壓縮式水源熱泵技術在河一聯合站的應用

賈煒鑌

中國石油華北油田分公司第三采油廠，河北河間 062450

熱泵是一種充分利用低品位熱能的高效節能裝置。熱量可以自發地從高溫物體傳遞到低溫物體中去，但不能自發地沿相反方向進行。熱泵的工作原理就是以逆循環方式迫使熱量從低溫物體流向高溫物體的機械裝置，它僅消耗少量的逆循環凈功，就可以得到較大的供熱量，可以有效地把難以應用的低品位熱能利用起來，從而達到節能目的。

華北油田第三采油廠河一聯合站地處京津冀環境治理地區，污水處理量1 800 m3/d，污水溫度40～50℃，蘊含約6.72×104MJ/d的低溫熱能，余熱資源豐富；同時，面對日趨嚴峻的環保形勢和居高不下的燃氣成本，積極開展熱泵技術研究，回收生產余熱，減少燃氣消耗，即實現清潔環保生產已刻不容緩。

1 河一聯合站現狀

河一聯于1977年建成投產，具備原油脫水、原油外輸、污水處理、注水、供熱功能，最初原油處理能力100×104t/a，外輸能力100×104t/a。隨著社會的發展，對環保的要求也越來越嚴格，河一聯加熱爐燃燒原油不能達到排放標準，氮氧化物、硫化物超標。河一聯曾對原加熱爐加熱方式進行改造，1990年對河一聯站內進行整體改造，改造后原油處理能力75×104t/a，外輸能力50×104t/a；接收河間南、河間北、河間西、留一聯等各站來油，建有12個計量站、7個拉油點、1個閥組間；轄油井215口，日產液量2 100 m3，日產油量270 t，綜合含水87%。河一聯現有2 330 kW加熱爐3臺、1 250 kW加熱爐1臺，污水處理量1 800 m3/d，污水溫度40～50℃，輸出熱水溫度65～70℃，河一聯主要工藝流程如圖1所示。按照以往工藝，40～50℃的污水所含的余熱是直接浪費掉的，如果可以將這部分低溫余熱加以利用，用來生產65～70℃的熱水，一方面可以減少熱污染，同時也可以節省加熱爐所需燃氣。

圖1 河一聯主要工藝流程示意

2 河一聯合站采用的技術方案及熱泵選擇

河一聯站內系統采用壓縮式水源熱泵，站內熱泵設備提供70℃以上熱水，提供的熱水作為熱力系統的輔助熱源，污水通過高效換熱器作為熱源水提取污水熱量，通過熱泵蒸發器吸收；工藝流程采用高溫熱泵技術和產品，替代原燃氣加熱爐。原燃氣加熱爐保留，一方面自產氣仍然可以通過加熱爐消耗，另一方面作為熱泵機組的備用。河一聯熱泵工藝流程見圖3。

圖3 河一聯熱泵工藝流程

設計熱泵污水進水溫度38℃，熱水進水溫度60℃，出水溫度70℃；制熱性能系數COP達到4.8；制熱量達到1 183.7 kW；余熱取熱量937 kW，熱泵機組兩器都采用標準1 MPa承壓水室，機組底部采取減振措施。

污水取熱采用過濾裝置以及反沖洗流程確保污水流量和穩定；采用鈦合金板式換熱器，既耐腐蝕同時又高效換熱。燃氣爐熱泵運行控制采用串并聯控制，確保自產氣的使用、工藝的穩定和熱泵運行最大化。系統全自動控制，無人值守，系統接入采油廠站控系統實現全程監控。

3 壓縮式水源熱泵機組的特點[1-5]

（1）雙螺桿壓縮式水源熱泵具有高效節能的特點。該裝置系統之所以節能源于其所提供的熱量中有很大部分是從低溫側無償獲得，出水溫度可以達到70℃以上。傳統空調式或者單螺桿熱泵進水溫度一般在15～40℃，出口溫度55℃，不完全適合原油生產加熱、伴熱使用；雙螺桿壓縮式水源熱泵進口溫度可以到35～50℃，非常適合于利用油田污水熱量，出水溫度高達70℃，適合用于油田原油加熱和管道伴熱，它比傳統空調式熱泵出口溫度高7～15℃，壓縮式熱泵機組的制熱系數可達到3.0～5.0。

