吸收式熱泵用于SAGD余熱回收

譚澤濤（中國寰球工程有限公司北京分公司）

1 現狀

蒸汽輔助重力泄油技術（SAGD）作為開發超稠油的一項前沿技術，其使用的核心能源為高干度蒸汽，故而整個工藝流程伴隨著大量熱量的產生、消耗與排放。該技術采油成本較高，為了降低其能耗從而降低整體采油成本，需要綜合考慮將余熱進行回收利用，最直接方法要提升廢熱的品質[1]。

油田余熱的回收利用已經過幾十年的研究和實踐，文獻報道中有針對注汽鍋爐余熱回收[2]、污水余熱回收[3-5]以及油田各類余熱的綜合利用[6]等方面的研究。這些研究從多方面系統地研究了合理而有效地回收余熱的技術手段，其中也包括了對吸收式熱泵技術應用的研究[7-10]。吸收式熱泵技術（AHP）與傳統熱泵一樣，能夠將熱量從低溫向高溫傳遞。相比于傳統使用氫氟烴作為制冷劑的機械式熱泵，不向大氣排放溫室氣體，具有更佳的環境友好性，更符合如今對清潔能源的需求，同時不消耗大量的電能。但文獻報道中較少有將吸收式熱泵技術應用于SAGD稠油開采余熱回收的研究。

通過分析SAGD采油過程中的余熱，結合AHP技術的特點并基于熱力學分析方法，同時考慮經濟性和可操作性的前提下，給出了幾種利用通過AHP技術利用SAGD余熱的方案，以期能夠為提高SAGD采油工藝過程能源利用效率提供開發策略。

2 SAGD技術中的余熱分析

SAGD技術通過蒸汽發生器產生高干度蒸汽并通過注汽井注入地層，隨后通過生產井將稠油采出。蒸汽發生器的種類一般為直流鍋爐。故采油過程的余熱主要包括：采出液攜帶的熱量、注汽鍋爐高溫煙氣、蒸汽發生器配套的汽水分離器排出的高溫高壓含鹽水。其中，采出液余熱可用于加熱蒸汽發生器給水，或采用升級利用的方法如熱泵技術、低溫發電等提升熱能品位；高溫煙氣可用預熱鍋爐用空氣；高溫高壓含鹽水可通過閃蒸得到高壓蒸汽，或用于加熱蒸汽發生器給水。這里主要分析通過吸收式熱泵提升和利用低溫采出液余熱。

圖1是加拿大某油砂SAGD采油地面工藝中，對采出液的熱能利用流程。可以看出，生產井口流出的采出液溫度較高，經過分離罐分離出油和大量污水。前者經過與蒸汽發生器給水、乙二醇系統（防凍系統）換熱后進入合格油儲罐；后者經與蒸汽發生器給水換熱后并經過撇油罐、氣浮選ISF等污水處理單元后進入污水罐，再經過污水蒸發器后產生新鮮水供給蒸汽發生器。

國內遼河油田對采出液的熱能回收利用方式為加熱蒸汽發生器給水，由于換熱溫差的限制，僅通過換熱器回收該部分熱能并不能充分回收。因此，參考圖1中余熱回收流程，在國內氣溫較高不需要采用防凍系統的前提下，需要考慮采用其他技術手段利用這部分采出液余熱。

圖1 SAGD采油技術采出液余熱利用流程

3 吸收式熱泵的特點

熱泵是一種與制冷機組運行過程相逆的設備，將低溫位的熱量提升至高溫位實現能級提高。總體上，按照所需外部輸入能量可分為兩大類，即輸入機械能的機械壓縮式熱泵以及輸入熱能的吸收式熱泵。故此，回收SAGD余熱可采用吸收式熱泵實現。吸收式熱泵又稱熱壓縮式熱泵，通過吸收劑和被吸收劑（制冷工質）的配對，利用制冷工質在不同場所分別完成相變過程，實現熱量由低溫熱源向高溫熱源的傳遞。吸收式最基本的部件包括吸收器、發生器、蒸發器及冷凝器，同時在研究和實踐中通常配套溶液泵、膨脹閥和溶液交換器。其中，吸收器和發生器為吸收式熱泵特有的區別于傳統壓縮式熱泵的部件。

吸收式熱泵按照不同標準可分成很多類，包括按制熱目的可分為增熱型和升溫型；按工質對不同可分為水-溴化鋰（溴化鋰溶液）、氨-水（氨水溶液）以及其他二元或多元工質對等；按驅動熱源在裝置中被利用的次數可分為單效、多效等；按裝置系統結構的緊湊程度可分為單筒、雙筒及多筒；按系統內外有無傳質過程可分為閉式和開式。此處重點介紹增熱型和升溫型，前者又稱為第一類吸收式熱泵（AHP），需要借助燃料或者高溫蒸汽等高溫熱能驅動，回收低溫余熱的熱量進而獲得中溫位的熱能；后者又稱為第二類吸收式熱泵（AHT），只需利用低溫余熱驅動系統即可獲得比第一類吸收式熱泵更高溫位的熱能。

