熱泵技術在油田地面工程中的應用

黃 輝，邱偉偉 （中石化石油勘探開發研究院地面工程研究所，北京100191）

據統計，我國油田每天可產含油污水190×104m3。這些油田污水溫度約在35～60℃之間，余熱回收潛力巨大。采用水源熱泵技術將這些污水熱能用于油田的生產和生活服務，可有效減少能耗及碳排放，是油田節能降耗的新途徑。另外，在偏遠的井場或污水資源不足的油田，空氣源熱泵和地熱熱泵技術采用取之不盡、用之不竭的空氣和地熱資源作為低溫熱源，給井場原油加熱，也是一種高效節能、經濟環保的新型方式。

1 熱泵技術基本原理

20世紀初，在卡諾理論的基礎上，熱泵技術開始發展。隨著20世紀70年代末能源價格的升高，熱泵節能、高效的特點引起了人們的重視，熱泵技術進入了快速發展階段。20世紀80年代初在北歐瑞典、挪威等國家以污水為低溫熱源的大型水源熱泵站相繼投入運行。目前，熱泵技術已經趨于成熟，廣泛應用于生活生產。瑞典斯德哥爾摩有40%的建筑物采用水源熱泵技術供熱，其中10%是利用污水處理廠的出水。

圖1 熱泵基本工作原理

常用的壓縮式熱泵機組主要由壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發器組成 （見圖1），其基本工作原理可分為蒸發吸熱階段 （從膨脹閥出來的低溫液態制冷劑，進入蒸發器，與低溫熱源進行熱交換，制冷劑溫度升高，變為氣態）、壓縮升溫階段 （制冷劑進入壓縮機，變為高溫高壓氣體）、冷凝放熱階段 （高溫高壓制冷劑氣態進入冷凝器后，與供熱循環水或所需供熱介質進行熱交換，溫度降低，變為液態）、膨脹降溫階段 （液態的制冷劑繼續循環到膨脹閥，節流降溫，變為低溫低壓液態制冷劑，輸送至蒸發器，繼續循環）4個階段。在循環過程中，制冷劑將低品位熱能與輸入電能之和轉換給換熱介質，降低了電能的損耗，達到了節能的目的。

2 應 用

2.1 聯合站的采暖及伴熱

1）大慶油田 大慶油田2000年開始將熱泵技術應用于站場、生產輔助用房的生產用熱和采暖，其第五作業區、南七聯、南十聯等站場采用含油污水和生活污水為熱源，通過熱泵技術實現采暖以及聯合站內的伴熱。下面以南七聯為例說明熱泵在大慶油田聯合站的應用［1－3］。

南七聯合站應用熱泵技術的工藝流程 （見圖2）為：污水站來部分含油污水經升壓泵升壓后，至板式換熱器與清水換熱后回注。吸收污水熱能的清水，被送至熱泵機組，釋放熱能后，進入開式水箱并循環使用。采暖水在熱泵機組內吸收高品位熱能，送至采暖系統釋放熱量，供給用戶并循環使用。該工程2001年12月投產，從運行情況看，采暖效果良好，當室外溫度在－3～－26℃之間變化時，熱泵出水溫度為60.7～64.3℃，室溫始終保持在18℃ 左右，滿足南七聯冬季采暖要求，且能夠保證污水處理、脫水及注水等系統工藝的伴熱，伴熱效果能夠滿足生產需要。熱泵系統代替了原來的水套爐、鍋爐等設施，節約了燃料，操作簡單，降低了成本，每年可節約139t標準煤，靜態回收期為2年。

圖2 南七聯應用熱泵技術工藝流程

2）遼河油田 遼河油田也在海南聯合站采用熱泵技術為油罐伴熱及站內冬季采暖［4］，選用1臺LSBLGRG （I）－445W的含油污水超高溫水源熱泵機組，供冬季油罐伴熱、辦公樓供暖和夏季油罐伴熱。采用該項技術后，每年可節省運行費用73.2萬元。

遼河油田錦采歡三聯合站污水余熱利用熱泵系統主要有2臺熱泵機組、3臺污水循環泵、3臺中間循環泵、3臺末端循環泵、1臺污水軟水換熱器、1臺原油軟水換熱器。每年可節約標準煤1189.8t，年節約一次能源消耗83.28×108kcal。

3）塔里木油田 塔里木油田桑吉作業區 （生產污水量為3100m3／d，溫度為50℃）、塔中聯合站（生產污水量為4500m3／d，溫度為50℃）通過污水源熱泵機組供采暖或站內生產用熱，可分別節約標煤2.75t／d和4t／d，對于節能減排意義重大［5］。

2.2 注水站的采暖及注水泵冷卻

自2002年至今，大慶油田已在第二采油廠、第三采油廠、第七采油廠、第九采油廠、井下作業三大隊等建成投產10余座熱泵房［6］，以油田回注水作為低溫熱源，采用熱泵技術用于房間采暖和提供冷卻水。下面以大慶油田薩西二注水站、葡Ⅰ－1注水站為例說明熱泵技術用于注水站的注水泵冷卻以及冬季采暖。

