水源热泵供热即技术在油田的应用.doc

水源热泵供热系统在油田的应用吉林油田勘察设计院2008.10.20水源热泵供热系统在油田的应用一、引言我国是世界上人口最多的发展中国家，资源相对贫乏。经济的飞速发展加剧了能源与需求的矛盾，使得能源日益紧张, 能源紧张和环境污染加剧己成为制约经济发展的一个重大问题，节能技术成为缓解能源紧张局面的重要手段，得到世界范围的普遍重视。节能技术成为我国缓解能源紧张局面的重要手段之一。所以我国在“十一五”能源规划中强调节能优先，建设节能型社会。 节能既是可持续发展战略的需要，也是石油企业自身生存和发展的需要。油田既是产油大户，同时又是耗能大户，三高一低（高含水、高能耗、高采油速度，综合采收率低）的油田的生产和用能情况，决定了稳定产量、控制成本、降低能耗、提高经济效益成为油田工作的重心。燃料油（气）消耗和电耗大是油田耗能的突出特点，因此，抓好油田节电、节油工作是重点。油田作为一个能源生产单位，在采油和油气集输过程中，也消耗着大量宝贵的一次能源，产生大量的低温废气、水，有大量的余热被回注入地下。由于废热的温度低，但由于温度低于使用要求、污染等原因，以往都是通过直接排放的方式排入周围的环境中，绝大部分都被放弃了，这不仅是巨大的能源浪费，同时也造成了环境热污染。事实上，这些低温热能可以加以利用。在众多的节能技术中，热泵余热回收技术以其高效节能和具有显著经济效益的特点，尤为引人注目。利用热泵技术可以较好的回收这部分低温余热。是将节能、节水、环保理念极至体现的绿色产品。特别是对油田集输站和采油点，它们一般远离城市，又较为分散。目前，油田各大联合站或集输泵站采暖多使用燃油锅炉加热直接取暖。如采用热泵供暖技术，可以节约大量的供暖用燃料（原油、天然气、煤），既可充分利用油田生产余热，又可减少燃料油的消耗，使现有高品位、高开发值的石油得到充分的利用，解决石油生产企业能耗高的问题。二、国内外热泵的发展欧洲第一台热泵机组是在1938年间制造的。它以河水低温热源，向市政厅供热，输出的热水温度可达60oC.在冬季采用热泵作为采暖需要，在夏季也能用来制冷。1973年能源危机的推动，使热泵的发展形成了一个高潮。目前，欧洲的热泵理论与技术均已高度发达，这种“一举两得”并且环保的设备在法、德、日、美等发达国家业已广泛使用。 中国最早在50年代，就曾在上海、天津等地尝试夏取冬灌的方式抽取地下水制冷，天津大学热能研究所吕灿仁教授就开展了我国热泵的最早研究，1965年研制成功国内第一台水冷式热泵空调机。80年代来，我国热泵在各种场合的应用研究有了许多发展。针对我国地热资源较丰富的情况，若把一次直接利用后或经过降温的地下热水作为热泵的低位热源使用，就可增大使用地下水的温度差，并提高地热的利用率，这在京津地区早已有过应用实践。而这种设备同时对于我国能源使用效率不高、分配不均匀的现状也提出了一个有效的解决方法。目前，国内的清华大学、天津大学、重庆建筑大学、天津商学院、中国科学院广州能源研究所等多家大学和研究机构都在对水源热泵进行研究。其中清华大学在多工况水源热泵经过多年的研究已形成产业化的成果，已建成数个示范工程。 国内的水源热泵制造厂商中清华同方人工环境设备公司、北京清源世纪科技、山东海阳富尔达是比较早的水源热泵制造厂家，但目前也有相当多的制冷空调厂家将其普通的水冷机组改造为水源热泵。中国的水源热泵的研究和应用才刚刚起步，与国外相比，在热泵机组的优化设计和工程应用上还存在较大差距。 三、热泵概念原理和分类“热泵”这一术语是借鉴“水泵”一词得来，是“以冷凝器放出的热量来供热的制冷系统”。