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高溫水源熱泵在原油加熱中的應(yīng)用
高溫水源熱泵在原油加熱中的應(yīng)用作者: 董明(清華大學(xué)、北京清源世紀(jì)科技有限公司) 收錄來(lái)源: 中國(guó)能源網(wǎng)
【摘要】 通常情況下，熱可自行由高溫物體傳遞給低溫物體。與此同時(shí)，按照熱力學(xué)第二定律，通過(guò)消耗機(jī)械功可以使熱從低溫物體傳遞給高溫物體。為了回收排到大氣中的低溫?zé)釟�、排到河川中的低溫�(zé)崴戎械臒崃炕蚧厥掌肺惠^低的熱能，熱泵被用來(lái)將低溫物體中的熱能傳送高溫物體中，使熱量得到充分利用。
一、 熱泵技術(shù)簡(jiǎn)介
通常情況下，熱可自行由高溫物體傳遞給低溫物體。與此同時(shí)，按照熱力學(xué)第二定律，通過(guò)消耗機(jī)械功可以使熱從低溫物體傳遞給高溫物體。為了回收排到大氣中的低溫?zé)釟狻⑴诺胶哟ㄖ械牡蜏責(zé)崴戎械臒崃炕蚧厥掌肺惠^低的熱能，熱泵被用來(lái)將低溫物體中的熱能傳送高溫物體中，使熱量得到充分利用。
熱泵的性能一般用能效比(COP)來(lái)評(píng)價(jià)。能效比的定義為由低溫物體傳到高溫物體的熱量與所需的動(dòng)力之比。通常熱泵的能效比為3－4左右，也就是說(shuō)，熱泵能夠?qū)⒆陨硭?到4倍的熱能從低溫物體傳送到高溫物體。
熱泵技術(shù)目前在許多發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)得到了普遍應(yīng)用，目前在我國(guó)的工業(yè)和民用方面，熱泵也已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。但普通水源熱泵的出水溫度只能達(dá)到55℃左右，應(yīng)用范圍很窄。北京清源世紀(jì)科技有限公司通過(guò)和北京市科委、清華大學(xué)的緊密合作，研發(fā)出國(guó)內(nèi)獨(dú)有技術(shù)的高溫水源熱泵機(jī)組，采用高溫環(huán)保工質(zhì)HTR01、02，突破了電動(dòng)壓縮式熱泵的溫度瓶頸，最高供水溫度可達(dá)95℃，可以從15~60℃的低品位熱水中回收熱量，制取60~95℃的高溫?zé)崴�，是具有“高溫、高效、環(huán)保、節(jié)能”優(yōu)點(diǎn)的高新技術(shù)產(chǎn)品，可廣泛應(yīng)用于低溫地?zé)崴�、地�(zé)嵛菜挠酂峄厥�、中央空調(diào)冷卻水余熱回收、油田含油污水余熱回收，以及其他工業(yè)廢水、廢熱的余熱回收利用，極大的拓展了熱泵的應(yīng)用范圍，特別是在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。
QYHP系列熱泵的工作范圍圖
二、原油加熱熱泵的技術(shù)背景
油田在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量含油污水，這些含油污水的溫度往往較高，例如勝利油田的含油污水在夏季可以達(dá)到57℃，在冬季可以達(dá)到53℃；大慶油田含油污水的溫度一般在36~42℃。我國(guó)油田每天含油污水日產(chǎn)量為190萬(wàn)立方米（來(lái)自1998年陸地油田統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)），海上油田每年含油污水排放4648萬(wàn)噸（2000年中國(guó)海洋環(huán)境質(zhì)量公報(bào)）。由此可見(jiàn)，我國(guó)油田含油污水的余熱回收潛力巨大。人們一直在關(guān)注著如何回收利用這部分熱能來(lái)為油田的生產(chǎn)和生活服務(wù)，同時(shí)解決因燃燒礦物燃料造成的污染問(wèn)題（同時(shí)因?yàn)樵驮谖覈?guó)來(lái)說(shuō)是屬于希缺資源，因此有必要節(jié)約使用）。這部分熱能的特點(diǎn)是品位比較低，但是可以利用熱泵來(lái)提高其溫度，有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道在勝利油田等油田有利用吸收式熱泵進(jìn)行冬季供熱的案例，可以節(jié)約大量的燃油。
