熱泵技術在油田地熱能資源開發中的應用

鄧克寧（中國石油集團電能有限公司電力研究設計院）

1 概述

地熱能作為一種可再生的清潔能源，應用領域廣泛，發展潛力巨大，開發利用地熱能資源是符合企業安全生產環保要求、目前國家產業發展要求、國家新能源發展規劃的一項舉措[1]。2017年1月23日，國家發展改革委、國家能源局、國土資源部聯合頒布了《地熱能開發利用“十三五”規劃》，正式將地熱能的發展納入國家規劃。規劃指出“全面推進能源生產和消費革命戰略，以調整能源結構、防治大氣污染、減少溫室氣體排放、推進新型城鎮化為導向，依靠科技進步，創新地熱能開發利用模式，積極培育地熱能市場，按照技術先進、環境友好、經濟可行的總體要求，全面促進地熱能有效利用”。

2021 年9 月10 日，國家能源局發布了《關于促進地熱能開發利用的若干意見》（國能新能[2021]43 號），對我國地熱能資源開發利用做以明確。指導思想：“穩妥推進地熱能資源勘查和項目建設，規范和簡化管理流程，完善信息統計和監測體系，保障地熱能開發利用高質量發展。”主要目標：到2025 年，各地基本建立起完善規范的地熱能開發利用管理流程，全國地熱能開發利用信息統計和監測體系基本完善，地熱能供暖（制冷）面積比2020年增加50%，在資源條件好的地區建設一批地熱能發電示范項目，全國地熱能發電裝機容量比2020年翻一番；到2035 年，地熱能供暖（制冷）面積及地熱能發電裝機容量力爭比2025 年翻一番。

大慶油田是我國緯度最高的油田，氣候寒冷，每年有6 個月采暖期，無論是職工生活還是油田生產都消耗大量的石油、天然氣和煤炭。開發地熱能可以節能減排，降低油田生產成本，助推綠色油田建設，有利于實現大慶油田的可持續發展[2]。

2 熱泵技術

2.1 熱泵技術原理

熱泵是一種將低溫熱源的熱量轉移到高溫熱源的裝置，屬于充分利用低品位熱能的高效節能裝置。熱泵的工作原理就是以逆循環方式迫使熱量從低溫物體流向高溫物體的機械裝置，僅消耗少量的逆循環凈功，就可以得到較大的供熱量[3-5]。

在夏季空調降溫時，按制冷工況運行，由壓縮機排出的高壓蒸汽，經換向閥（又稱四通閥）進入冷凝器。在冬季取暖時（或用于原油加熱時），先將換向閥轉向熱泵工作位置，于是由壓縮機排出的高壓制冷劑蒸汽，經換向閥后流入室內（或油罐內）蒸發器（作冷凝器用）；制冷劑蒸汽冷凝時放出的潛熱，將室內空氣（或油罐內原油）加熱，冷凝后的液態制冷劑，從反向流過節流裝置進入冷凝器（作蒸發器用），吸收外界熱量而蒸發；蒸發后的蒸汽經過換向閥后被壓縮機吸入，完成制熱循環。這樣，將外界空氣（或循環水）中的熱量“泵”入溫度較高區域，故稱為“熱泵”[6-7]。

熱泵按照熱量來源可分為水源熱泵、地源熱泵和空氣源熱泵；按照驅動方式可分為電力驅動、燃氣引擎驅動和熱力驅動熱泵；按照工作原理可分為壓縮式和吸收式熱泵。熱泵工作原理見圖1。

圖1 熱泵工作原理Fig.1 Working principle of heat pump

2.2 熱泵選型方案

在油田企業實際應用中，根據燃氣吸收式熱泵和電驅壓縮式熱泵所適用的溫度工況和熱量范圍不同，結合工程現場特點進行機組選型。

現場只要有伴生氣，就可以選用燃氣吸收式熱泵，運行費用低，熱水溫度范圍廣。

現場只有電，推薦電熱泵方案。現場熱水要求70 ℃以上選擇離心熱泵，要求熱水70 ℃以下選擇螺桿熱泵；日處理水量1 500 m3以上推薦離心熱泵，日處理水量1 500 m3以下推薦螺桿熱泵。