热泵是一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热，通过少量的高位能输入，由高位电能或蒸汽驱动压缩机，使冷媒（吸热介质，蒸发温度低于-20）循环运动反复发生物理相变过程，分别在蒸发器中蒸发汽化吸收低位热能、在冷凝器中使冷媒从汽化状态转化为液化状态放出热高位热能，使热量不断得到交换传递，实现低位热能向高位热能转移，经过换热的工质再经循环（回注地下或热交换），重新获得地热能或余热能，形成能量循环的一种技术。热泵是遵循热力学第二定律、采用逆卡诺循环的制热装置。热泵机组主要由压缩机蒸发器冷凝器电磁阀膨胀阀干燥过滤器及储液罐等部件组成。热泵名称生动地比喻了它的原理，即它是一台“泵”，它所搬运的不是水、气、油而是“热”。它不是热能的转换设备而是热量的搬运设备，因此，它的效率不受能时转换效率（100%为极限）的制约。热泵输出的热量是可利用高位热能，数量上是其所消耗的高位热能和所吸收低位热能的总和。理论上通常水源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量。按照取热不同来源主要分为空气源热泵(air source heat pump, ASHP)、地源热泵（ground source heat pump, GSHP）两大类，地源热泵又可进一步分为地表水热泵 (surface-water heat pump，SWHP)、地下水热泵 (groundwater heat pump, GWHP) 和地下耦合热泵 (ground-coupled heat pump, GCHP)。热泵按驱动方式主要分为机械能驱动热泵（机械压缩式）和热能驱动的热泵（吸收式），即电力驱动和蒸汽燃气驱动两种方式。吸收式热泵根据采用采用蒸汽（燃气）和余热直接驱动分为第一类吸收式热泵和第二类吸收式热泵。根据热泵出口热水温度的不同又分为低温热泵和高温热泵。压缩式热泵系统主要由压缩机、蒸发器、冷凝器和节流阀组成，吸收式热泵系统主要由蒸发器、吸收器、解析器、冷凝器、回热器、制冷剂泵和溶液泵组成。四、水源热泵系统的基本组成因水源热泵以水作为热源和供热介质，性能系数（即COP值）较高，系统运行性能稳定，所以现在应用较多的是水源热泵（地表水、地下水），下面我们主要介绍一下水源热泵系统。热泵供热系统包括了余热水（或地热水）换热系统、热泵系统、蒸汽及其凝水系统、余热清水管道、管网循环系统（原油加热时为原油换热器）。需要说明一点的是： 1、 余热换热器属于可选项当余热资源比较清洁时，可将余热资源直接进入热泵。 2、 蒸汽型热泵需配置蒸汽锅炉，这多在采暖系统中采用；直燃型热泵多在原油联合站等地方采用。热泵供热系统流程参见附图一。五、热泵伴热（采暖）系统的优点1 属利用可再生能源和生产余热技术热泵系统利用了地球表面或浅层水源和生产余热所储藏的热能作为热源，进行能量转换，地球表面水源和土壤是一个巨大的太阳能集热器，收集了47的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多，这使得储存于其中的近乎无限的地热能和余热充分利用成为可能。所以说，水源热泵利用的是清洁的可再生能源的一种技术。2高效节能水源热泵机组可利用的水体温度冬季为10-25，水体温度冬季比室外环境温度高，夏季较比环境空气温度低，热泵循环的蒸发温度得到提高，水源热泵的制冷、制热系数可达3.55.5，相应地减少燃料消耗。它比最好的燃气炉的效率平均提高48%，比燃油炉的效率高出75%，可节能45%以上。 3 低位热源经济稳定由于较深的地层中在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度，远高于冬季的室外温度，水体的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动，是很好的热泵热源，水体温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。