CO2空氣源熱泵原油加熱輸送工程應用效果分析

曾俊杰*，陶富民，韓宗偉，張孝順，劉恩鵬

（1.東北大學冶金學院；2.沈陽群賀新能源科技有限公司）

0 引言

中國油田所產原油多數為高含蠟原油，蠟含量多為15%～37%，有的甚至高達40%以上[1]。若直接進行管道輸送，易造成凝管事故，因此必須將原油加熱到一定溫度后才能進行長距離的管道輸送。目前，油田的原油加熱多采用水套爐和電加熱器等方式。其中，水套爐普遍存在排煙溫度過高、過剩空氣系數較大等問題[2]，導致加熱效率低；而電加熱器一般與太陽集熱系統配合使用，以達到節能降耗的作用[3-4]，但其運行系統復雜，不適用于太陽能不充足的地區。隨著近年臭氧層破壞和溫室效應的加劇，人們對環境的可持續發展越來越重視[5]，尋找一種節能、環保、可推廣普及的原油加熱技術，顯得極為重要。

近年來，空氣源熱泵的應用逐漸增多，其中江蘇油田對空氣源熱泵在節能降耗方面的應用做出積極嘗試，并率先提出和嘗試復疊式空氣源熱泵在加熱原油上的應用[6-7]；長慶油田則將太陽能-空氣源熱泵復合加熱技術用于實際應用中[8]，為該地區推廣熱泵技術用于原油輸送提供參考。但目前以傳統制冷工質 R22（二氟一氯甲烷）、R410A（50%二氟甲烷和50%五氟乙烷組成）或R417（四氟乙烷、五氟乙烷和丁烷組成）來制熱的空氣源熱泵普遍存在加熱溫度受限、低溫環境效率低等問題[9-10]。而同條件下 CO2空氣源熱泵采用超臨界 CO2加熱原油，加熱溫度可達 90 ℃，受環境溫度影響相對有限，同時由于 CO2單位容積制冷量大、換熱效果好，低溫下運行也更加穩定高效。此外 CO2作為工質，其ODP（消耗臭氧潛能值）為 0，GWP（全球變暖潛能值）為1[11]，不需回收和再生，更加環保。因此基于中國大部分油田位于東北等寒冷地區的國情，CO2空氣源熱泵用于原油輸送具有較好的可行性。

目前，國內外 CO2空氣源熱泵在原油加熱運輸中的應用很少，為分析其具體應用情況，本文選取東北地區某油田為研究對象，對 CO2空氣源熱泵實際應用進行分析，為確定高效環保的原油加熱技術提供參考。

1 CO2空氣源熱泵原油加熱可行性分析

測試油井原采用燃氣水套爐對原油運輸管道進行加熱。燃氣水套爐主要由殼體、火筒、煙管、盤管及其他附件構成。在原油輸送流程中，燃氣水套爐系統由燃燒器燃燒后火筒和煙管內的熱煙氣加熱殼體內的水，通過熱水循環進一步加熱管道，達到加熱原油的目的，具體加熱流程如圖1所示。

圖1 燃氣水套爐加熱流程

由于通過煙氣作為載體與水交換熱量，加熱過程中易結垢積灰同時燃料燃燒不完全，從而導致加熱效率低（80%～85%）[12]、污染嚴重，這與節能環保的大趨勢明顯不符。同時，因為水套爐要實現燃料燃燒、煙氣與水的熱交換等過程，所需空間較大。此外，油田水套爐運行工況晝夜變化較大，需要司爐工摸清具體情況，并及時作出相應調整，操作復雜[13]。而CO2空氣源熱泵直接使用電能驅動，充分利用低品位環境空氣熱能，效率較燃氣水套爐高很多，其具體加熱流程如圖2所示。

圖2 CO2空氣源熱泵加熱流程

低壓冷媒經回熱器預熱后被壓縮機吸入，經壓縮后進入超臨界狀態的高溫高壓氣體進入冷卻器。水作為傳熱介質將高溫高壓氣體中的熱量持續傳遞到儲油罐，同時冷卻下來的高壓氣態工質經回熱器預熱后進入節流閥降壓，變為低壓氣液混合物進入蒸發器，在蒸發器中液態冷媒吸收熱量變成氣態。氣態冷媒隨后進入壓縮機，進行下一次循環。由于CO2的單位容積制熱量較一般氟利昂工質大得多，因此對于相同制冷量的系統，CO2空氣源熱泵結構更緊湊。同時，因為 CO2臨界溫度較低，熱泵循環高壓加熱過程在超臨界區域進行，且原油加熱側為直流式換熱，流動和傳熱效果良好。

