油氣集輸過程中低溫余熱利用熱泵技術的概述

王 輝，吳 明

（遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

油氣集輸過程中低溫余熱利用熱泵技術的概述

王 輝，吳 明

（遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

當前在油氣集輸系統中，低溫（40～50 ℃）余熱資源非常的豐富，造成了很大能源浪費和熱“污染”。改善能源的利用效率，對于解決能源危機非常的關鍵。熱泵是油氣集輸系統中低溫余熱進行回收的核心裝置，其不僅能夠提高能源品味，還具有操作簡單，技術較成熟的特點。分析了油氣集輸系統的用能狀況和能源消耗的原因，還論述了低溫余熱回收熱泵技術和對熱泵市場進行介紹。

油氣集輸；低溫余熱；節能；熱泵

當前，余熱資源在我國很多領域都存在，而且非常的豐富，尤其是油氣集輸過程中，大量的低溫余熱被排放掉，造成了很大的能源浪費。油氣集輸系統龐大，該系統在把分散的各油井采出液匯集、處理和輸送的過程當中需要耗費大量的能量［1］。所以對于耗費的熱資源進行回收利用，是如今實現能源與可持續發展的有用途徑。為貫徹黨的十八大進一步實施“第十二個五年計劃”的一個全面的減少能源浪費所提出的目標和任務，要求我們要對核心技術和關鍵技術加以突破，依靠科技創新推廣出節能減排的新的產品［2］。本文論述的熱泵技術恰好能夠對將多種低品位熱能進行高效利用，從而降低余熱的損失，減少能源的浪費。

1 油氣集輸系統中的低溫余熱及熱泵技術

1.1 油氣集輸系統和低溫余熱利用情況

當前，使用的油氣集輸系統主要是一體化的系統，即將采出的液體進行匯集、輸送和處理一體化。油氣集輸過程包含天然氣凈化、原油脫水和污水處理等過程。油田在進行油氣開采過程中耗費了很大的電力、水力和其他的資源。但在能量損失方面主要有“兩大”問題，那就是“高能耗”和“高油氣損失”。油氣損耗的問題是在油氣處理過程中，油氣的揮發以及一些系統設備的老化等多種原因所導致的。同時，大量的污水余熱資源沒有得到很好的利用，造成了原油生產能耗大大增加。據統計，僅僅勝利、大慶、遼河油田污水的（40～50 ℃）排放量就約占油田得總污水排放量的70%［3］，為了貫落實徹黨的十八大，實施“第十二個五年計劃”期間節能減排，建設環境友好型社會的目標和任務，研究人員和相應的工作人員應該對油氣集輸系統進行全面的檢測和分析，加強系統耗能高的薄弱環節，并提高油氣集輸系統的節能潛力。這一問題對提高能源的利用率有著十分重大的意義。我們可以通過多種途徑來提高能源的利用效率，如使加熱爐的熱效率得到提高，將高耗能設備進行更新，給傳統工藝進行新技術改造，給運行程序進行優化等。如今備受人們關注的熱泵技術進行回收余熱在油氣集輸過程中應用很廣，能夠使油氣集輸過程中的能量進行綜合利用，能夠取得很好的節能降耗的目的。

余熱是能夠利用設備進行回收的二次能源。余熱分為，高溫余熱（高于800 ℃）、中溫余熱（350～800 ℃）、低溫余熱(350 ℃)。從當前余熱利用的情況來看，在我國，余熱利用存在很大的空間。每噸標準煤在我國的產出率與美國、日本相比相差很多，只相當于美國產出率的 28.6%、日本產出率的10.3%。在我國可以從工業用能中獲取近60%～65%余熱資源。當前，美國和歐洲國家的余熱利用率要遠高于我國。在我國的低溫余熱、廢熱占總余熱量的60%。如圖1顯示的是美國、歐洲、中國對低溫余熱的利用情況。雖然這部分余熱資源我們不能直接利用，但可以將它作為低溫熱源，通過熱泵其溫度水平提升，然后再加以利用。

圖1 美國、歐洲、中國余熱利用情況Fig.1 The waste heat utilization in China,the United States and Europe

