蓄能式熱泵在油田聯(lián)合站中的經(jīng)濟性分析

趙滿 宋泓霖 李煒 孫東

（1.中國石油大學(xué)（北京）；2.勝利油田技術(shù)檢測中心）

目前，我國各主要油田的開發(fā)已進入高含水期，大慶、勝利、遼河等油田的含水率高達90%[1]。而且我國的超稠油藏數(shù)量較多，需要應(yīng)用熱采技術(shù)，這就導(dǎo)致了污水溫度較高。熱泵技術(shù)產(chǎn)品作為一項新興的節(jié)能環(huán)保和高科技自動化產(chǎn)品，能夠?qū)⑦@些低溫余熱有效的進行回收[2]。研究表明，一旦電動熱泵的制熱系數(shù)比3大，則從能源利用方面熱泵就比熱效率為80%的區(qū)域鍋爐房用能少。而且環(huán)保無污染，在油田的規(guī)模化應(yīng)用具有十分良好的發(fā)展前景[3-4]。

隨著熱泵技術(shù)在油田上應(yīng)用越來越多，國內(nèi)外學(xué)者對熱泵的研究也越來越深入。峰谷電價政策（大多數(shù)地方峰谷電價比在3∶1以上）的實施，將熱泵技術(shù)與蓄能技術(shù)結(jié)合，在谷電時段蓄能，在峰電時段放能，可以大幅降低用電成本，同時實現(xiàn)電力資源的有效配置，削峰填谷，均衡電力負(fù)荷。

1 蓄能式熱泵系統(tǒng)工藝流程

蓄能式熱泵系統(tǒng)主要工藝流程見圖1。注水經(jīng)低溫?zé)嵩囱h(huán)泵加壓進入熱泵機組，熱泵機組通過制冷劑的蒸發(fā)、壓縮、冷凝、節(jié)流等環(huán)節(jié)，將熱量傳遞給冷凝器側(cè)的軟化水，制取高溫?zé)崴瑹岜脵C組蒸發(fā)器本體及換熱管采用耐腐蝕材質(zhì)[5]。在谷電時段內(nèi)，同時開啟低溫?zé)嵩囱h(huán)泵、熱泵機組、一級泵、供熱二級泵，通過換熱器同被加熱介質(zhì)換熱，并向蓄能罐充水蓄能；在峰電和尖峰電價時段，低溫?zé)嵩囱h(huán)泵、熱泵機組、一級泵停止運行，供熱二級泵繼續(xù)運行，利用蓄能罐的水繼續(xù)提供熱量。在運行過程中，若回水溫度高于設(shè)計值，則F1開大、F2關(guān)小，降低供水溫度；若回水溫度低于設(shè)計值，則F1關(guān)小、F2開大。

蓄能罐滿液運行，為了保證蓄能效果，一方面應(yīng)使供回水溫差合理，使罐內(nèi)流體因密度差產(chǎn)生自然分層；另一方面應(yīng)避免罐內(nèi)熱水水平方向發(fā)生擾動，合理選擇罐體的高徑比及設(shè)置布水器。在聯(lián)合站中，設(shè)計供回水溫度為62℃/52℃，流體因密度產(chǎn)生自然分層，冷熱水之間有0.8～1 m的斜溫層（溫度過渡層）；布水器采用八角網(wǎng)狀平面布水器，上布水器開口向上，下布水器開口向下；罐體高度方向控制雷諾數(shù)在400～800，使罐內(nèi)流體作類似活塞運動；罐體保溫采用聚氨酯發(fā)泡整體噴涂，外包彩鋼板。

圖1 蓄能式熱泵系統(tǒng)工藝流程

2 現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 某聯(lián)合站用能情況

聯(lián)合站內(nèi)用電主要為外輸泵及生產(chǎn)用電，用熱主要包括工藝用熱。站內(nèi)2臺水套加熱爐及2 MW燃氣鍋爐2臺，一用一備，鍋爐長期處于低負(fù)荷運行。經(jīng)濟性不高，因此擬采用熱泵代替加熱爐為管線伴熱、站內(nèi)保溫提供熱量。聯(lián)合站每天來液量為2500～2800 m3/d，溫度40℃，含水量85%左右，需加熱至60℃以上，進行三相分離，則聯(lián)合站用熱負(fù)荷約為2500 kW，年消耗天然氣230×104m3，燃氣價格為2.5元/m3。在熱泵系統(tǒng)設(shè)計時，考慮1.2的安全系數(shù)，加熱設(shè)計負(fù)荷為3000 kW。