（2）壓縮式水源熱泵環保效果顯著。熱泵機組省去了燃氣、燃油加熱系統，沒有燃燒過程，運行無污染，無燃燒，無排煙，不產生廢水、廢氣和煙塵，對環境友好，綠色環保。

（3） 壓縮式水源熱泵運行穩定可靠，維護方便。水體的溫度一年四季相對穩定，使得熱泵機組運行穩定可靠，保證了系統的高效性和經濟性；采用全電腦控制，自動化程度高，相對于傳統式外部控制器和控制邏輯熱泵，機組部件少，運行穩定；由于系統簡單，因此比傳統熱泵維護費用低，使用壽命長。

（4）壓縮式水源熱泵的蒸發器和冷凝器按照NB/T 47012—2010《制冷裝置用壓力容器》、GB 151—1999《管殼式換熱器》標準進行制造，熱泵機組壓縮機采用半封閉式雙螺桿壓縮機，具有轉速高、可靠性高、動力平衡性好、適應性強等優點，采用墊片密封、真空高壓檢測，無漏油漏氟的問題，采用吸氣冷卻電機，保證電機穩定可靠的高效運行，同時等熵效率高，達到70%以上，比單螺桿壓縮機效率高；壓縮機和電機采用直接驅動方式，減少了電機和壓縮機之間的機械損失，電機效率達到95%以上；壓縮機整體密封，包括電機、接線盒等組成部分在內達到IP54防護等級，電機符合F級絕緣等級，傳統熱泵主要集中應用于賓館、民用空調、采暖和洗浴等領域，而壓縮式水源熱泵則主要應用于工業領域，特別是在油氣防爆環境下，其應用范圍更廣；機組采用獨立控制柜，系統采用PLC控制和觸摸屏人機交互界面，控制柜觸摸屏顯示設備運行狀態和各種運行參數，具有正常和緊急情況下的啟機、停機、系統故障顯示與報警、檢測信號上傳等功能，保證控制柜及其內部設備的所有性能可靠；機房內設置有可燃氣體探測器及報警器，聯鎖風機啟動；探測器安裝在機房內，報警器安裝在已有控制室，當報警時，信號進入PLC系統，并將信號遠傳到聯合站PLC系統，輸出信號傳送給熱泵組撬聯鎖風機啟動；機組的日常運行過程完全由機組控制系統器控制，根據負載變化自動控制機組的運行，機組可實現12.5%～100%負荷變化的無段容調；機組控制系統具備控制及檢測功能，冷水機具有高低壓保護、過載保護、排氣溫度保護、電流保護、防凍保護、水流開關保護、傳感器故障保護、壓縮機內置保護、油位開關保護、防頻繁啟動、低流量報警、安全閥啟閉、斷水報警、蒸發器凍結保護、冷媒壓力過低和過高保護、電機過熱保護等功能，比傳統熱泵的安全系數更高。

4 運行效果

河一聯壓縮式水源熱泵及其配套工藝于2018年10月開始建設，當年12月21日正式投運，額定制熱量1 183 kW，目前運行良好。在冬季運行條件下耗電量254 kW，獲得熱量1 252 kW，COP為4.93；通過一年多的運行，節能效果顯著。具體運行數據見表1。

表1 河一聯壓縮式水源熱泵運行數據

熱泵投運前天然氣日均消耗4 600 m3，熱泵投運后天然氣日均消耗2 265 m3。2019年熱泵投運后與2018年運行前耗氣量對比，平均耗氣量減少50%，見圖4。

圖4 壓縮式水源熱泵運行前后一年中天然氣消耗量對比

河一聯每天污水處理量為1 600～1 700 m3，采用熱泵可節約燃氣85×104m3/a，每年可節約能源費用107萬元。采用壓縮式熱泵技術節約了能源，減少了余熱污染，對環境保護起到了積極的效果。

5 結束語

隨著社會對環保的要求越來越嚴格。華北油田第三采油廠河一聯合站地處京津冀環境治理地區，使用燃燒原油的加熱爐供熱能源消耗大，且不能達到排放標準，氮氧化物、硫化物超標。采用壓縮式水源熱泵，通過高效換熱器利用污水作為熱源水提取污水熱量，把難以應用的低品位熱能利用起來，代替燃油、燃氣加熱爐供熱，既滿足了生產對熱能的需求，同時也做到了節能降耗、清潔環保，其經濟效益和社會效益十分明顯。