薛李強(qiáng) 苗彥平 張桂迎 朱治國 王軍 葛玉嬌 李偉

（中國石油華北油田分公司第三采油廠）

油田熱力系統(tǒng)供熱主要依靠加熱爐燃燒原油或天然氣，主要用能環(huán)節(jié)包括原油集輸及處理、采暖等，隨著國家“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出，加熱爐燃燒一次化石能源的供熱模式帶來的能耗高、污染物排放等問題愈加凸顯，油田作為用能大戶，在生產(chǎn)工藝中，碳排放的最主要來源是油田站場加熱爐燃燒燃料排放的煙氣，因此減少煙氣排放，實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展，是綠色低碳循環(huán)發(fā)展的必由之路。

1 現(xiàn)狀

某采油廠在用加熱爐61 臺(tái)，分布在26 座站場，年消耗燃料折合標(biāo)煤2.3×104t，能耗較高，主要站場燃?xì)饽晗囊姳?，同時(shí)存在氮氧化合物、煙塵等污染物排放問題。每天處理采出水1.4×104m3，平均溫度45～50 ℃，單日蘊(yùn)含著約90×104MJ 的低溫?zé)崮?，余熱資源豐富，因此研究利用油田低溫采出水余熱及大氣余熱資源替代加熱爐，對油田節(jié)能降耗、改善地區(qū)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

表1 主要站場燃?xì)饽晗慕y(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of annual consumption for fuel gas at main stations 104 m3

2 清潔替代技術(shù)的研究與先導(dǎo)試驗(yàn)

熱泵是一種能將低溫?zé)崮苻D(zhuǎn)化為高溫?zé)崮芄┥a(chǎn)使用的高效節(jié)能裝置。熱能可以自發(fā)地從高溫物體傳遞到低溫物體，但不能自發(fā)地沿著相反的方向進(jìn)行。熱泵的工作原理就是通過燃?xì)?、電能等做功?qū)動(dòng)，迫使熱能從低溫物體傳向高溫物體的撬裝化裝置，它可以通過消耗驅(qū)動(dòng)能量，額外得到較大的熱能，提供到高溫處的能量總和大于設(shè)備輸入能量(COP＞1)，使回收利用油田豐富的采出水余熱及大氣低溫?zé)崮艹蔀榭赡?，為油田加熱爐清潔替代提供了技術(shù)思路[1-2]。

2.1 熱泵技術(shù)的研究

結(jié)合熱泵技術(shù)原理、站場熱負(fù)荷、采出水量、伴生氣產(chǎn)量等因素，研究提出壓縮式水源熱泵、吸收式水源熱泵、空氣源熱泵三種不同路線的熱泵工藝技術(shù)[3]，通過利用油田采出水余熱、大氣低溫?zé)崮軐?shí)現(xiàn)站場加熱爐清潔替代[4]。

2.1.1 壓縮式水源熱泵

壓縮式水源熱泵主要熱能來源為低溫水介質(zhì)，如油田低溫采出水等，熱泵機(jī)組以電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)工作。機(jī)組內(nèi)部循環(huán)介質(zhì)為軟化水，通過換熱器內(nèi)部工質(zhì)從站場低溫采出水中提取熱量后進(jìn)入熱泵機(jī)組，壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)逆卡諾循環(huán)示意圖見圖1，向站場伴熱水放熱，熱水升溫后通過熱力系統(tǒng)向各類單體供熱，溫度下降返回壓縮式熱泵機(jī)組進(jìn)行循環(huán)加熱[5-6]。

圖1 壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)逆卡諾循環(huán)示意圖Fig.1 Diagram of the cycle of compressor drive inverse carnot

2.1.2 吸收式水源熱泵

吸收式水源熱泵主要熱能來源為低溫水介質(zhì)，可用油田低溫采出水等，通過燃燒可燃性氣體驅(qū)動(dòng)，如天然氣、油田伴生氣等，熱量在發(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)境下吸收低溫介質(zhì)（油田低溫采出水）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，然后進(jìn)入發(fā)生器進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)，被加熱介質(zhì)進(jìn)入熱泵機(jī)組經(jīng)兩次升溫后給各單體供熱[7-8]，吸收式水源熱泵介質(zhì)循環(huán)見圖2。