現場有電和伴生氣，推薦燃氣吸收式熱泵，因為伴生氣價格低，伴生氣的燃氣吸收式熱泵運行費用遠低于電熱泵。

現場有伴生氣、商業氣和電，推薦燃氣吸收式熱泵，運行費用低。

現場有電和商業天然氣，比較氣和電的價格，計算運行費用后選擇泵型。

機組運行在不同溫度工況下的效率不同，不同項目的初投資、燃氣費、電費不同，應根據項目具體情況進行經濟性分析后，確定最終方案。兩種型式熱泵機組性能對比見表1。

表1 兩種型式熱泵機組性能對比Tab.1 Performance comparison of two types of heat pump units

3 熱泵應用

3.1 地熱能優勢

大慶油田有豐富的地熱資源，探區內傳統水熱、產出水余熱及干熱大量分布，其中水熱型地熱資源可采資源量為30.4×108tce；產出水熱能可采資源量為69.4×104tce；探區3～10 km 干熱型地熱資源總量為7.45×1012tce，這些資源是大慶油田開發利用地熱的資源基礎[8-10]。

油田產出水型地熱相對傳統水熱型地熱溫度低，但油田產出水量大、蘊藏的熱能比較豐富。其節能降耗、改善環境作用突出，由于利用了含油污水中的熱能，節能率在70%以上。根據大慶油田地熱勘探資料數據，松遼盆地北部地熱水的資源總量為6 518×108m3，按照10 ℃的溫差換算熱量為27.38×1018J，折合標準煤9.35×108t。2019 年，大慶油田油氣生產能源消耗量387.27×104tce，其中天然氣消耗量15.43× 108m3，折合標準煤205.21×104t，占比52.99%；電消耗量119×108kWh，折合標準煤146.25×104t，占比37.77%。大慶油田每年采暖期長達六個月，用于油氣生產中鍋爐、加熱爐消耗的天然氣的能耗量超過總能耗量的一半以上[11-12]。目前，油田加熱爐2 830 臺，裝機總容量4 648 MW；采暖鍋爐640 臺，裝機總容量1 137 MW。根據地熱規劃相關數據，油田可利用含油污水量121×104m3/d，供熱負荷465 MW，每年可替代天然氣1.82×108m3。油田用熱泵工作流程見圖2。

圖2 油田用熱泵工作流程Fig.2 Workflow of heat pump for oilfield

3.2 熱泵技術在油田應用

1）通過老區改造等手段，利用油田采出含油污水余熱、電動機冷卻水余熱、淺層地下水等熱源。在采油一廠等13 個單位，先后實施熱泵供暖項目31 個，為油田生產站場、辦公樓等供暖，供暖面積達27.36×104m2，年替代能源2.2×104tce，已經累計替代能源23.83×104tce，減少CO2排放61.29×104t。

2）油田完成了6 項地熱利用示范工程的可研設計。經審查，確定了采油一廠新中一污水站、采油三廠北十七聯合站、采油六廠喇360 轉油放水站三個項目作為油田地熱開發利用示范工程建設項目。項目建成運行后，每年可節約天然氣1 014×104m3，節能1.15×104tce。（按燃料計算可減排2.19×104t，按照系數可減排2.83×104t）

3）采油一廠新中一污水站、采油三廠北十七聯合站兩座地熱示范工程項目建設工作。2020 年9月建成投產，投產后節約天然氣636.16×104m3，折合原油5 069 t，減少CO2排放1 386.83 t。

