海上石油平臺空調(diào)系統(tǒng)的改造及經(jīng)濟(jì)性分析

姚建軍，宮冠軍

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300000）

社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，勢必有著更高的能源需求，而現(xiàn)在面臨的能源枯竭以及環(huán)境污染問題加劇，人們不得不考慮資源節(jié)約以及綠色低碳的重要性。在大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的形勢下，尤其是我國頒布《中華人民共和國節(jié)約能源法》和《中華人民共和國清潔生產(chǎn)促進(jìn)法》后，節(jié)能減排的理念深入人心，許多相關(guān)的技術(shù)措施，如熱泵技術(shù)等也被廣泛應(yīng)用。

隨著熱泵技術(shù)的發(fā)展，海水源熱泵系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鍋爐房和制冷機(jī)為建筑內(nèi)供熱、制冷，已成為可再生能源利用的實(shí)用技術(shù)之一。國外海水源熱泵的研究與應(yīng)用主要集中在中、北歐以及北美等地區(qū)，國內(nèi)的青島、大連、天津等一些城市也已開始開發(fā)利用海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)為建筑供熱、制冷。目前，國內(nèi)外一些專家學(xué)者從系統(tǒng)可行性、環(huán)境能耗評價(jià)、前端換熱設(shè)備研究以及實(shí)際應(yīng)用分析等方面對海水源熱泵技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。

劉宏昌等[1]提出我國全程海域水溫均適于做冷水機(jī)組的冷源，并選取渤海、黃海、東海海域的典型代表城市大連、天津、青島、上海和溫州5 座城市進(jìn)行了供熱適宜性的討論，得出5 座城市均適宜使用海水源熱泵，且適宜性排序?yàn)榍鄭u、大連、溫州、天津和上海。朱培根等[2]對海水源熱泵被使用在上述5 個(gè)典型海濱城市時(shí)的系統(tǒng)能效進(jìn)行了分析。從經(jīng)濟(jì)效益上分析，海水源熱泵供暖過程中對一次能源的使用效率在96%～121%。楊淑波等[3]從海水源熱泵排水溫度對周圍水域的影響出發(fā)，對海水源熱泵系統(tǒng)尾排水進(jìn)行溫度影響模擬，得出近海區(qū)域海水源熱泵系統(tǒng)尾排水對表層海水溫度影響范圍更廣，隨著深度的增加影響范圍逐步減小，對于取排水口附近100 m×40 m 的水體，水體平均溫度只較主流溫度上升了0.12℃，影響范圍有限，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

目前陸地利用熱泵技術(shù)進(jìn)行供暖制冷可采用兩種方式，即空氣源熱泵和各類地表和地下的水源熱泵。空氣源熱泵受室外氣溫影響較大。而以海水作為冷熱源時(shí)，由于海水溫度對空氣溫度響應(yīng)較慢，在夏季，海水的溫度低于室外空氣溫度，可降低熱泵的冷凝溫度；在冬季，海水的溫度高于室外空氣溫度，可提高熱泵的蒸發(fā)溫度。因此，以海水作為冷熱源的海水源熱泵遠(yuǎn)比空氣源熱泵節(jié)能。

鑒于現(xiàn)有的海上石油平臺空調(diào)系統(tǒng)的使用現(xiàn)狀，通過熱泵技術(shù)，使以海水為熱源的海水源熱泵系統(tǒng)取代原有的電加熱系統(tǒng)，在滿足海上石油平臺冬季供暖需求的同時(shí)，利用四通換向閥實(shí)現(xiàn)熱泵制冷、制熱模式的切換，取代原有的風(fēng)冷或海水壓縮冷卻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)平臺用戶冬夏季制熱、制冷需求的同時(shí)，減少一次能源的使用，減少SOX、CO2、NOX等污染物的排放，最終達(dá)到節(jié)能減排的改造目的。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 節(jié)能對比的數(shù)學(xué)模型