4无污染、环境效益显著热泵输出的热量是其所消耗的高位热能和所吸收低位热能的总和。在提供相等热量的前提下，减少了燃料消耗，相应也就减少了大量有害气体（SO2、NOX）和二氧化碳等温室气体的排放，保护了环境。该装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。5 夏季可以供冷，冬季可以供暖，一机两用，设备利用率高； 6热泵运行可实现自动化控制，运行简单、宁静，供热负荷调节范围广，可在20%80%负荷内进行热量的无级调节，经必要的经验摸索和控制系统的完善，运行中可进一步节能降耗，同时降低了劳动者劳动强度。7 投资回收期一般在34个采暖期左右（各具体工程会因余热资源状况、耗热用户需求等许多因素而有差别），用于原油加热系统的热泵供热方案的投资回收期会更短。8.可以节约大量的石油、天然气战略性资源。9、符合国家政策，获得政策性支持国家十分重视可再生能源开发利用工作，中华人民共和国可再生能源法已于2006年1月1日起实施；同时，在国家中长期科学和技术发展规划纲要中，又把大力发展和规模化应用新能源和可再生能源作为能源领域的优先发展主题。从国家立法和发展战略的高度，对可再生能源的发展应用予以强力推动。日前,国家财政部、建设部发文关于推进可再生能源在建筑中应用的实施意见以及可再生能源建筑应用专项资金管理暂行办法，明确指出“十一五”期间，可再生能源应用面积占新建建筑面积比例为25%以上，到2020年，可再生能源应用面积占新建建筑面积比例为50%以上，这为我国水源热泵的发展提供了良好的环境和强劲的动力。10、符合中国石油天然气集团公司“十一五”大力发展循环经济、节能减排工作实施方案的要求。见（十一）推进油气生产过程中资源的循环综合利用（加强油田生产过程中余能、余热的回收利用，推广热泵技术回收利用油田采出水的低温热量，用于油田采暖和集输伴热，减少能量的浪费和损失）。六、各油田应用的情况从2001年开始大庆、胜利等油田分别采用机械压缩式热泵和溴化锂吸收式热泵技术对油田联合站和接转站污水系统进行了有效利用，取得了良好的经济和社会效果，下面列举部分实例：（一）大庆油田大庆油田已有20多个利用热泵实际应用的成功案例。利用的资源主要有油田回注水、冷却循环水（工业余热）、城市污水。大庆油田于今年专门设立了新能源（油砂、油页岩、煤层气、天然气水合物等非常规油气资源和地热、风能、太阳能等洁净能源）管理机构，负责大庆油田新能源的研究力量，积极探索油田产出水热能利用，通过向新能源要储量。2002年以来，油田已建成投产了12座热泵房，用于房间采暖和注水电机冷却，年供热面积达到20万平方米，每年可以比常规供暖方式节省费用1000多万元（不含大庆市让胡路区阳光佳苑小区项目）。（1）大庆市让胡路区阳光佳苑小区项目大庆市让胡路区阳光佳苑小区项目为世界最大规模污水源热泵工程，该项目由山东富尔达空调设备有限公司与大庆北源热力公司合作，该项目主要利用大庆炼化公司工业循环水的工业余热。工程总供热面积50万平米，应用4000M普通机组7台，1325型超高温机组3台。热源水是从15公里外的炼化厂引来的30工业废污水，用超高温机组将生产出85的热水用于冬季采暖。机组自2006年10月份投入运行以来，取得预期效果，已申请到国家建设部环保节能示范项目专项补助资金。该技术是全国首创，已作为黑龙江省惟一一个项目入选2006年国家可再生能源建筑应用示范项目。通过应用该技术，代替晾水塔降温，仅大庆炼化公司一座循环水厂每年就能节省资金600万元左右。让胡路区采用热泵技术集中供热工程由大庆北源热力公司负责投资建设，可供热面积达320万平方米，该项目得到的国家专项支持资金将超过5000万。目前一期工程已投资了1.2亿多元，将逐步对阳光佳苑、广厦三期、北星电力等小区进行供热。