1.2 熱泵技術的發展

熱泵技術是于1775年，由愛丁堡的一名化學先生在察覺乙醚的蒸發可以使水結冰的現象中提出的一種新能源技術，最早是于1824年出現于歐洲。相繼在國外的很多國家都提出熱泵技術的相關應用。我國熱泵技術的出現也較早，在50年代，就有一些學者開始了熱泵的探究。目前，熱泵技術成為了國內外的焦點，但由于推廣力度的不足，致使很多人對其認識都不夠。熱泵技術的研究和推廣不但給熱泵行業帶來了生機也給油氣集輸過程中的余熱利用帶來了新的裝備。由于能源的缺乏和很大程度的浪費，各類熱泵的研究與應用都上升了很大的高度，楊靈艷在國際熱泵技術發展趨勢［4］分析中總結，從20世紀至今，熱泵技術以其極快的發展速度，在制造技術和熱泵性能上都取得了很大進步與提高，并將熱泵的發展帶進了一個良性發展的階段。近年來，熱泵逐漸替代了傳統的燃煤鍋爐，不但使設備和操作簡化，也降低了能源消耗和環境污染。陳成敏從不同的角度對高溫熱泵技術及系統性能（經濟性、環境性和綜合性能）高溫熱泵集中供熱進行了分析［5］，其結論是，當熱泵制熱性能系數COP（指用戶得到的熱量與消耗外功之比值）取不同值時，與傳統的鍋爐（燃煤、燃氣）相比，都取得了很大的經濟效益、環境效益和很高的綜合評價指標。熱泵技術在制冷制熱、電力行業、石油化工以及建筑領域都在廣泛的應用，而且都取得了很大的成果。研究者們也都致力于其核心技術的開發及成果的推廣。隨著國家對節能降耗的重視，我國熱泵技術必將迅速發展。

2 油氣集輸系統中的熱泵系統分析

2.1 熱泵及其工作原理

熱泵是一種提高熱能品味的一種裝置，是一種只需消耗一小部分的電能，就能從環境介質中提取4～7倍于電能的裝置，恰好能夠使油田油氣集輸系統中低溫余熱得到很好的利用［6］，進而提高能源的利用率，熱泵技術也越來越受到人們的關注。熱泵從不同的角度分類有多種類型，從熱源種類來分，有空氣源熱泵、水源熱泵、地源熱泵、復合熱泵；根據所加入的有用能驅動循環的方式的不同，熱泵有：壓縮式熱泵、吸收式熱泵（第一類吸收式熱泵和第二類吸收式熱泵）以及噴射式熱泵。熱泵的工作原理和壓縮式制冷系統的工作原理一致，但與制冷機工作溫度的范圍不同。

壓縮式熱泵由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發器等基本的構件構成成。以消耗部分機械能或電能制熱，其工作原理如圖2。

圖2 壓縮式熱泵系統Fig.2 Compression heat pump system

首先，從環境中提取低溫熱源。在蒸發器中與經節流降壓的低溫工質進行熱量交換，吸收外界低溫環境熱量 Q2蒸發。然后，蒸汽進入壓縮機消耗外功，提高工質的溫度和壓力。再通過冷凝器將高出所需熱量 Q3供給用戶，自身被冷凝。最后進入節流閥降溫降壓，再流入蒸發器實現以個循環。

第一類吸收式熱泵的構成與壓縮式熱泵相似，是由壓縮機、冷凝器、節流閥、蒸發器、吸收器、溶液泵等組成，需要注意的是發生器里的吸收劑要對工質的吸收能力很強，而且二者的沸點差要盡可能的大［7］。

第一類吸收式熱泵是一種能將低溫熱源的溫度提高到中溫的一種增熱型熱泵，但需要高溫位能驅動。流程如圖3其制熱系數大于1，它要比高溫位熱源直接供熱節約能源［8,9］。

圖3 第一類吸收式熱泵Fig.3 The first kind of absorption heat pump

第二類吸收式熱泵在不違反熱力學第二定律的條件下利用低溫余熱熱源，向系統提供更高水平的熱能。其工作流程如圖4，其制熱系數小與1，并其隨溫度的升高而降低，但是它能夠很大的提高能源的利用價值。