圖2 吸收式水源熱泵介質(zhì)循環(huán)Fig.2 Medium circulating diagram of absorption water source heat pump

2.1.3 空氣源熱泵

空氣源熱泵同樣是利用壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)制冷工質(zhì)進(jìn)行逆卡諾循環(huán)，通過消耗少量電能，從室外空氣中吸收大量的低溫?zé)崮?，?jīng)過壓縮機(jī)的壓縮變?yōu)楦邷責(zé)崮?，給被加熱介質(zhì)升溫，能夠?qū)⒖諝庵形盏臒崮芤约跋牡碾娔芤黄疝D(zhuǎn)換成高品位熱能，空氣源熱泵介質(zhì)循環(huán)見圖3，較常規(guī)電加熱熱效率更高[9-10]，適合用于采出水、伴生氣匱乏的油田站場。

圖3 空氣源熱泵介質(zhì)循環(huán)Fig.3 Medium circulating diagram of air source heat pump

2.2 熱泵技術(shù)的先導(dǎo)試驗(yàn)

為了更好的評價(jià)研究成果的適應(yīng)性，結(jié)合三種熱泵技術(shù)的特點(diǎn)，篩選三座油田加熱站場開展先導(dǎo)試驗(yàn)?；驹瓌t為：熱負(fù)荷較大、采出水充足、伴生氣匱乏站場開展壓縮式水源熱泵先導(dǎo)試驗(yàn)；熱負(fù)荷較大、采出水充足、伴生氣較豐富的站場開展吸收式水源熱泵先導(dǎo)試驗(yàn)；熱負(fù)荷較小、采出水及伴生氣匱乏的站點(diǎn)試驗(yàn)空氣源熱泵。先導(dǎo)試驗(yàn)站點(diǎn)重點(diǎn)參數(shù)見表2。

表2 先導(dǎo)試驗(yàn)站點(diǎn)重點(diǎn)參數(shù)Tab.2 Key parameters of pilot test sites

2.2.1 先導(dǎo)試驗(yàn)一

試驗(yàn)點(diǎn)1 采出水量充足，日均3 500 m3，油田伴生氣資源較豐富，日均12 000 m3，為保證生產(chǎn)供熱，該站年還需外購天然氣17.18×104m3，因此選擇開展吸收式水源熱泵先導(dǎo)試驗(yàn)，回收利用采出水低溫余熱，替代加熱爐，減少燃?xì)庀?。將原油脫出?6.4 ℃采出水泵送至熱交換器，經(jīng)換熱利用后溫度降至38 ℃，然后到注水系統(tǒng)進(jìn)行回注，熱泵機(jī)組燃燒站場脫出的伴生氣，將熱力系統(tǒng)循環(huán)水從68 ℃提升至80 ℃，溫度能夠滿足生產(chǎn)系統(tǒng)用熱需求。機(jī)組額定輸出功率1 526 kW，替代1 臺(tái)加熱爐，站場其余熱負(fù)荷暫由加熱爐燃燒伴生氣補(bǔ)充，富余伴生氣調(diào)至附近站場使用。

2.2.2 先導(dǎo)試驗(yàn)二

試驗(yàn)點(diǎn)2 采出水量充足，日均1 750 m3，余熱資源豐富，伴生氣伴生氣量匱乏，日均508 m3，為保證生產(chǎn)供熱，該站年需外購天然氣172.03×104m3，因此選擇開展壓縮式水源熱泵先導(dǎo)試驗(yàn)，回收利用采出水余熱，減少燃?xì)庀?。將原油脫出?6.2 ℃采出水泵送至熱交換器，經(jīng)換熱利用后溫度降至34.5 ℃，然后進(jìn)行回注。換熱升溫后的熱泵機(jī)組內(nèi)部循環(huán)工質(zhì)將回收熱能源源不斷送入熱泵，在電能驅(qū)動(dòng)下，熱泵機(jī)組通過逆卡諾循環(huán)將熱力系統(tǒng)循環(huán)水從59.2 ℃提高至71.5 ℃，給各單體供熱后再進(jìn)入熱泵升溫，依此不斷循環(huán)，機(jī)組額定輸出功率1 184 kW，實(shí)施投運(yùn)后替代加熱爐1 臺(tái)，實(shí)現(xiàn)夏季外購天然氣零消耗，有效降低天然氣用量，站場供熱缺口由加熱爐燃燒伴生氣及天然氣補(bǔ)充。