该工程全部完工后，仅这几个小区供热就可比原来每年节省原煤12万吨，同时，炼化公司每年可减少循环水蒸发43万吨。少排放二氧化碳40万吨此次，供热工程利用炼化公司一座循环水厂的热量，把热量通过换热器“兑走”。在整个采暖期，炼化公司不用再对水进行降温处理，可直接循环利用，每年能节省资金700万元。2007年目前，大庆市北源热力公司利用炼化公司冷却循环水的余热建设的热泵供热系统已经为西城区阳光佳苑、广厦三期、北星电力等48万平方米的住宅供热一个采暖期，保证室内温度在20-23之间。投资回收期5.2年。（2）井下作业分公司作业三大队利用含油污水超高温热泵机组从油田生产过程中产生的低温油田回注水中提取热量，为办公区和家属区供热，并为员工浴池提供热水。以前，作业三大队采用烧渣油供热，不仅费用高，而且排放二氧化碳等有害气体，对空气造成很大污染。以年供暖期为例，整个供暖期烧掉渣油约吨，折合人民币万元左右，而采用新机组供热预计全年用电费用约为万元，供暖费用大幅度降低。 （3）大庆油田第二采油厂南七联选用2台LSBLGRG-310高温机组，利用回注的含油污水作为低温热源，提取其中的热量，用于冬季供热。2001年12月12日开始运行，平稳度过冬季最冷阶段，机组供水温度63-65，室内温度一直保持在18-20。该厂将富尔达机组采暖和锅炉采暖、电采暖进行比较后证明，同样运行15年，前者采暖总费用比锅炉采暖节约485.94万元，比电采暖节约654.64万元。（4）大庆采油七厂葡三联合站选用2台LSBLGRG-420高温机组，利用回注的含油污水作为低温热源，提取其中的热量，用于冬季供热，采暖面积6000平方米。（5）大庆采油二厂第五作业区选用4台LSBLGRG-340高温机组，利用回注的含油污水作为低温热源，提取其中的热量，用于冬季供热，采暖面积8000平方米。（6）大庆青少年科技活动中心利用采油一厂东三注水站油田回注水为低温热源，为大庆青少年科技活动中心9096平方米供热，建筑物室内平均温度达到了22以上。（二）胜利油田机械压缩式热泵和溴化锂吸收式热泵技术在胜利油田均采用了，其中截止到2003年底就有十余个锅炉房项目采用了溴化锂吸收式热泵技术，采暖面积超过220万平方米。（1）溴化锂吸收式热泵溴化锂吸收式热泵是一种以溴化锂水溶液为工质将回收的低温位余热传递给热媒升温的制热系统。在此过程中必然也降低了低温位余热源的排放温度。在胜利油田已经应用于回收油田采油污水低温余热和地热加热采暖水系统或原油的输送系统。已经开发了两类热泵，一类热泵需要投入驱动热源（需供热锅炉），性能指数为1.85，即输入1当量的高品位热能可以从低温热源中获取0.85当量的余热，即可供热媒升温的热能为1.85当量。二类热泵不需外界投入热量，即从低温热源中吸收1个当量的热能，可供热媒升温的热能为0.5当量。热泵设计出水温度75，最高80，是高温型热泵。实践证明，整个供热系统的综合节油率在60%左右，高于国外同类型产品的4447%，达到了世界先进水平，采用该技术使供热采暖系统单位运行成本由烧油锅炉的0.35元/M2.日降到0.16元/M2.日左右。既节能，又节油，还可以减少环境污染。现胜利油田已改造了十余座分散锅炉供热系统，2002年底总供暖面积达到了232万平方米，年节约烧原油2.3万吨。按2002年加权平均油价1962元/吨计，每个采暖期可节约燃料费用4512万元。（2）机械压缩式热泵胜利油田滨海小区采暖面积约3.7万平方米，该项目热源为滨南采油厂滨一站外输的40-50的污水余热，通过高效换热装置加热系统循环热媒清水，换热后的热媒清水温度上升约10左右，以温度上升的清水为热源，利用水源热泵将清水中的热量提出（温差10）用于供暖。设计污水流量为80立方米/小时，热媒清水温度在35左右，压力保持3公斤以上即可，该项目安装模块式水源热泵：HTHP112-H 4台，每台机组装有10台热泵，每个热泵的输入功率133千瓦，输出功率556千瓦，输出功率的大小可自动调整。