油田采出水熱泵應(yīng)用技術(shù)研究

樊夢芳 劉亮德 李 云

中國石油工程建設(shè)有限公司華北分公司, 河北 任丘 062552

0 前言

根據(jù)國務(wù)院印發(fā)《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》要求,實(shí)施工業(yè)能效趕超行動(dòng),在重點(diǎn)耗能行業(yè)全面推行能效對標(biāo);工業(yè)能源利用效率和清潔化水平顯著提高,大型工業(yè)企業(yè)單位增加值能耗比2015年降低18%以上,特別指出石油石化、化工等重點(diǎn)耗能行業(yè)能源利用效率達(dá)到或接近世界先進(jìn)水平[1]。

根據(jù)國家政策的要求,要實(shí)現(xiàn)能源消費(fèi)總量和強(qiáng)度“雙控”目標(biāo),應(yīng)力爭從源頭上減少污染物排放，倒逼經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變[2]。2018年,某石油企業(yè)率先響應(yīng)國家號(hào)召,根據(jù)自身站場資源和用熱狀況及熱泵高效節(jié)能特性,結(jié)合其在清潔能源利用[3]、高效溫度轉(zhuǎn)換[4]、工業(yè)余熱回收[5]、油田余熱回收[6]等領(lǐng)域的研究成果,嘗試進(jìn)行熱泵技術(shù)的工程應(yīng)用研究,采用熱泵替代加熱爐,實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。本文結(jié)合具體的工程技術(shù)條件,對某轉(zhuǎn)油站吸收式熱泵和壓縮式熱泵的技術(shù)經(jīng)濟(jì)方案進(jìn)行了研究和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn),取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

1 熱泵機(jī)組

1.1 熱泵的制熱性能系數(shù)及影響因素分析

熱泵的經(jīng)濟(jì)性以消耗單位功得到的供熱量即制熱性能系數(shù)[7]來衡量[8],是熱泵所實(shí)現(xiàn)的制熱量和輸入功率的比值。在相同工況下,比值越大說明熱泵效率越高、越節(jié)能。

1.1.1 壓縮式熱泵

壓縮式熱泵的蒸發(fā)器從低品位余熱吸收熱量,冷凝器向用戶供應(yīng)高溫位熱量[9]。根據(jù)能量守恒定律和熱力學(xué)第二定律,不考慮壓縮機(jī)的散熱,熱泵制熱功率等于從低品位余熱吸收的熱量與輸入功率之和,可見制熱性能系數(shù)值恒大于1。熱泵制熱性能系數(shù)計(jì)算公式見式(1)[10]:

COP=(P+QC)/P=1+QC/P

(1)

式中:COP為熱泵制熱性能系數(shù);P為輸入功率,kW;QC為從低品位余熱吸收的熱量,kW。

影響熱泵制熱性能系數(shù)的因素包括：冷凝器出水溫度(制取熱水供水溫度)T1、進(jìn)水溫度(制取熱水回水溫度)T2，蒸發(fā)器出水溫度(余熱熱源回水溫度)T3、進(jìn)水溫度(余熱熱源供水溫度)T4。冷凝器出水溫度與蒸發(fā)器進(jìn)水溫度溫差盡量合理[11]，這樣，有利于提高熱泵制熱性能系數(shù)，但起到?jīng)Q定作用的是冷凝器出水溫度和蒸發(fā)器出水溫度，計(jì)算公式見式(2)[12]。

COP=12.503 41-0.237 85T1-0.331 36T3+

(2)

式中:T1為制取熱水供水溫度,℃;T3為余熱熱源回水溫度,℃。

1.1.2 吸收式熱泵

吸收式熱泵分為增熱型吸收式熱泵(即第一類吸收式熱泵)和升溫型吸收式熱泵(即第二類吸收式熱泵)[13],考慮到油田站場的安全間距[14],一般采用第一類吸收式熱泵。按照供熱循環(huán)又可分為單效型吸收式熱泵和雙效型吸收式熱泵[15]。第一類吸收式熱泵制熱性能系數(shù)大于1,單效型吸收式熱泵制熱性能系數(shù)一般為1.5～1.8[16]。計(jì)算公式見式(3)[10]:

COP=Q/Q入

(3)

式中:Q為制取的熱量,kW;Q入為輸入驅(qū)動(dòng)熱量,kW。

影響吸收式熱泵制熱性能系數(shù)的主要因素是發(fā)生器溫度、冷凝器溫度、蒸發(fā)器溫度以及吸收器溫度,它們與余熱熱源供/回水溫度和制取熱水供/回水溫度相互影響。在制取熱水條件和驅(qū)動(dòng)熱源條件相同時(shí),余熱熱源回水溫度越低,則熱泵制熱性能系數(shù)越低。同理,利用相同的余熱熱源條件和驅(qū)動(dòng)熱源條件,要制取熱水供水溫度越高,則熱泵制熱性能系數(shù)越低。制取熱水供水溫度對熱泵的影響大于余熱熱源回水溫度對熱泵的影響[17]。

1.2 熱泵系統(tǒng)組成

油田采出水余熱利用熱泵系統(tǒng)包括熱泵、中間換熱系統(tǒng)、循環(huán)供熱系統(tǒng)、補(bǔ)水定壓系統(tǒng)、軟化水處理系統(tǒng)[18]。

1)熱泵:熱泵分為壓縮式熱泵和吸收式熱泵(指第一類吸收式熱泵，下同),見圖1～2。壓縮式熱泵包括壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、閥組、儀表及管路；吸收式熱泵由吸收器、發(fā)生器、蒸發(fā)器、冷凝器、閥組、儀表及管路等組成[19]。兩種熱泵均可實(shí)現(xiàn)熱負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)等功能。

圖1 壓縮式熱泵照片

圖2 吸收式熱泵照片

2)中間換熱系統(tǒng)：包括換熱器、中介水循環(huán)泵、過濾器、閥組、儀表及管路，換熱器宜采用結(jié)構(gòu)簡單、維修清洗方便的板式換熱器。

3)循環(huán)供熱系統(tǒng)：包括循環(huán)水泵、除污器、用熱單元、儀表及管路，循環(huán)水泵選用普通清水離心泵。

4)補(bǔ)水定壓系統(tǒng)：包括補(bǔ)水泵(高架水箱)、閥組、儀表及管路,補(bǔ)水泵電機(jī)宜采用變頻調(diào)速電機(jī)。

5)軟化水處理系統(tǒng)：包括軟化水箱和軟化水裝置。原水經(jīng)鈉離子交換器去除Ca2+、Mg2+,防止大面積產(chǎn)生水垢。

2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究

2.1 工程技術(shù)條件

2.1.1 供熱負(fù)荷

某轉(zhuǎn)油站經(jīng)過站場優(yōu)化簡化,由輸送合格原油改為輸送低含水油,停用站內(nèi)電脫水器,站外單井實(shí)現(xiàn)單管集輸,工藝供熱負(fù)荷減少。冬季工藝用熱負(fù)荷為1 294 kW,采暖用熱負(fù)荷為120 kW,共計(jì)1 414 kW;夏季工藝用熱負(fù)荷為1 035 kW;制取熱水的供/回水溫度為75/60 ℃。

2.1.2 油田采出水量及采出水溫度

表1為2018年某轉(zhuǎn)油站采出水參數(shù)統(tǒng)計(jì),平均采出水量為1 517 m3/d,2019年前4個(gè)月平均采出水量為1 455 m3/d,因老井恢復(fù)及生產(chǎn)井含水上升情況,2019年4月以后,采出水水量可達(dá)到平均值1 517 m3/d,采出水溫度48 ℃。

表1 2018年某轉(zhuǎn)油站采出水參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2.1.3 油田采出水組分