圖2為兩類吸收式熱泵AHP和AHT的基本示意圖，圖中發生器和吸收器分別為解吸和吸收發生場所，冷凝器和蒸發器為輔助被吸收劑完成從發生器到吸收器的循環（高壓至低壓）。發生器中的解吸為吸熱過程，吸收器中的吸收過程為放熱過程，吸收劑和被吸收劑組成的工質對較低的沸點（常壓下低于水沸點）使得AHP和AHT能夠對低溫余熱進行回收利用。從直觀上可以看出，由于兩者的發生器/冷凝器、吸收器/蒸發器分別處于泵的入口側和出口側，故AHP中的發生器和冷凝器操作壓力高于蒸發器和吸收器而AHT則反之。因而使得發生器在AHP中比在AHT中操作溫度更高，吸收器在AHT中比在AHP中操作溫度更高。

對于穩態運行的AHP，吸收器吸收從蒸發器而來的氣態被吸收劑，并伴隨著放熱，故吸收器的溫度Ta大于蒸發器的溫度Te；由于發生器和冷凝器分別進行沸騰和冷凝過程，因此可知發生器的溫度大于冷凝器的溫度。同時結合前文所說溶液泵進出口側壓力的區別，可知AHP的溫度分布為Tg＞（Tc，Ta）＞Te。同樣分析可知，對于穩態運行的AHT，其溫度分布為Ta＞（Tg，Te）＞Tc。正如圖2中所示，AHP需要外界輸入高溫熱源，AHT的熱量輸出端在吸收器。

此外，由于溶液熱交換器的存在，使得從發生器進入吸收器以及從吸收器進入發生器的溶液溫度分別與吸收器和發生器內部的溶液溫度之差較小。因此對于穩態運行的AHP和AHT溫度分布，可知AHP發生器所需的高溫熱源的數量（質量流量）上較少，而AHT吸收器所釋放的熱量只能加熱較少質量的外界受熱體（用熱戶）。若忽略溶液泵所耗功率，AHP和AHT的性能系數COP分別為：

圖2 AHP和AHT示意圖

式中：COPAHP——增熱型吸收式熱泵性能系數；

COPAHT——升溫型吸收式熱泵性能系數；

Qa——吸收器換熱量，W；

Qc——冷凝器換熱量，W；

Qg——發生器換熱量，W；

Qe——蒸發器換熱量，W。

因此，通常AHP的COP在1左右，而AHT的COP一般小于0.5，AHP被稱為增熱型熱泵，而AHT被稱為升溫性熱泵。

從以上分析可知，吸收式熱泵的余熱回收效果受很多因素影響，包括對工質的選擇、整體結構設計、換熱單元內部結構設計以及余熱的特征等。因此，某種吸收式熱泵的適用范圍局限性較大，需要因地制宜，根據余熱的性質和現場的用熱需求進行吸收式熱泵的設計；也需要統籌兼顧，注意有效性和經濟性的兼顧即吸收式熱泵的性能和建設運營成本的統籌考慮；更要注重過程控制，吸收式熱泵起關鍵作用的是工質對，因此確保吸收器和發生器的效率和穩定性是保證系統發揮效能的決定性因素。

4 方案設計

1）選用當前最為成熟的溴化鋰水溶液作為吸收式熱泵的工質對。

2）相較于多級、多效等具有復雜結構的吸收式熱泵，最基本的單級AHT結構簡單、運行穩定且技術成熟，因此將其選為研究對象。

3）SAGD污水處理方式中，如MVC和MVR之類的蒸發式污水處理技術較為成熟且應用前景廣泛，因此考慮結合MVC和MVR來進行余熱回收利用的方案設計。

下面分別分析AHP和AHT兩類吸收式熱泵在SAGD余熱回收過程中的利用方案。

4.1 采用AHP回收SAGD余熱

AHP需要高溫熱源提供發生器所需熱能，對于汽包鍋爐來說，需要持續排出高溫高壓的污水，因此在使用汽包鍋爐作為蒸汽發生器的SAGD采油工藝中，可以利用該部分高溫熱源。其方案設計如圖3所示。高溫高壓的汽包排污液進入閃蒸罐得到高溫蒸汽，蒸汽與發生器換熱并冷凝成液態水進而可供鍋爐給水所需，進而同時實現為AHP提供運行能量且回收了一部分冷凝水。若鍋爐連續排污直接與發生器換熱，則無法獲得鍋爐給水并且會造成發生器承受高壓從而提高設備造價。此外，冷凝器和吸收器同時為鍋爐給水預熱，減少鍋爐能耗的同時實現了余熱的回收。

