制熱的熱泵系統則無需轉換閥門，流程更為簡單。在熱泵機組選型上，可根據實際需要的熱水溫度來確定，一般要求供水水溫在50℃左右，最高不超過55℃時，可選擇常溫的螺桿機組或者渦旋機組（工質R22）；若要求的溫度在60℃-65℃就要選擇高溫的滿液式機組（工質R134a）；若是溫度再高比如油田輸送原油需要的水溫在80℃左右，必須選擇超高溫機組（混合工質）。

（3）室內空調系統

室內空調系統即為散熱（冷）系統。通常采用兩管制，對于需要冬季供暖、夏季供冷的用戶，其散熱裝置應采用風機盤管；而對于單一采暖用戶，散熱裝置可為地板輻射盤管，也可為暖氣片，因地板輻射盤管要求供暖水溫低，其熱泵系統效率明顯高于暖氣片散熱系統，在條件允許下，應盡可能采用地板輻射盤管散熱裝置[3]。在油田生產中這套系統就成了為原油加熱的系統，散熱裝置主要為殼管式換熱器。

3 熱泵技術在油田中的應用

（1）水源熱泵在水源站供暖中的應用

由于熱泵只提取水中熱量而不消耗水量，且對水質無污染，因此在油田水源站開展熱泵供暖技術條件優越。2006-2008年遼河油田供水公司先后在自己的七座水源站率先使用了水源熱泵技術，取代原來的燃煤、燃氣等加熱爐為各個水源站冬季供暖方式。總供暖面積1.1萬m2，原系統使用燃煤、燃氣加熱爐等供暖設備，每年采暖費用高達70多萬元。利用水源熱泵技術，采用各個站的外輸水（水溫20℃）做為熱泵的熱源水，供暖溫度一般在55℃，最高60℃，完全滿足各個水源站的實際需要。采用水源熱泵技術供暖后，08-09采暖期節省運行費用36.24萬元，09-10采暖期節省運行費用26.42萬元，個別水源站投產3年后就已收回投資，可見熱泵技術的節能優越性，如能廣泛在油田中的供暖系統推廣應用，將給我們的節能減排事業以及低碳生活理念帶來無限的前景。

（2）海南聯合站熱泵伴熱工程

熱泵技術除能在油田水源站利用外，也可在聯合站用于輸油伴熱及供暖。其中海南聯合站熱泵伴熱工程就利用站內的含油污水結合熱泵技術為站內油罐伴熱及站內冬季采暖，工程總投資110萬元，選用1臺LSBLGRG(I)-445W的含油污水超高溫水源熱泵機組在春、夏、秋為海南聯合站站內油罐伴熱，冬季為站內新建的5000m3油罐伴熱及1200m2辦公樓冬季供暖。站內污水溫度38℃左右，提取10℃溫差，回收水量為18m3/h。原系統采用燃氣爐為站內油罐伴熱及站內采暖，年燃燒天然氣21.03萬m3，年運行費用高達94.5萬元；采用水源熱泵技術后，年新增耗電為4.86萬kwh，年運行費用21.3萬元。每年可節省運行費用73.2萬元。

4 在油田中應用熱泵技術的優點

（1）由于稠油處理后的污水量很大，溫度較高一般在45℃左右，大部分熱量白白浪費，而熱泵技術的應用，無疑是對油田余熱資源的再利用。

（2）安全、節能、環保[4]。因無燃燒設備，從而不存在爆炸、燃燒的隱患。冬季運行供熱時省去了鍋爐房系統，沒有燃燒過程，避免了排煙污染；供冷時省去了冷卻塔，避免了冷卻塔噪音及霉菌污染。

（3）熱泵機組運行中無任何污染排放物，具有環保效果。與蒸汽保溫相比，熱泵保溫室內空氣中干、濕度能保持相對的平衡，利于員工的健康。

結語：通過熱泵技術在遼河油田生產領域的實際應用，進一步證明該技術不僅技術成熟、可靠，而且還可節約大量成本，效益可觀。在能源越來越緊缺、對環境保護要求日益提高的今天，水源熱泵空調技術以其節能、環保、利用低品位能等優點在油田范圍內具有廣泛的推廣價值。

[1]徐邦裕,陸亞俊,馬景良,等.熱泵[M].北京:中國建筑工業出版社，2000.

[2]馬景良,姚楊,楊自強,姜益強.水環熱泵空調系統設計[M].北京:化學工業出版社,2005.

[3]陸耀慶.實用供暖空調設計手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1993.

[4]路延魁.空氣調節設計手冊(第二版)[M].北京:中國建筑工業出版社,1995.