热媒清水的进出水温分别保持在30-40和20-32之间，主机运转时的温差在8-12之间，该系统运行时可保证出水温度大于73，热效率（cop）值在4.0左右，实际耗电量在9500-12000千瓦/天之间（元月中旬测试），按工业用电价格0.5元/度计算，水源热泵每天费用在6000元左右，而该系统投产前使用燃油锅炉每天的燃料成本在10800元左右，大大低于燃油锅炉的成本。该项目投资550万，其投资虽比建同等规模的燃油锅炉多150万，但每年可节约费用60-80万，若再考虑节省的人工和材料，其年节约费用是很可观的，其相对燃油锅炉较短的回收期可使该产品在广大地区推广应用，可以做到经济效益和社会效益的统一。 （3）胜利油田现河采油厂、孤东采油厂分别使用2台QYHP-550H和2台QYHP-300H高温水源热泵，以含油污水为热源输出85热水用于原油加热。（三）辽河油田 （1）2004年辽河油田欢喜岭采油厂采用热泵技术对欢二联合站进行采暖伴热改造，对站内的回注污水的能量进行了回收，将热污水作为热源回收利用用于站内的采暖和夏季制冷，冬季将地热能传递到需供暖的建筑物内，夏季将建筑物内的热量通过机泵机组系统传递散失出来，实现了冬季供暖、夏季制冷。同时，污水源热泵采暖技术将联合站大量的热污水作为热源回收利用。此项技术取代了传统的加热炉，有效地利用了污水热能，降低了生产能耗。该项目投资90万元，日节约天然气3000立方米。经过数个采暖期的实际运行效果良好，具有极大的经济效益和社会效益，热泵技术具有很广阔的推广价值。（2）辽河油田沈四联合站使用QYHP-1200H高温水源热泵2台，利用50废热作为热源，输出80以上的高温热水用于替代原有设备工艺，节约大量天然气资源。（四）大港油田大港油田钻井一公司，应用QYHP180H高温水源热泵1台，供暖面积3000平方米。大港油田天然气站使用QYHP-550H高温水源热泵一台，利用40废热作为热源，输出80以上的高温热水用于替代原有设备工艺。七、油田热泵系统的低位热源油田采用热泵技术可利用的余热资源主要有油田回注水、电厂冷却循环水（工业余热）、城市污水。（1）、油田回注水目前吉林油田已属于中后期开采，采出液中的综合含水率为百分之80以上，采出液中的水在进行油水分离处理后全部回注地下，每年大约产生2000万吨低温的3545的含油污水，蕴含着大量的能量，都被注入地下白白扔掉，是一种能源的极大浪费。油田污水是一笔很可观的可利用的热能财富，如果将其热量加以回收，使其温度降到30，每年相当于就可以获得8.361011 kJ的热量（水的比热C=4.18kJ/(kg.)），那么每年相当于节约2.86x104吨标准煤（按标煤发热量2.9271x104kJ/kg（7000大卡)）。那么每年相当于节约2.0x104吨原油（按原油发热量4.18x104kJ/kg（10000大卡)）。那么每年相当于节约2.47x107方天然气（按天然气发热量3.3787x104kJ/m3（8083大卡)）。（2）、电厂冷却循环水（工业余热）吉林油田自备热电厂冷却循环水为500吨/小时，温度在32，可以利用的大约为每小时500吨, 按可利用温度在10度计算, 每个采暖期相当于就可以获得9.01010 kJ的热量（水的比热C=4.18kJ/(kg.)），那么每年相当于节约3085吨标准煤（按标煤发热量2.9271x104kJ/kg（7000大卡)）。 （3）、城市生活污水吉林油田江南江北矿区每年的污水量在500万吨左右，城市污水冬季水温为8度左右，按可利用温度在4度计算，每个采暖期相当于就可以获得8.41010 kJ的热量（水的比热C=4.18kJ/(kg.)），那么每年相当于节约2856吨标准煤（按标煤发热量2.9271x104kJ/kg（7000大卡)）。