AHP中發生器溫度最高，由高壓閃蒸蒸汽提供驅動熱量，因此，方案中首先需要保證發生器高效獲取熱量。由熱力學第一定律可知，AHP各換熱部件換熱量為，換熱系數h取決于換熱器的結構、型式以及換熱溫差；m為工質質量流量；A為換熱面積三者之積。對于發生器而言，綜合考量上述影響換熱效率的因素，在驅動熱量一定的情況下優先應考慮采用高效換熱器同時適當增大換熱面積，對于蒸發器亦相同。對于冷凝器和吸收器，除了針對換熱面積的設計，還可通過適當增加鍋爐給水的流速從而一定程度上降低對換熱面積的依賴。

圖3 AHP回收SAGD余熱方案示意圖

4.2 采用AHT回收SAGD余熱

當SAGD余熱溫度較低，AHP中的冷凝器和吸收器的溫度較低從而無法向鍋爐給水傳熱時；以及當無法提供高溫熱源（如采用直流鍋爐時不產生高溫高壓連續排污），需要采用AHT技術大幅提升余熱溫度后進行回收利用。由于AHT的吸收器能夠提供高溫位熱能，故相較于AHP回收方案，AHT回收SAGD余熱存在更多的方式和選擇。

4.2.1 鍋爐給水與吸收器直接換熱

如圖4所示，SAGD余熱向發生器和蒸發器供熱，鍋爐給水經過吸收器吸收熱量后進入鍋爐。從圖4可看出，濃溶液經過泵加壓后在進入吸收器之前，與蒸發器產生的水蒸氣在噴射器內混合后進入吸收器。該噴射器使得從蒸發器而來的水蒸氣流速增大，提高蒸發器效率，進而提高吸收器的吸收效率，也即提高吸收器的熱容量，提高了系統的溫升。此外，為確保AHT性能，冷凝器需有冷卻水及時帶走凝結熱。

圖4 鍋爐給水與AHT吸收器直接換熱方案

與AHP方案不同的是，AHT方案中外界輸入熱量進入蒸發器和發生器。故而，與AHP方案中采用相同的分析思路，必須保證蒸發器和發生器的換熱效率。同時，本方案中吸收器和冷凝器的換熱效果可通過平衡換熱面積與鍋爐給水（冷卻水）流速來實現。

4.2.2 采油污水處理

如圖5所示，考慮到采油污水處理以及鍋爐用水的需求，該方案中將部分采油污水通過泵加壓后，引入AHT中與高溫吸收器進行換熱，隨后得到的高溫高壓污水進入閃蒸罐獲得水蒸氣，經冷凝后可作為鍋爐給水。此方案同時實現了對余熱的回收以及對污水的回收利用。相比于方案一的直接換熱系統，該系統增加了閃蒸罐等設備、回收利用效率相對較低，適合水資源稀缺及環保要求嚴格的地區。

與AHT方案相比，本方案在吸收器換熱之后增加了閃蒸和冷凝過程，不能簡單地通過提升污水流速來增加其換熱效果。為了保證閃蒸效果，污水流速不能隨意增加，在該方案中應首先保證吸收器的換熱面積。

4.2.3 輔助MVC/MVR污水處理

采油污水在MVC/MVR設備中，首先蒸發成為低壓的水蒸氣，隨后經過再壓縮后成為高壓的水蒸氣，而該高壓水蒸氣在蒸發器中與污水換熱凝結，并使得污水蒸發成低壓水蒸氣。因此在已建MVC/MVR進行污水處理的油田聯合站內，可以考慮利用AHT輔助其進行污水處理。如圖6所示，與采油污水處理方案類似，利用AHT處理一部分采油污水產生水蒸氣，但水蒸氣不是直接冷凝而是將這部分水蒸氣引入MVC/MVR與前述低壓水蒸氣混合后一同被壓縮。該方案與采油污水處理方案相比減少了對水蒸氣的冷卻系統，但需要對已建MVC/MVR系統進行調試以適應與AHT結合后的新工況。

方案中，為了保證MVC/MVR對閃蒸蒸汽的有效利用，其內的氣體壓縮機能力應有裕量。同時，MVC/MVR污水在吸收器和MVC/MVR之間的分配、吸收器和閃蒸罐的尺寸以及污水泵的功率，這三者之間應經過綜合考慮MVC/MVR壓縮機能力、站場內平面布置等因素后選擇最優組合。

4.3 余熱回收方案

文中提出方案為回收SAGD余熱提供了一種基本的設計思路并通過熱力學分析給出了幾點設計要點，同時：

1）基于以上思路，可以將方案中的AHP和AHT系統由基本構造進行改進，如采用兩級或多級系統、組合系統等。

2）整個系統中關鍵的問題是傳熱傳質的效率，因此開發和選取高性能的傳熱傳質裝置十分關鍵。

5 結論

通過分析SAGD采油過程中產生的余熱特點，并結合吸收式熱泵的技術特色，在遵循余熱梯級利用原則、考慮經濟效益和環境效益的基礎上，給出了第一類吸收式熱泵和第二類吸收式熱泵用于SAGD余熱回收的四種方案，包括直接換熱利用、與采油污水處理結合、與MVC/MVR結合等利用方式。基于文中介紹的余熱利用方案，可以實現SAGD采油過程的經濟、環保和高效。