空氣源熱泵技術在海上平臺的應用

吳斌，姜春起，曲雙杰

(中海油能源發展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452)

海上平臺生產需要消耗大量的原油或者柴油，不僅投資成本增加，而且碳排放量過高。為此，考慮對平臺電加熱設備進行技術改造，采用空氣源熱泵技術和智能化控制技術，充分利用平臺發電機廢熱和空氣低效熱能，把這些低效熱源變成高效熱源，為海上平臺員工提供熱水與舒適的生活環境，降低能源消耗，減少碳排放量。

1 空氣源熱泵應用的可行性

1.1 海上平臺面臨的能耗問題

海洋石油平臺屬于高耗能企業，碳排量量過高會嚴重制約企業的發展，節能降耗已成為海洋石油生產平臺關注的重點。每個海上平臺的碳排放量是有配額限制的，高出配額的一部分就要去碳交易市場購買，并且能耗的增加也會增加成本投入，使原油開采成本進一步提高，從而限制了企業的發展。降低能耗，減少碳排放量，已經成為企業關注的重點。

1.2 空氣源熱泵節能原理

空氣源熱泵是一種將熱量從低位熱源流向高位熱源的節能機械裝置，可以把不能直接利用的低位熱能(如空氣、土壤、水中所含的熱量)轉換為可以利用的高位熱能，把室外的能量傳到屋內，從而達到節能的目的。空氣源熱泵是利用逆卡諾循環原理，利用少量電力，推動壓縮機對介質做功。介質能通過熱交換器吸收環境中空氣的熱量，同時介質從液態變為氣態，再通過電力驅動的壓縮機將介質壓縮為較高溫高壓的液體，最后水與空氣通過另外一個較熱交換器從而獲得熱水和溫暖的空氣。由壓縮機消耗的功轉化成的熱僅是熱泵輸出熱量的一小部分，大部分是自然界提供的自然能，這種能量是免費和取之不盡的。所以熱泵與直接使用電加熱相比是一種高度節能裝置。

1.3 海洋環境影響

海上冬季，室外溫度低于-8 ℃，寒風凜冽，空氣源熱泵的制熱性能與海上平臺環境氣溫有著直接的關系。空氣源熱泵的制熱過程比較復雜，當換熱器表面溫度低于空氣露點溫度時，空氣中的水汽就會結露，此時換熱器表面就可以相變換熱，制熱能力得到提高；但當換熱器表面溫度低于空氣的冰點溫度時，換熱器表面就會結霜，影響熱交換量，甚至會結冰，壓縮機也會出現低壓保護停機現象。換熱器表面結霜，會影響正常有效的供熱，所以必須定時化霜。

目前陸地空氣源熱泵機組大部分采用反向循環來化霜或者電加熱器化霜，壓縮機停止供熱，故系統供熱量受明顯影響。結霜很嚴重時，需要平均20～30 min化一次霜，一次化霜的時間為5～7 min，因化霜減少的供熱量達18%左右。海上環境氣溫更低，機組要不斷地化霜，供熱能力急劇下降。據統計，當溫度為0～6 ℃時，供熱輸出率為額定工況下的75%～68%；當溫度為-6～10 ℃時，機組的供熱輸出率為額定工況下的68%～59%；當溫度在-10 ℃以下時，機組的供熱輸出率為額定工況下的59%以下。針對海上平臺特點，可在外部換熱器加設主機廢氣余熱輔助熔霜設備(提高主機廢氣余熱利用，降低能源浪費)，保證熱泵系統在冬季的穩定運行。

1.4 智能化設計實現精準控制

空氣源熱泵智能控制系統應該具有參數設置，系統控制，數據記錄、統計與分析，故障提示與報警等功能，可根據大數據分析結果實時智能啟動相應控制程序。采用可編程智能化控制系統，與現場中央空調PLC控制系統不沖突。智能監控每個房間的溫度與濕度，并根據每個員工的不同生活習慣與體制進行參數設定，為每個員工提供舒適與健康的生活環境。實現智能化精準控制，操作人員完全不必通過調節參數來控制室溫，并且精準控制可以實現5%-20%的節能效果。

采集每個房間的溫度、濕度、面積、人員數量、室外環境溫度與濕度、24 h的天氣預報與空調負荷的變化等，對每時段的空調負荷進行預測，并采用壓縮機無功補償優化壓縮機運行，精準控制循環風機運行與停止，使每個房間的室溫達到所需要的值。智能化控制系統的大數據分析和調節控制功能把室內的環境控制在對人體適宜的范圍內，可避免電能的浪費，避免過熱、過冷及空載現象的發生，有效解決系統惰性的控制時滯問題。

1.5 原中央空調與熱水器的節能性改造

1)單向閥改為四通閥。通過改變原中空調中可壓縮介質流動的方向，實現中央空調既能制冷又能逆向運行制熱。

2)熱水罐改裝。在熱水罐內加換熱器，可壓縮介質在外部換熱器中吸收空氣中的熱量并氣化，然后可壓縮介質通過壓縮機壓縮后，壓力增大溫度升高，介質再通過熱水罐內的換熱器給水加熱，提供源源不斷的熱能。

3)熱回收換熱器。陸地工況條件下，空氣源熱泵一般采用的換熱器效率低，管路損失大，為此，在設備中加入熱回收裝置，解決熱泵系統的換熱效率低的技術問題。

4)主機廢氣余熱輔助熔霜設備。該設備利用平臺主機排氣余熱作為熱源并引入熱交換器，使用風機將廢氣余熱通過廢氣熱交換器吹到中央空調的熱交換器上，從而使中央空調的熱交換器內部的介質升溫。利用平臺主機排氣余熱來為中央空調在冬季提供高效的熱源，安全可靠，主機廢氣不會泄露進入生活樓。

