太陽能光熱結(jié)合吸收式熱泵用于油田生產(chǎn)加熱技術(shù)研究與設(shè)計

崔士波+劉玉巖

摘 要：我國油田生產(chǎn)能耗巨大，導(dǎo)致成本高、污染嚴(yán)重，同時其豐富的低溫污水余熱和太陽能光熱資源未得到高效開發(fā)利用。通過太陽能聚光光熱技術(shù)產(chǎn)生的中高溫導(dǎo)熱油結(jié)合天然氣等補(bǔ)充能源作為吸收式熱泵的驅(qū)動熱源，回收采油污水中的余熱用于集輸伴熱等油田生產(chǎn)中，不僅能比常規(guī)鍋爐提高能源利用效率，還可以充分利用余熱資源和太陽能資源，大幅降低能源消耗總量和溫室氣體排放量，在油田節(jié)能、減排、降本方面具有廣闊的前景。

關(guān)鍵詞：太陽能光熱；吸收式熱泵；余熱回收；原油加熱

中圖分類號：TE19 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）24-0046-02

1 概述

1.1 油田生產(chǎn)能耗巨大

我國開采的原油多為高含蠟、高凝點(diǎn)、高黏度的“三高”原油，近年來新發(fā)現(xiàn)的油田稠油占比較高，常溫下流動性差，在集輸和處理工藝過程中需要進(jìn)行加熱與保溫。在油田生產(chǎn)過程中至少有20%的能耗用于原油加熱與處理，每年消耗大量的煤、原油、天然氣和電等能源，產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。據(jù)統(tǒng)計，我國各油田每集輸1t原油平均耗氣約15～35m3。據(jù)此測算，中石化油田集輸原油每年能耗總量折合成原油至少在60×104t以上，中石油約為170×104t[1]。

1.2 油區(qū)太陽能和污水資源豐富

大慶油田、勝利油田、長慶油田、塔里木油田、遼河油田、西北油田等中國主要陸上油田都分布在西部、北部等太陽能資源非常豐富的地區(qū)，年日照時間長、能量大，具備利用太陽能光熱資源用于油田加熱的條件。隨著油田含水率的上升，大量具有較高溫度的儲層水伴隨石油采出后經(jīng)過凈化又回注地層。以中石化為例，>40℃的采油污水達(dá)到110萬噸/天，若從污水中提取10℃熱量，相當(dāng)于1578噸標(biāo)煤/天，每年達(dá)57.6萬噸，節(jié)能潛力巨大。

2 太陽能光熱和吸收式熱泵供熱在油田中的應(yīng)用

2.1 太陽能光熱在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用

太陽能光熱應(yīng)用分為低溫和中高溫利用。太陽能真空管集熱熱水器是最為常見的太陽能低溫光熱利用形式，多在制取生活熱水、供暖和預(yù)加熱等直接利用方面，在需要較高溫度的工業(yè)適用性較為局限。太陽能中高溫光熱技術(shù)是用槽式、線性菲涅爾式等太陽能聚光光熱技術(shù)把導(dǎo)熱油最高加熱至近400℃，用于工業(yè)生產(chǎn)。

在原油集輸太陽能加熱應(yīng)用方面[2][3]，遼河油田與上海交通大學(xué)、華南理工大學(xué)等合作，研究設(shè)計了基于真空管集熱器陣列的“原油集輸太陽能加熱節(jié)能系統(tǒng)”并在興隆臺采油廠投入應(yīng)用。僅靠太陽能可將原油最高加熱到83℃，在太陽能輻射不足時開啟燃燒器和水套爐對原油進(jìn)行二次補(bǔ)充加熱。在邊緣井儲油罐加熱維溫上[3][4]，江蘇油田在安徽采油廠天83-1拉油站等邊遠(yuǎn)井站安裝的“太陽能+輔助電加熱系統(tǒng)”在油罐和管路供熱方面取得了較好的應(yīng)用效果。華北油田自2006年開始已在冀中、二連油區(qū)的一些邊緣井站安裝30多套太陽能加熱裝置。河南油田2008年在古城油礦使用太陽能對高架儲油罐進(jìn)行伴熱維溫，新疆塔河油田2014年底采用150kW線性菲涅爾聚光太陽能系統(tǒng)替代原來的鍋爐為原油輸送加熱[5]。除上述項(xiàng)目外，華北油田、大港油田、長慶油田等均開發(fā)了小規(guī)模的太陽能熱水系統(tǒng)，部分取代常規(guī)能源解決油罐或管輸?shù)墓釂栴}，研究表明節(jié)能效果明顯。