含油污水余熱的回收利用用于供暖，只解決了很小一部分含油污水的利用問(wèn)題，仍然有相當(dāng)多的含油污水的余熱被排放到大氣中，即造成熱污染又浪費(fèi)資源。一方面，隨著油田的開(kāi)發(fā)進(jìn)入中后期，油井的含油污水水量越來(lái)越大；另一方面，原油的脫水和外輸都需要加熱，尤其是稠油，由于其粘度較高，必須加熱降粘之后才可以外輸。稠油集輸工藝主要包括摻熱水、摻稀油和三管伴熱3種流程，相應(yīng)的加熱爐也分為稠油加熱爐、稀油加熱爐和熱水爐三類(lèi)，諸多的加熱過(guò)程需要耗費(fèi)大量的能量，這就需要深入研究加熱爐的形式，以降低原油在集輸過(guò)程中的能耗。目前可以采用的加熱爐主要為燃油燃?xì)馑准訜釥t的形式，原油加熱的溫度范圍為40~70℃，這種形式的能量利用方式實(shí)際是采用燃燒高品位能源獲得低品位熱能，有用能效率較低。即使不考慮有用能效率的問(wèn)題，這種加熱爐的一次能源利用效率約為85%。
采用清華大學(xué)與我公司合作開(kāi)發(fā)的高溫?zé)岜�，可以滿(mǎn)足原油加熱的需求，同時(shí)大大的提高了一次能源利用效率，與原有系統(tǒng)相比，一次能源的利用效率大約可提高36%。
三、技術(shù)概要
基于上述考慮，如果采用壓縮式熱泵的形式應(yīng)用于含油污水廢熱回收利用和原油加熱，必須滿(mǎn)足下面三個(gè)條件：
① 該種熱泵的工作范圍必須兼顧到含油污水的溫度（40～60℃）和油出口的溫度（70℃左右），在此工作范圍內(nèi)效率盡量要高；
② 與傳統(tǒng)的燃油燃?xì)馑准訜釥t相比具有良好的經(jīng)濟(jì)性。
③ 動(dòng)力來(lái)源方便，能很好地適應(yīng)復(fù)雜多變的原油加熱的工作環(huán)境。
采用電動(dòng)壓縮式高溫?zé)岜镁湍芎芎玫臐M(mǎn)足上述三個(gè)必要條件。
眾所周知，傳統(tǒng)的中溫制冷劑如R22和R134a等不能滿(mǎn)足水套加熱爐出口油溫度的需求。為使熱泵出口溫度進(jìn)一步提高，熱泵的工質(zhì)采用清華大學(xué)熱能系專(zhuān)門(mén)研制開(kāi)發(fā)的高溫環(huán)保制冷劑，經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，采用這種工質(zhì)的熱泵，出水溫度可以達(dá)到90℃,最高可以達(dá)到95℃，同時(shí)還具有比較高的能效比，例如在冷凝溫度為85℃（蒸發(fā)器進(jìn)口溫度50℃）的情況下，可以很好的滿(mǎn)足原油加熱的需求。這種系統(tǒng)的原理如下圖所示：
為了避免含油污水對(duì)熱泵系統(tǒng)的腐蝕，上圖中的污水－水換熱器必須采用特制的耐腐蝕鈦管換熱器。采用水作為中間介質(zhì)進(jìn)行換熱。
根據(jù)嚴(yán)格推算，上述熱泵系統(tǒng)在該種工況下的COP可以達(dá)到3.8以上，而整個(gè)系統(tǒng)（含水泵）COP可以達(dá)到3.5以上。
我們可以通過(guò)計(jì)算該種熱泵的一次能源效率來(lái)證實(shí)其經(jīng)濟(jì)節(jié)能性（假設(shè)發(fā)電的效率為33%），如下圖所示：
由上圖可見(jiàn)，電動(dòng)壓縮式高溫?zé)岜醚b置，其一次能源利用效率可以達(dá)到1.16以上，大大超過(guò)燃油燃?xì)忮仩t，是一種非常高效的節(jié)能裝置。
專(zhuān)用原油加熱系統(tǒng)介紹：