根據熱力學定律和卡諾循環定理，熱泵技術應用于油氣集輸系統中，能夠提高能源利用率，達到節能降耗的目的，使得各個油田開采單位取得了很大的經濟效益。

圖4 第二類吸收式熱泵Fig.4 The second kind of absorption heat pump

2.2 熱泵技術經濟效益分析

熱泵技術的推廣和應用，給油田帶來很大的經濟收益。唐志偉［9］用熱泵代替傳統的燃氣和燃油鍋爐對大慶油田南七聯采暖和供熱系統進行經濟效益分析中得出，熱泵的使用消耗了很大部分的的電能，并且初始的投資成本很高。但能夠大大的降低運行和維護費用，從長遠的角度看，具有很好的經濟前景。蓋超［10］在聯合站用于輸油伴熱及供暖系統中對熱泵的經濟效益分析中得出，從38 ℃左右的站內污水，獲得10 ℃溫差，回收水量是18 m3/h，用熱泵代替原燃氣爐，每年即可節省73.2萬元。總之，在對油田低溫余熱進行回收的的熱泵技術改造前

后，在燃油費用和運行、維護費用上都取得巨大的經濟效益。

3 我國低溫余熱利用熱泵市場競爭情況

目前，我國低溫余熱的回收熱泵技術，受到更多人的關注，在熱泵領域踴躍出多個知名企業（熱泵企業參展忙），其中幾個具有代表性的企業如表1。

表1 知名熱泵企業Table 1 Famous heat pump companies

4 結束語

熱泵技術對油田中的低溫余熱進行回收，不僅提高能源的利用效率，而且在操作上也簡單便捷。同時也大大的降低了對環境的污染。熱泵技術的應用取得了客觀的經濟效益，也取得了很好的環境效益。這必將會推動熱本技術在我國的發展，并且成熟的應用到各個領域。

［1］閆江濤. 油氣集輸系統的能耗與節能研究綜述[J]. 2012(1): 295.

［2］科技部工業和信息化部. 2014—2015年節能減排科技專項行動方案[J]. 有色金屬節能, 2014, 6(3)：1-2.

［3］徐衛東. 油氣集輸過程低溫余熱回收模擬試驗及工程應用研究[D].大慶: 東北石油大學, 2010: 1-3.

［4］楊靈艷. 國際熱泵技術發展趨勢分析[J]. 暖通空調，2012,42（8）:2-3.

［5］陳成敏.高溫熱泵技術及系統性能研究[D].天津大學，2012:13-18.

［6］唐堅波. 油氣集輸系統熱能綜合利用技術研究[D]. 大慶：東北石油大學，2013: 14-16.

［7］湯學忠. 熱能轉化與利用[M]. 第二版.北京科技大學，2011-03: 105-110.

［8］尹輝.熱泵在低溫熱回收項目中的應用[J].石油化工設計，2013,30（3）:52-54.

［9］趙曉巍,王樹昆.第二類吸收式熱泵及其在冶金企業中的應用前景[J].山東冶金，2004,26（6）：37-38.

［10］唐志偉.劉愛潔.油田污水余熱資源開發利用[J].化工進展，2009,28：423-425.

［11］蓋超.熱泵技術在遼河油田中的應用[J].工業技術，2011(1):121.

［12］江哲生，我國煙氣余熱利用換熱器發展概述[J].中國高新技術企業，2012,36（33）：4-5.

［13］Fang qi.Zhang Yufeng.Deng Na.Ma Hongting.Experimental Perform ance of Moderate and High Temperature Heat Pump Charged wit h New Refrigerant Mixture BY-3[J].Transaction of Tianjin Univer sity,2012,17(5):386-390.

Overview of the Heat Pump Technology for Low Temperature Waste Heat Utilization of Oil and Gas Gathering and Transferring Process

WANG Hui，WU Ming
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

Recently，in the process of oil and gas gathering and transferring, the resource of low temperature waste heat is very abundant. And it has caused a lot of energy waste and thermal pollution. The key to solve the energy crisis is to improve energy efficiency .The heat pump is the core equipment for the low temperature waste heat recovery in the oil and gas gathering and transferring process. It has many advantages, such as simple operation, mature technology and so on. In this paper, the condition of energy use and the reasons of energy consumption in the oil and gas gathering and transferring system were analyzed; the heat pump technology for low temperature waste heat recovery was discussed, and the market of the heat pump was also introduced.

Oil and gas gathering and transferring; Low temperature waste heat; Energy saving; Heat pump

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）03-0577-03

2014-10-14

王輝（1988-），女，黑龍江齊齊哈爾人，碩士研究生，2015年畢業于遼寧石油化工大學，研究方向：油氣儲運系統節能技術。E-mail：wanghui880106@126.com。