總體來看，當(dāng)前太陽能用于原油集輸伴熱多使用類似熱水器的真空管集熱器，雖已有聚光光熱利用的實(shí)例，但都是直接利用，利用領(lǐng)域和利用效率受到限制。

2.2 吸收式熱泵在石油行業(yè)中的應(yīng)用

雖然工業(yè)生產(chǎn)中諸如采油污水等低溫余熱資源具備很大的利用潛力，但因溫度不高難以再次直接利用，需使用熱泵等設(shè)備提溫。

目前應(yīng)用較多的熱泵有以電能驅(qū)動的壓縮式熱泵和以溴化鋰吸收式技術(shù)為基礎(chǔ)的溴化鋰吸收式熱泵。相較于電能驅(qū)動的壓縮式熱泵，溴化鋰吸收式熱泵[6]是以熱能驅(qū)動從低品位熱源中吸取熱量制取滿足工藝需求的中、高溫?zé)崴蛘羝潋?qū)動熱源可以是蒸汽、高溫?zé)煔狻⒅苯尤紵裏崃炕蚋邷貙?dǎo)熱油等介質(zhì)，驅(qū)動熱源的品質(zhì)及形式適用度廣，可利用多種工業(yè)廢熱及可再生能源，大大節(jié)省了電力這種優(yōu)質(zhì)能源。吸收式熱泵的系統(tǒng)COP約為1.6-2.5，是天然氣鍋爐效率（0.90左右）的近兩倍。此外，吸收式熱泵單臺設(shè)備功率更大，更貼近中大型民用及工業(yè)使用要求，在節(jié)能降耗和余熱供熱領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用。

溴化鋰吸收式熱泵在利用電廠余熱供暖方面應(yīng)用廣泛，效果良好。在石油行業(yè)中，利用吸收式熱泵回收余熱同樣發(fā)揮著節(jié)能減排的重大作用[7][8]。勝利油田某換熱站采用6臺單機(jī)供熱量7700kW的蒸汽型溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組把從采油污水換熱獲得的溫度為45℃的余熱熱水加熱至85℃用于采暖，替代原來的原油加熱爐，每年節(jié)省原油約5600噸，節(jié)能效益高達(dá)上千萬元。華北油田某采油站采用2臺單機(jī)供熱量2910kW的直燃型吸收式熱泵供熱，替代原來的原油加熱爐，年節(jié)省原油750噸。大慶石化橡膠總廠應(yīng)用一臺供熱量3.5MW的吸收式熱泵，以橡膠生產(chǎn)工藝中的化工多組分汽體為低溫?zé)嵩摧敵鰺崴糜诠に嚰訜幔磕旯?jié)省蒸汽5萬噸以上，冷卻水用量僅為原系統(tǒng)的50%，節(jié)能效益超過600萬人民幣/年。

吸收式熱泵技術(shù)在油田采油污水余熱回收用等石油行業(yè)已經(jīng)得到應(yīng)用，但仍然以燃燒化石能源作為基礎(chǔ)驅(qū)動能源，雖然節(jié)約了一定的能源，但減排效果沒有得到充分發(fā)揮。

在現(xiàn)有太陽能光熱直接利用和常規(guī)能源驅(qū)動吸收式熱泵回收污水余熱的基礎(chǔ)上，設(shè)計兩者結(jié)合的新型節(jié)能加熱系統(tǒng)，節(jié)能減排、降本增效更加明顯，應(yīng)用前景廣闊。