目前，CO2空氣源熱泵控制系統已實現自動化，并可以通過PLC（可編程控制器）或GPRS（通用分組無線服務技術）快速有效調節溫度，操作簡單高效。由于燃氣水套爐系統和 CO2空氣源熱泵系統主體部分均在同一箱體或殼體中，工程上將燃氣水套爐替換成 CO2空氣源熱泵時，僅需將主體部分拆除替換，再安裝電子設備即可，無需進行末端改造，較為方便快捷。

綜上分析，CO2空氣源熱泵在原油加熱輸送方面具有尺寸較小、操作管理自動化程度高、現場基本無污染物排放、高效節能、改造方便等特點，可行性較強。其與燃氣水套爐具體比較如表1所示。

表1 加熱裝置現場綜合效果對比情況

2 工程應用效果分析

CO2空氣源熱泵雖在原油加熱中具有巨大優勢，但因缺少實際工程應用，難以對其可行性進行具體評估。為了驗證 CO2空氣源熱泵的實際應用效果，選取東北某油田進行試驗分析，現場應用情況如圖3所示。

圖3 CO2空氣源熱泵現場應用情況

應用地區冬季平均氣溫約-9 ℃，其34-312油井于2019年改用CO2空氣源熱泵對原油進行加熱。設備基本參數如表2所示，機組使用380 V三相電源，不同溫度下設備額定功率有所差別，且隨溫度降低而下降。

表2 CO2空氣源熱泵機組及性能參數

2019年11月28 日至2020年4月1日，對設備進行了試運行，測試時間125 d。部分采集數據如表3所示，測試參數包括環境平均溫度、原油進出口溫度、油量和耗電量等。

表3 油井熱泵加熱運行情況（2019年11月28日至2020年4月1日）

通過表3測試數據可以看出，受環境溫度和機組制熱性能的影響，測試期間出口油溫在 57～66 ℃波動，滿足該地區出油溫度一般不低于55 ℃的原油運輸要求。測試期間環境溫度變化最大幅值達18 ℃（第5階段和第8階段），但這兩個階段的出口油溫僅相差 3.6 ℃，原油溫度變化相對穩定，機組加熱效果受環境影響較小，能夠將原油輸送溫度始終保持在最佳范圍內。同時，隨著環境溫度降低，原油溫度與管外環境溫差增大，達到所需溫度的供熱量增加，因此熱泵機組的平均耗電量也隨之增長。根據擬合結果，隨環境溫度升高，用電量減少幅度逐漸趨于平穩，在測試期間環境平均溫度每提高1 ℃，平均用電量約減少4～8 kW·h，最大減低幅度超過6%。

圖4為熱泵機組COP（制熱性能系數）與環境溫度變化曲線。COP表征熱泵能源利用效率，相同工作條件下，COP值越大，其制熱效果越好、越節能。原油換熱過程在儲油罐中進行，COP為原油加熱量與儲油罐散熱量之和與機組耗電量之比，其中儲油罐內液體約23 m3，罐體散熱面積約71 m2，傳熱系數約1.1 W/（m2·℃）。由圖4可以看出，機組COP變化基本與環境溫度同步，在環境平均溫度最低的第5階段，COP為1.85；環境平均溫度最高的第8階段，COP為2.67。測試階段平均COP為2.11，總體制熱效果較好。但由于儲油罐存在熱損失，原油實際加熱效率會低于熱泵能源利用效率。

圖4 熱泵機組COP與環境溫度變化曲線

根據表3數據，實際加熱過程中原油噸加熱量與噸耗電量變化曲線如圖5所示。測試期間，平均噸加熱量為56.85 MJ，平均噸耗電量為10.15 kW·h。由于加熱效率為有效加熱量和耗電量之比，平均加熱效率達155.6%，較改進前燃氣水套爐加熱效率提高了70%左右。