2 系統組成

2.1 控制系統

1)邏輯控制方案。通過PLC程序對中央空調系統進行現場控制。利用計算機技術，建立數據庫；利用模糊理論與控制技術，通過對每個房間的溫度、濕度、房間面積、人員數量、室外環境溫度與濕度、24 h的天氣預報與空調負荷的變化情況等進行記錄、統計、分析、運算和推理，基于歷史負荷及其人員反饋，對每時段的空調負荷進行預測，控制電磁閥的開度，解決系統惰性的控制時滯問題，即可增加舒適度，又可降低能耗。

2)通信方案。采用光纖通信，采集的每個房間的溫度與濕度等數據和人機界面輸入數據通過光纖傳輸到計算機，計算機控制系統能夠從整體上了解房間狀態，做出判斷，把指令信息傳給PLC系統控制中央空調運行。另一方面，計算機控制系統把控制數據通過光纖發送給人機界面，從而實現中央空調的智能控制。

3)人機界面。組態王軟件具有適應性強、開放性好、易于擴展等特點，采用組態王軟件顯示中央空調的運行狀態，顯示的內容有報警窗口、電流實時趨勢曲線、室內溫度和濕度曲線、室外溫度與濕度曲線、天氣預報等。通過這些信息可以快速分析中央空調運行狀態，便于設備維護保養與檢修。各房間通過溫度控制器顯示房間溫度與濕度，控制風閘開度，控制房間溫度。

控制實現過程見圖1。

圖1 控制實現過程示意

2.2 硬件配置

1)四通閥。用于改變空調中氟利昂流動的方向，讓中央空調可以制冷也可以制熱，海上平臺原中央空調均是本身只能制冷，冬季使用電加熱管制熱，冬季消耗驚人的電能。把原中央空調的單相閥改為四通閥后，中央空調既能制冷又能制熱。

2)原中央空調。對原中央空調進行制冷系統管路、電磁閥、控制系統改裝，加裝熱介質油輔助熔霜系統，其他部分保留。

3)熱水罐與熱回收換熱器。增加1套熱水與熱回收換熱器，對相關介質線路進行改裝，見圖2～4，實現夏季房間制冷、冬季房間制熱、春秋季房間通風和四季熱水器制熱，代替原始電加熱，達到節能減排的目的。

圖2 夏季房間制冷，熱水器制熱原理示意

圖3 冬季房間制熱，熱水器制熱原理示意

圖4 春秋季房間通風，熱水器制熱原理示意

4)主機廢氣余熱輔助熔霜設備。見圖5。

圖5 主機廢氣余熱輔助熔霜原理示意

該設備裝設在蒸發器旁，把平臺主機排氣余熱作為熱源，利用易于熱傳導的熱交換器和易于升溫的介質，通過管線把高溫介質運到中央空調蒸發器旁邊的熱交換器，使用風機將介質的熱量通過吹到中央空調的蒸發器上，從而使中央空調的蒸發器內部的介質升溫。利用平臺主機排氣余熱作為中央空調在冬季提供的高效熱源，可提高能源利用率，也一定程度上減少環境污染。

3 平臺空氣源熱泵節能減排計算

用熱泵替代電加熱對生活樓與熱水器進行加熱,按照海上平臺41人對節能減排效果進行計算驗證，對空氣能比電加熱器節能進行對比分析。結果表明，全年節能效率達到74%,因此,空氣能熱泵具有顯著的節能效果。詳細計算步驟如下。

1)需要消耗熱水。

=41人×30L/人×365 d=448 950 L。

2)電加熱每年需要消耗電能。

=448 950×(60-10 ℃)×4.2/3 600/0.95=27 567 kW·h。

3)空氣能每年需要消耗電能。

=448 950×(60-10 ℃)×4.2/3 600/4=6 547 kW·h。

4)節省電能。

=-=21 019 kW·h。

冬季中央空調節能效果計算如下。

1)原始中央空調電加熱器消耗電能。

=150 d×24 h×100 kW=360 000 kW·h。

2)空氣源熱泵中央空調消耗電能。

=/4=360 000 kW·h/4=90 000 kW·h。

3)節省電能。

=-=270 000 kW·h。

全年節省能源及碳排量計算。

1)全年節省電能。

=+=291 019 kW·h。

2)減少二氧化碳排量。

=291 019÷3 400×860×3.02=222 304 kg。

對海上平臺中央空調和生活熱水加熱系統改造后，41人的海上平臺每年可節省29萬kW·h(相當于116 t原油)，減少碳排放量222 t。不僅每年減少能源投入40萬元，在規定的碳配額情況下提高生產產量。空氣源熱泵技術在海上平臺應用后，節能減排效果非常明顯。并且此系統應用智能化控制技術，精準控制整個系統，可充分利用主機廢熱，保障熱泵系統高效運行。

但是，空氣熱源泵需要壓縮機不斷運行，也需要消耗一部分電能，能效比為3∶1，并且壓縮機運行噪音較大，易對員工造成職業病危害。整體分析，海上平臺中央空調和生活熱水加熱系統的改造利大于弊，降本增效和節能減排效果顯著。

4 結論

空氣熱源泵在海上平臺應用，原油或者柴油消耗量會大幅度降低，不僅降低了生產成本，而且在定量的碳配額的情況下，平臺生產產量可以進一步提高。采用空氣源熱泵技術和智能控制技術，結合廢熱的利用，很好地解決了海上惡劣環境中平臺的生活舒適度和故障檢修等難題。但在環境溫度低于-20 ℃的情況下，應加強設備巡檢，防止結霜，并輔助電加熱保持舒適的環境。