2.2.3 先導(dǎo)試驗(yàn)三

試驗(yàn)點(diǎn)3 為小型供熱拉油站，站場熱負(fù)荷較小，采出水、伴生氣匱乏，采用加熱爐燃燒天然氣的供熱方式，為徹底替代該站加熱爐，開展了空氣源熱泵先導(dǎo)試驗(yàn)，通過電能驅(qū)動(dòng)機(jī)組，利用大氣余熱及電能給伴熱水升溫，機(jī)組額定輸出功率105 kW，可將熱循環(huán)水從52 ℃提高至68 ℃，完全滿足了該站熱力需求。

2.3 先導(dǎo)試驗(yàn)結(jié)果

熱泵先導(dǎo)試驗(yàn)結(jié)果見表3。先導(dǎo)試驗(yàn)各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到了目標(biāo)值，COP 值均大于1，被加熱的熱力系統(tǒng)循環(huán)水溫度滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需求，充分利用了采出水低溫余熱及大氣余熱，實(shí)現(xiàn)了加熱爐清潔替代，減少了站場天然氣消耗。機(jī)組均采用撬裝集成化，自動(dòng)化程度高，投資低、施工周期短、工人勞動(dòng)強(qiáng)度低。先導(dǎo)試驗(yàn)經(jīng)濟(jì)效益可觀，工藝技術(shù)適配性強(qiáng)，進(jìn)一步驗(yàn)證了熱泵技術(shù)路線選擇條件的合理性，并取得一定認(rèn)識。

表3 熱泵先導(dǎo)試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Pilot test results of heat pump

3 推廣應(yīng)用及效果

根據(jù)前期技術(shù)研究成果及先導(dǎo)試驗(yàn)情況，為了進(jìn)一步擴(kuò)大加熱爐清潔替代技術(shù)應(yīng)用范圍及效益，結(jié)合站場實(shí)際工況，通過可行性論證、經(jīng)濟(jì)比選[11]，選取8 座站場推廣應(yīng)用，熱泵推廣應(yīng)用情況見表4。

表4 熱泵推廣應(yīng)用情況Tab.4 Promotion and application of heat pump

該技術(shù)研究成果累計(jì)應(yīng)用11 座站場，替代加熱爐17 臺(tái)，年節(jié)約天然氣569.8×104m3，折合標(biāo)煤6 356 t，年經(jīng)濟(jì)效益1 863 萬元，年減少二氧化碳排放8 547 t，同時(shí)采出水溫度的降低，有利于緩解回注系統(tǒng)設(shè)備、管網(wǎng)的腐蝕與結(jié)垢，減少了運(yùn)維成本。節(jié)能降耗、綠色環(huán)保效果顯著，對環(huán)境保護(hù)起到積極作用。

4 結(jié)論

1）試驗(yàn)推廣應(yīng)用的三種不同技術(shù)路線的熱泵能夠較好的適應(yīng)油田不同類型的站場，通過利用油田豐富的采出水余熱及空氣熱能，實(shí)現(xiàn)加熱爐替代，減少天然氣消耗及碳排放。

2）壓縮式水源熱泵和吸收式水源熱泵主要用于規(guī)模較大站場，提取系統(tǒng)采出水余熱來減少伴生氣，節(jié)約的伴生氣可用來發(fā)電或形成商品氣，同時(shí)也可以解決站場本身伴生氣匱乏或不足導(dǎo)致無法滿足正常生產(chǎn)用熱的問題，減少外購天然氣。

3）空氣源熱泵由于其輸出功率較小，主要用于小型站場，也可以配合太陽能使用，作為太陽能夜間、陰雨天時(shí)的備用熱源，降低熱泵運(yùn)行電耗，同時(shí)能夠解決太陽能利用受天氣影響的問題，更好的提高其適應(yīng)性。