表1給出了聯(lián)合站地區(qū)的峰谷電價。由表1可見，尖峰電價為谷電電價的4倍，因此利用蓄能技術(shù)在谷電時段蓄能，用于峰電和尖峰時段的負(fù)荷加熱，可降低運行成本。

表1 聯(lián)合站地區(qū)各時段電價

2.2 經(jīng)濟性分析

蓄能式熱泵系統(tǒng)的主機始終處于設(shè)計滿負(fù)荷下運行，調(diào)節(jié)簡單且效率較高，應(yīng)盡量在電價低谷時將蓄能罐蓄滿，在谷電蓄能量不足時可適當(dāng)采用平電蓄能，熱泵供熱量為所需承擔(dān)供熱負(fù)荷與蓄熱負(fù)荷之和。考慮該項目用熱負(fù)荷較大且穩(wěn)定性要求較高，選擇高溫離心式熱泵機組，制熱量為5500kW，功率為1200 kW，機組COP約為4.5，油田污水溫度約為62℃，污水溫差約為10.6℃。配套泵機組功率為100 kW，蓄能罐體積為4000 m3，機組供熱量一定，冬季供熱負(fù)荷較大，夏季供熱負(fù)荷較小，蓄能量相應(yīng)減小或增大。蓄能罐冬季啟用1個，夏季啟用2個。則總蓄熱量為

式中：Qx——總蓄熱量，kW；qh——熱泵供熱量，kW；qr——所需承擔(dān)供熱負(fù)荷，kW；t——熱泵運行時間，h。

在冬季供熱負(fù)荷較大時，蓄能基本上能保證避開峰值及尖峰電價時段，在平電時段也需要開啟熱泵，因為污水量一定，若再加大污水熱量的提取量會使熱泵主機的COP降低，因此設(shè)計蓄能時間為16 h；在夏季利用谷電時段運行熱泵就可以完全滿足加熱量需求，設(shè)計蓄能時間為8 h。

天然氣的燃燒值為3.971×104kJ/m3，天然氣的價格2.5元/m3，燃氣鍋爐的熱效率在90%左右，因此1 m3的天然氣采暖可提供熱量為35 739 kJ。電價0.39元/kWh，1 kWh可提供熱量為3600 kJ，考慮到設(shè)計的熱泵能效比能達到4.5左右，因此1 kWh可產(chǎn)生16 200 kJ的熱量。

燃氣鍋爐年運行動力費用為575萬元，蓄能式熱泵系統(tǒng)年耗電量為507×104kWh，新增熱泵機組配套泵機組年耗電量約為60×104kWh。根據(jù)峰谷電價表統(tǒng)計顯示，年綜合用電電價為0.39元/kWh，年運行動力費用為221萬元，年可節(jié)約運行動力費用為354萬元，蓄能式熱泵系統(tǒng)投資約為1200萬元，3年可收回成本。

根據(jù)我國合同能源管理網(wǎng)數(shù)據(jù)，油田天然氣CO2排放系數(shù)為 2.162 2 kg/m3，230×104m3天然氣排放CO2為4973 t；煤電轉(zhuǎn)化系數(shù)按照0.36 kg/kWh計，507×104kWh電能折合標(biāo)準(zhǔn)煤1825 t，排放CO2為4490 t，因此，污水余熱利用系統(tǒng)可減少CO2排放483 t/a，具有很好的減排效果。

3 結(jié)論

1）與原加熱系統(tǒng)相比，采用熱泵技術(shù)每年可減少運行動力費354萬元，蓄能式熱泵系統(tǒng)投資約為1200萬元，3年可收回成本。

2）若無蓄能系統(tǒng)，日均電價為0.52元/kWh，比采用蓄能系統(tǒng)高33%，在有峰谷電價政策的地區(qū)應(yīng)優(yōu)先考慮蓄能＋熱泵技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，降低運行成本。同時，油田負(fù)荷為連續(xù)生產(chǎn)負(fù)荷，采用蓄能技術(shù)可在機器出現(xiàn)故障后的維修時段持續(xù)供熱，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3）蓄能式熱泵系統(tǒng)能夠很好地利用油田污水余熱，部分替代現(xiàn)有油田生產(chǎn)加熱系統(tǒng)，從而減少一次能源消耗，達到降本增效的目的，年減少CO2排放483 t。

4）峰谷電價政策在全國很多地區(qū)已經(jīng)實行，且峰谷電價比大多都在3∶1以上，利用蓄能技術(shù)與熱泵技術(shù)相結(jié)合，可降低動力成本，也可以實現(xiàn)電能的優(yōu)化配置，緩解高峰時段的用電緊張局面。