4）利用南十聯污水站工業余熱，建設電動壓縮熱泵站，替代6 臺采暖燃氣鍋爐（其中南十聯3臺，劉高手3 臺），年節約天然氣156×104m3；利用北Ⅱ-1 污水站工業余熱，建設電動壓縮熱泵站，替代3 臺北Ⅱ-1 聯合站采暖爐及八一鍋爐房供熱，年節約天然氣228×104m3；利用聚喇140 地區污水站工業余熱，建設電動壓縮熱泵站，替代周邊6 座工業場站合計24 臺加熱爐、采暖爐等生產用熱。上述項目年節約天然氣1 200×104m3。

3.3 熱泵應用規劃

1）“十四五”期間規劃熱泵站23 座，替代供熱負荷 163.48 MW，利用含油污水量為25.80×104m3/d，節約天然氣6 966.1×104m3，折合標準煤7.24×104t，減少CO2排放15.06×104t。熱泵替代供熱負荷規劃見表2。

表2 熱泵替代供熱負荷規劃Tab.2 Heat pump alternative heating load planning

2）“十四五”期間規劃39 座注水站利用注水電動機冷卻水余熱供暖，采暖總負荷23.4 MW，提取電動機冷卻水余熱45.9 MW，節約天然氣765.4×104m3，減少CO2排放2.0×104t。熱泵利用注水電動機冷卻水規劃見表3。

表3 熱泵利用注水電動機冷卻水規劃Tab.3 Planning for the use of water injection motor cooling water in heat pumps

3）“十四五”期間規劃在海拉爾油田等單位改造油井108 口，建設23 個站點用于采暖，采暖面積13.3×104m2，年替代原油2 046 t，替代天然氣186.3×104m3，減少CO2排放1.02×104t。熱泵利用改造油井替代天然氣規劃見表4。

表4 熱泵利用改造油井替代天然氣規劃Tab.4 Planning for replacing natural gas with oil wells through heat pump transformation

大慶油田“十四五”期間，共計規劃熱泵站85座，替代供熱負荷203.98 MW，利用含油污水量為25.80×104m3/d，節約天然氣7 917.8×104m3，減少CO2排放18.39×104t。

隨著油田進入開發中后期，綜合含水率已經達到90% 以上，目前，油田日產含油污水量195.17×104m3。其中喇薩杏油田含油污水量185.69×104m3/d，占油田總含油污水量的95.15%；外圍油田含油污水量9.48×104m3/d，占油田總含油污水量的4.85%。僅采油一廠～六廠年油田采出水就接近5×108m3，水溫35～42 ℃，按提取10 ℃溫差熱能計算，相當于70×104tce。與傳統供熱方式相比，節約了油氣資源，節省了人力資源，減少了CO2排放。

4 結論

大慶油田在油氣勘探開發過程中積累了豐富、可靠的數據和資料，降低了勘探投入和開發風險。探區有大量低效關停井閑置，通過改造，可利用最新地巖熱技術取熱，可以節約鉆井成本，經濟效益十分顯著，而且還盤活了國有資產。

油田開發利用地熱資源不但環境效益顯著，經濟效益也極為可觀。相比傳統能源，熱泵技術具有更高的能效比。在不享受國家新能源補貼的條件下，其運行費用僅為燃燒渣油的30%～50%，燃燒天然氣的40%～50%。若考慮近年來熱泵能效比的不斷提高，以及今后國家對新能源補貼措施的落實，其優勢將更為明顯。

熱泵在應用過程中也存在一系列問題：①熱泵工程一次性投入較高制約了其發展，盡管熱泵技術已經非常成熟，且相比傳統供熱方式有了更高的能效比、更好的經濟效益和環境效益，但是一次性投入過高還是限制了其推廣應用，一般情況熱泵設備投資300 萬元～500 萬元/MW，大約為燃氣鍋爐的2倍左右，裝機功率越小，單位投資越高。②地熱項目具有投資費用高、回收期長、內部收益率低等特點，難以達到投資項目效益標準，難以立項實施。從可持續發展角度看地熱利用屬于清潔能源項目，建議降低地熱項目審查標準，通過地熱項目實施，為今后地熱能業務長期開展奠定基礎。