3 太陽能結(jié)合吸收式熱泵余熱回收系統(tǒng)設(shè)計

以某油田聯(lián)合站為例，設(shè)計太陽能結(jié)合吸收式熱泵回收采油污水余熱用于油田生產(chǎn)的新型節(jié)能加熱系統(tǒng)。

3.1 某聯(lián)合站現(xiàn)狀

目前使用天然氣熱水鍋爐為采出液脫水分離和原油集輸加熱，全年平均熱負(fù)荷約為5000kW，年耗氣量約487萬立方米。工藝示意圖如圖1所示：endprint

3.2 新型節(jié)能加熱系統(tǒng)設(shè)計思路

本系統(tǒng)主要包括：（1）以槽式聚光太陽能集熱器為核心的太陽能采集系統(tǒng)；（2）可以以高溫導(dǎo)熱油和燃?xì)鈨煞N能源驅(qū)動的雙能源雙高發(fā)吸收式熱泵和污水余熱回收換熱器為核心的余熱回收提升系統(tǒng)；（3）以替換原有鍋爐和換熱器的新型可拆卸式油-水換熱器為核心的熱能交換系統(tǒng)。

槽式聚光太陽能集熱器把其真空管中的導(dǎo)熱油加熱至170℃左右，驅(qū)動雙能源雙高發(fā)吸收式熱泵把從采油污水中回收的30～40℃的低溫余熱加熱至80℃左右，用于采出液脫水分離和原油集輸加熱。可以通過配置太陽能高溫蓄能器或利用谷電的電加熱器等較為經(jīng)濟(jì)的方式來延長高溫導(dǎo)熱油驅(qū)動熱源的運(yùn)行時間，在陰雨天或夜間以天然氣驅(qū)動熱源完成余熱提溫過程。

3.3 節(jié)能減排量估算

使用原系統(tǒng)效率90%的天然氣鍋爐進(jìn)行加熱時，年消耗天然氣量為：5000kW×24h/天×365天×3.6MJ/kWh÷90%÷36MJ/m3=487萬m3，燃料成本約為974萬元（天然氣2元/m3）。

使用太陽能結(jié)合吸收式熱泵新型節(jié)能加熱系統(tǒng)后，系統(tǒng)COP以1.8計算，比原燃?xì)忮仩t節(jié)能50%。按照太陽能驅(qū)動系統(tǒng)年運(yùn)行2600小時、燃?xì)怛?qū)動系統(tǒng)運(yùn)行6160小時估算：太陽能驅(qū)動系統(tǒng)年節(jié)約天然氣量為：5000kW×2600h×3.6MJ/kWh÷90%÷36MJ/m3=144萬m3；天然氣驅(qū)動系統(tǒng)年節(jié)約天然氣量為：5000kW×6160h×3.6MJ/kWh÷90%÷36MJ/m3*50%=171萬m3。

相較原系統(tǒng)，新型節(jié)能系統(tǒng)每年節(jié)約天然氣315萬m3，減排CO2約9560T，節(jié)省燃料成本730萬元，不到3年即可收回系統(tǒng)投資。

4 結(jié)束語

我國油田生產(chǎn)能耗巨大，導(dǎo)致成本高、污染嚴(yán)重，但同時其豐富的低溫污水余熱和太陽能光熱資源未得到高效開發(fā)利用。通過太陽能聚光光熱技術(shù)產(chǎn)生的中高溫導(dǎo)熱油結(jié)合天然氣等補(bǔ)充能源作為吸收式熱泵的驅(qū)動熱源，回收采油污水中的余熱用于集輸伴熱等油田生產(chǎn)中，不僅能比常規(guī)鍋爐提高能源利用效率，還可以充分利用余熱資源和太陽能資源，大幅降低能源消耗總量和溫室氣體排放量，在油田節(jié)能、減排、降本方面具有廣闊的前景。

建議在開展油區(qū)污水余熱和太陽能資源調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際用能需求，盡早設(shè)計建設(shè)太陽能結(jié)合吸收式熱泵新型節(jié)能加熱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)油田低能耗、清潔化生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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