大慶油田薩西二注水站2002年開始采用熱泵技術，利用含油污水及注水電機冷卻水作低溫熱源，制熱用于冬季采暖，制冷用于注水電機冷卻。冬季采暖運行流程與聯合站流程相似。將注水電動機與冷卻水泵串聯，用電動機冷卻清水循環替代聯合站采暖流程中的普通清水循環。注水電機冷卻水經電機升溫后，與污水在板式換熱器內再次升溫作為熱泵的低溫熱源。而夏季流程相當于冬季流程的逆循環，如圖3所示。

冷卻水經注水電動機吸收熱量，循環至熱泵機組蒸發器，釋放熱量后，返回冷卻水箱，循環使用。循環清水在熱泵機組冷凝器內吸收高品位熱能，循環至板式換熱器釋放熱量，返回開式水箱供循環使用。含油污水在板式換熱器內吸收循環清水釋放的熱量，回注地下。經驗證，該系統采暖和冷卻效果都較好，室內溫度保持在16～18℃之間，冷卻系統水溫穩定在20～23℃ 之間。應用該熱泵后每年可節約運行費用21.9萬元，靜態經濟回收期為3年。

大慶油田葡Ⅰ－1注水站2009年開始應用水源熱泵冷卻注水電機系統，同時冷卻余熱供注水站內1600m2。建筑的冬季采暖［7］，具有良好的節能、節水效果，每年可節約181.66萬元，投入運行65d即可回收投資。

圖3 注水站應用熱泵技術的夏季運行流程

2.3 井場原油加熱

江蘇油田2012年在樁13井區2口井 （日產液20m3／d）井場集輸中，采用空氣源熱泵技術代替電加熱 （見圖4），將稠油輸送至儲油罐。采用自動控制裝置，當原油溫度低于45℃時，熱泵自動啟動；高于51℃時，熱泵停止加熱。熱泵本身帶有電加熱裝置，冬季時，若空氣溫度過低，可采用電加熱。采用熱泵技術管理方便，維護簡單，每天可節約用電83kW·h，經濟回收期為2年。

河南張店油田井場儲油罐中原油加熱后才能放出拉運。2008年對3口井應用了地源熱泵式儲油罐加熱系統［8］，運行效果較好，年節約費用29.6萬元，對偏遠稠油井生產具有很好的借鑒意義。

圖4 井口加熱工藝流程圖

2.4 熱泵供暖在油田的其他應用

2006～2008年遼河油田供水公司在7座水源站開始使用水源熱泵技術供暖，供暖溫度為55～60℃，滿足實際需要［4］。采用水源熱泵技術供暖后，2008～2009和2009～2010采暖期分別節省運行費用36.24萬元和26.42萬元，個別水源站投產3年后即可回收投資。

2009年，新疆重油開發公司在克淺污水處理站應用熱泵技術采暖［9］，采暖效果較好，滿足冬季采暖要求，單個采暖期節約運行費用37萬元。

3 注意事項

熱泵技術應用于油田地面工程系統優勢明顯，具有節能減排的重要意義，可以得到廣泛推廣。但是，在應用時應注意以下問題：

（1）熱泵熱源形式多樣，油田常用的為污水源熱泵，主要應用于注水站、聯合站等低溫污水資源豐富的場所。而空氣源熱泵只能在冬季環境溫度較高的南方油田應用，而且適合于邊遠零散油田。因此，熱泵的選擇應根據油田自身資源條件及經濟性，選擇性價比較高的推廣應用。

（2）熱泵相對于鍋爐、電加熱爐等初始投資較高，對于供熱需求大，需要改造工程量較大的場所不建議進行改造。在新建加熱系統或熱源充足的聯合站及注水站等，可考慮采用熱泵系統。另外，由于低溫熱源泵發展非常成熟，對采暖溫度及伴熱溫度要求不高的場所，可采用熱泵系統。

（3）油田污水中含油等雜質，容易對設備腐蝕與附著，易結垢，嚴重影響水源設備的使用壽命和運行效率，對水源熱泵系統提出了挑戰。采用清水與污水進行熱量交換，避免含油污水與熱泵主機的直接接觸，是解決該問題的方法之一，但是對于換熱器材料防腐提出了更高的要求。另外，高溫污水熱源泵技術尚不成熟，仍有待提高。

（4）由于空氣源熱泵在使用過程中涉及到隨著季節變化空氣溫度發生變化，尤其是冬季空氣溫度較低，熱泵系統效率降低，例如江蘇油田所采用空氣源熱泵工作溫度低于－5℃時，嚴重影響工作效率。因此，需要在冬季增加電加熱等輔助加熱措施。