圖5 噸加熱量與噸耗電量變化曲線

3 效益分析

3.1 運行經濟性

測試油井年產量為8 400 t，開采過程中非特殊情況一般不停止運行。因此，為與實際情況吻合，后續計算中年運行時間取365 d。

在使用 CO2空氣源熱泵前，燃氣水套爐消耗油田伴生氣約為90 m3/d，廠內燃氣年平均價格為2.09元/m3，則燃氣費用為6.87×104元/a；改用CO2空氣源熱泵后，加熱裝置每日消耗電能隨環境溫度變化有所波動，其中夏季和秋季由于環境溫度升高耗電量會有所下降。若根據測試期間平均日耗電量估算全年耗電量，耗電量會偏大。測試期間平均日消耗電量約為233.5 kW·h，電費以0.5元/（kW·h）計，則年消耗電費最多不超過4.26×104元。在不考慮運行過程中折舊損失和維護費用的情況下，年節省2.61×104元，節省率達37.99%。安裝CO2空氣源熱泵需一次性投資 26.5×104元，其回收年限約為 10年，能在15年使用年限內收回成本，應用前景較好。

考慮到如今大中型油田油井數均超過 1×104口，年產量均過萬噸，若推廣使用CO2空氣源熱泵，僅原油加熱輸送一項每年便可節省上億元。以東北遼河油田為例，其油井數約為1.1×104口，采用CO2空氣源熱泵后，年節省成本3.14×108元左右，經濟效益良好。

3.2 節能減排效果

為便于比較分析，根據GB/T 2589—2020《綜合能耗計算通則》，將各種能源折算成標準煤進行綜合能耗計算。其中，油田伴生氣（天然氣）折標準煤系數為1.100 0～1.330 0 kgce/m3，電力折標準煤系數為 0.404 kgce/（kW·h）。改進前，單口油井消耗油田伴生氣約32 850 m3/a，折合一次能源約為39 912.8 kgce/a；改進后，單口油井耗電量為85 227.5 kW·h/a，折合一次能源約為34 431.91 kgce/a。因此，與燃氣水套爐相比，使用 CO2空氣源熱泵每年可節約能耗5 479.89 kgce，綜合能耗節能率達13.73%，節能效果明顯。

減排方面，根據《環境保護實用數據手冊》中燃料排放污染物系數的取值，天然氣燃燒排放污染物中二氧化碳排放量取1.9 kg/m3，二氧化氮排放量取6.3 kg/104m3，二氧化硫排放量取1.0 kg/104m3，煙塵排放量取2.4 kg/104m3。在不考慮發電過程污染物排放的情況下，因禁用油田伴生氣每年所減少的二氧化碳排放量為62 415 kg，減少的二氧化氮排放量為20.7 kg，減少的二氧化硫排放量為3.3 kg，減少的煙塵排放量為7.9 kg。若推廣到整個遼河油田，則每年減少二氧化碳排放6.87×108kg，減少二氧化氮排放22.77×104kg，減少二氧化硫排放3.63×104kg，減少煙塵排放8.69×104kg。

4 結論

本文針對傳統原油加熱運輸方式耗能大、污染嚴重等不足，提出運用 CO2空氣源熱泵進行原油加熱運輸，通過分析東北某油田應用 CO2空氣源熱泵后的實際效益，得出如下結論：

加熱效果方面，整個測試期間室外平均溫度為-9 ℃，原油出口溫度可保持在60 ℃左右，完全滿足該地區原油輸送要求。同時 COP值保持在 1.8～2.7之間，原油實際加熱效率達155.6%，制熱性能良好；經濟性方面，若不考慮折舊損失和維護費用，單口油井年節省加熱成本約2.61×104元，運行費用減少37.99%，且能在10年左右收回成本；節能減排效果方面，單口油井年節約綜合能耗 5 479.89 kgce，節能率達13.73%；同時，企業每年可減少二氧化碳排放62 415 kg，二氧化氮排放20.7 kg，二氧化硫排放3.3 kg和煙塵排放7.9 kg。

從初步應用 CO2空氣源熱泵的情況可知，CO2空氣源熱泵經濟實用、節能減排效果顯著、操作安全高效，適用于寒冷地區原油加熱輸送；而在其他環境溫度較高的地區，綜合效果更佳。因此，CO2空氣源熱泵具有較高的應用價值。