表2 某轉(zhuǎn)油站采出水組分表

2.1.4 加熱爐及其燃料

該轉(zhuǎn)油站內(nèi)無伴生氣,原設(shè)有3臺(tái)2 330 kW燃?xì)饧訜釥t,站場通過工藝優(yōu)化簡化后,目前僅運(yùn)行1臺(tái)加熱爐,氣源來自當(dāng)?shù)厝細(xì)夤臼姓芫W(wǎng)。

2.2 技術(shù)方案

2.2.1 方案一

壓縮式熱泵：48 ℃采出水熱源供水自注水罐經(jīng)提升泵送至換熱器換熱,溫度降至31 ℃后,輸至過濾裝置。中介水經(jīng)采出水換熱器換熱后,溫度由27 ℃升至45 ℃,再進(jìn)入1 500 kW壓縮式熱泵機(jī)組蒸發(fā)器。熱泵機(jī)組冷凝器將制取熱水回水溫度由60 ℃提升至75 ℃,成為制取熱水供水輸送至工藝換熱器和建筑單體散熱器，將原油加熱到65 ℃以上和為建筑單體供暖。壓縮式熱泵系統(tǒng)工藝流程見圖3[20]。

圖3 壓縮式熱泵工藝流程簡圖

2.2.2 方案二

吸收式熱泵:以天然氣燃燒產(chǎn)生的熱能為驅(qū)動(dòng)源時(shí),在發(fā)生器內(nèi)加熱溴化鋰稀溶液產(chǎn)生水蒸氣,水蒸氣進(jìn)入冷凝器放出熱量,冷凝成液體后進(jìn)入蒸發(fā)器,在蒸發(fā)器低溫、低壓環(huán)境下吸收45 ℃中介水的熱量蒸發(fā),這部分低溫、低壓蒸汽進(jìn)入吸收器被濃溴化鋰溶液吸收,放出熱量將制取熱水回水溫度由60 ℃提升至75 ℃,成為制取熱水供水輸送至工藝換熱器和建筑單體散熱器，將原油加熱到65 ℃以上和為建筑單體供暖。稀釋后的溴化鋰溶液再進(jìn)入發(fā)生器開始下一個(gè)循環(huán)。吸收式熱泵系統(tǒng)工藝流程見圖4[20]。

圖4 吸收式熱泵工藝流程簡圖

2.3 方案比選

根據(jù)以上兩種技術(shù)方案的工程量、工程投資,同時(shí)結(jié)合運(yùn)行費(fèi)用,對兩種技術(shù)方案進(jìn)行比選,具體內(nèi)容見表3。

表3 方案比選表

綜合比較,考慮初投資及運(yùn)行情況,推薦方案一,即采用1臺(tái)1 500 kW壓縮式熱泵。

3 實(shí)施效果分析

某轉(zhuǎn)油站壓縮式熱泵及其配套工藝于2019年10月開始建設(shè),12月2日正式投運(yùn),根據(jù)2019年12月10日—2020年02月30日監(jiān)測數(shù)據(jù),運(yùn)行時(shí)制熱性能系數(shù)在4.55～5.08之間。熱泵監(jiān)測數(shù)據(jù)見表4，熱泵投產(chǎn)前、后運(yùn)行成本對比見表5。

表4 熱泵監(jiān)測數(shù)據(jù)表

表5 熱泵投產(chǎn)前、后運(yùn)行成本對比表

由表3和表5可知，某轉(zhuǎn)油站壓縮式熱泵及其配套工程建設(shè)投資為485.26萬元,每年經(jīng)濟(jì)效益為170.07萬元,投資回收期約4.3 a。

4 結(jié)論

2)采出水熱源回水溫度越低,制取熱水供水溫度越高,熱泵的制熱性能系數(shù)越低。在工程應(yīng)用中,合理利用采出水余熱熱源,并非采出水熱源回水溫度越低越好。

3)選用何種熱泵機(jī)組,與項(xiàng)目工程投資，以及當(dāng)?shù)厝細(xì)鈨r(jià)格和電價(jià)有很大關(guān)系,應(yīng)根據(jù)具體情況具體分析。