為了使熱泵的能源利用效率進(jìn)一步提高，系統(tǒng)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，可以采用如下圖所示的技術(shù)：
熱泵機(jī)組的兩器（蒸發(fā)器和冷凝器）采用特殊設(shè)計(jì)，蒸發(fā)器能耐腐蝕，含油污水可直接進(jìn)入蒸發(fā)器，而原油可以直接進(jìn)入冷凝器，取消了原來(lái)的油－水換熱器和污水－水換熱器，同時(shí)取消了相應(yīng)的水泵及補(bǔ)水系統(tǒng)，使原油加熱熱泵系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化。但該種系統(tǒng)需要特殊設(shè)計(jì)，同時(shí)需要國(guó)內(nèi)外專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)換熱器的廠家配合。
在該種工況下整個(gè)熱泵系統(tǒng)的COP可以達(dá)到5以上。
這種情況下的一次能源利用效率為：與原有的水套加熱爐相比，提高了將近一倍。
四、優(yōu)勢(shì)分析 總而言之，電動(dòng)壓縮式高溫?zé)岜门c現(xiàn)存技術(shù)相比，具有如下特點(diǎn)：
1. 能源利用效率高：如上所述，能源利用效率比燃油燃?xì)忮仩t效率大大提升；
2. 原油屬于希缺資源，目前我國(guó)所使用的原油有一半依賴(lài)于進(jìn)口，同時(shí)，國(guó)家原油戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備的形勢(shì)日益嚴(yán)峻，節(jié)約原油的戰(zhàn)略意義更加凸顯；
3. 運(yùn)行成本低：本裝置初投資方面比常規(guī)鍋爐高，但在運(yùn)行時(shí)減少一次性能源（原油和天然氣）的消耗，運(yùn)行費(fèi)用大大減少，所以可以在很短的時(shí)間內(nèi)通過(guò)運(yùn)行費(fèi)用的節(jié)約而收回初投資；
4. 環(huán)保效果顯著：原油和天然氣的燃燒大幅度減少，燃燒效率提高，廢氣的排放也大幅度降低；
5. 有利于污水回灌：在充分利用了含油污水余熱的前提下，降低了含油污水的溫度，為污水處理回灌創(chuàng)造了便利條件，同時(shí)減少了含油污水對(duì)環(huán)境的熱污染，具有非常好的環(huán)保優(yōu)勢(shì)；
6. 動(dòng)力來(lái)源便利，益于推廣：該產(chǎn)品主要?jiǎng)恿κ请娔埽阌讷@得；
7. 安全可靠：該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，無(wú)任何安全隱患。
以勝利油田為例：目前勝利油田日產(chǎn)含油污水30萬(wàn)噸（12500t/h），溫度50℃。如果采用高溫?zé)岜脧闹刑崛?℃的熱量進(jìn)行回收，則可回收的能量為：73000kW�？紤]到熱泵輸出端的熱量，可達(dá)10萬(wàn)kW左右。相當(dāng)于10t/h原油全部燃燒的熱值；如果照此核算下去，相當(dāng)于每年87600t原油的產(chǎn)能；如果利用熱泵將含油污水溫度下降20℃，達(dá)到30℃排放，則每年可以節(jié)約原油35萬(wàn)噸，相當(dāng)于整個(gè)勝利油田1%的原油產(chǎn)量。
一臺(tái)1000kW的水套加熱爐，所需要的燃油為95.69kg/h，假如勝利油田共有100臺(tái)類(lèi)似水套加熱爐，則每小時(shí)需要消耗原油9.6噸，每年需要消耗原油8.4萬(wàn)噸。可見(jiàn)只需采用熱泵將污水溫度下降5℃即可滿(mǎn)足全部勝利油田水套加熱爐的需求。
北京清源世紀(jì)科技有限公司
2004-1-29
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