因此，我油田拥有大量的适合利用热泵技术建设热源的工业余热资源，其中冷却循环水（工业余热）因水量大、水温高，是理想的热泵技术应用低温介质，随着水源热泵技术的不断提高，工业冷却循环水在我市热源建设中应得到广泛应用。八、热泵采暖系统的经济分析下面将热泵采暖与锅炉采暖作经济对比，分别见表一及表二。表一 大庆油田南七联热泵采暖与锅炉采暖作经济对比项目热泵采暖锅炉采暖采暖负荷（KW）592.1592.1耗气量（104m3/a）无32.6耗电量（104KW.h/a）45.2612.10耗气费用（万元/a）/29.34耗电费用（万元/a）20.145.39生产维护费用（万元/a）0.551人工费用（万元/a）无27费用合计（万元/a）20.6962.73使用寿命15年费用合计（万元）310.35940.95初投资（万元）165.6107.0初投资及15年费用合计（万元）475.951047.95投资回收期（含人工费用）3.94年表二 胜利油田乐安小区2001年热泵采暖与改造前锅炉采暖经济对比项目名称内容采暖面积（万平方米）11改造前供热设备210吨热水锅炉；24吨蒸汽锅炉每个采暖期耗油量（吨/）110吨蒸汽锅炉23600KW吸收式热泵2600米325清水管线，钛管换热器4组（550平方米）每个采暖期耗油量（吨/）2360每个采暖期耗油量（吨/）870节油率（%）63年直接经济效益（万元）253.8工程投资（万元）650投资回收期（含人工费用）2.56年注：1.表一摘自(2007年3月)，工程为大庆油田南七联供热系统2001年改造。2.表二摘自(2003年3月)，工程为胜利油田乐安小区2001年采暖改造。通过以上两个例子分析，我们可以看出采用热泵技术回收油田污水余热用于采暖和生产供热在油田得到了成功的实践，在与原供热系统相比虽然多消耗一些电但是节约了油田气或原油资源。达到了节能的目的，其中：（1）从热泵主机的效率来看在大庆油田应用一般COP值约为1 ：3.2 即输入1 kW 的功率可以回收到约3.2 kW 的热量，输入的是电能；（2）从热泵主机的效率来看在胜利油田应用一般COP值约为1：1.85 即输入1 kW 的功率可以回收到约1.85 kW 的热量，输入的是原油（天然气）产生的热能；（3）虽然吸收式热泵投资较压缩式热泵较大，但考虑吸收式热泵可以利用油田自身的天然气和石油，而压缩式热泵投入的电是由3.3个左右的热转换而来，同样拿得热与投入的一次能源相比，压缩式热泵的性能指数一般仅在1.1左右，比吸收式热泵节能指数低的多，因此吸收式热泵节能效益高。（4）从投资回收期分析，吸收式热泵运行费用较低，投资回收较快。在实际的工程中，我们要具体问题具体分析，确定采用热泵系统的形式。九、油田热泵系统应用场所、需注意问题及研究方向1.应用场所水源热泵供热技术不仅可用于冬季油田生产工艺及生活供暖采暖，也可用于原油伴热，例如替代水套原油加热炉，对原油进行升温降粘。2.需注意问题（1）油田回注水因为可利用水温低、建设大规模热源设备投资过高、低温介质汇集难度大，因此利用油田回注水的热泵技术热源，只能应用在规模较小、距低温介质较近的供热区域。（2）换热器的选择a.有些水源矿化度较高，对金属的腐蚀性较强，如直接进入机组会因腐蚀作用减少机组使用寿命。通常采用加装板式换热器中间换热的方式，把水源水与机组隔离开，使机组彻底避免了水源水可能产生的腐蚀作用。当水源水的矿化度小于350mg/L时,水源系统可以不加换热器，采用直供连接。当水源水矿化度为350-500mg/L时，可以安装不锈钢板式换热器。当水源水矿化度500mg/L时，应安装抗腐蚀性强的钛合金板式换热器。也可安装容积式换热器，费用比板式换热器少，但占地面积大。b. 油田含油污水一般机械杂质含量、油含量及矿化度较高，