式中：M2為電加熱折算標(biāo)準(zhǔn)煤的質(zhì)量，單位為kg；η2為電加熱效率，取0.95。

1.2 排放量減少的數(shù)學(xué)模型

式中，Δmw，i為第i 種污染物的排放減少量，單位為kg；ΔRw，i為單位質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒產(chǎn)生的污染物的質(zhì)量，單位為kg·kg-1。單位質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒產(chǎn)生的污染物排放定額見表1。

表1 我國污染物排放定額

1.3 機(jī)組的數(shù)學(xué)模型

式中：Qw為熱源側(cè)海水的放熱量，單位為kJ；Cw為海水的比熱容，單位為J/（kg·℃）；Mw為海水的水流量；單位為kg/s；ΔT1為海水的進(jìn)出口溫差。

式中：Qa為冷凝器工質(zhì)的放熱量，單位為kJ；Ca為工質(zhì)的比熱容，單位為J/（kg·℃）；Ma為工質(zhì)的質(zhì)量流量，單位為kg/s；ΔT2為冷凝器工質(zhì)的進(jìn)出口溫差。

2 實(shí)驗(yàn)研究

制熱模式：海水源熱泵是通過工質(zhì)（殼程）從殼管式換熱器里的海水（管程）吸熱后，壓縮機(jī)等熵壓縮（理想狀態(tài)）后，在翅片換熱器加熱空氣后，流經(jīng)節(jié)流閥，形成氣液兩相混合物后進(jìn)入殼管式蒸發(fā)器，循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)制熱。

制冷模式：翅片管換熱器里的工質(zhì)冷卻周圍空氣后，吸入壓縮機(jī)等熵壓縮（理想狀態(tài)），進(jìn)入滿液式換熱器被海水冷卻后，通過節(jié)流閥變成氣液混合物后，進(jìn)入翅片管換熱器，以此循環(huán)往復(fù)。

冬夏季模式的切換，采用四通換向閥解決，為解決由于壓差引起的回油問題，特加設(shè)了油路以及引射泵解決回油問題，壓縮機(jī)進(jìn)出口分別加設(shè)了油分離器以及氣液分離器，制冷制熱模式所需制冷劑的充注量不同，為保證機(jī)組正常工作，加設(shè)了儲液器，以解決制冷劑過多的問題。實(shí)驗(yàn)過程全程由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且讀取記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 計(jì)算機(jī)監(jiān)視圖

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

海上石油平臺冬季供暖要求單一機(jī)組，每小時(shí)制熱量為60 kW，送風(fēng)溫度40℃左右，制冷劑為R22，供暖季120 d。因此假定機(jī)組每小時(shí)制熱量為60 kW，不同機(jī)組的運(yùn)行成本見表2。

表2 不同系統(tǒng)運(yùn)行成本對比

計(jì)算所涉及的參數(shù)取值，有以下幾點(diǎn)：

電：平均單價(jià)0.55 元/度；熱值860 千卡/度；轉(zhuǎn)化效率95%；

氣：平均單價(jià)4.2 元/m3；熱值8500 千卡/m3；轉(zhuǎn)化效率88%；

油：平均單價(jià)7.23 元/kg；熱值10000 千卡/m3；轉(zhuǎn)化效率80%。

對比電加熱系統(tǒng)，改造后的海水源熱泵系統(tǒng)單一機(jī)組每年供暖季運(yùn)行成本減少約75 198 元，運(yùn)行成本僅為原機(jī)組的31.7%，大大地減少了供暖季機(jī)組運(yùn)行成本，為熱用戶提供基本需求的同時(shí)，減少了使用支出。

為迎合“低碳環(huán)保，綠色發(fā)展”的理念，將平臺供暖所用電能轉(zhuǎn)化成碳排放量的方式計(jì)算改造后平臺的環(huán)保性能，作為環(huán)保指標(biāo)的對比。以海水源熱泵供暖季每小時(shí)運(yùn)行制熱量52.8 kW 計(jì)算，以一天的制熱量1 267.2 kW為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。冬季運(yùn)行一天海水源熱泵系統(tǒng)與原有的電加熱系統(tǒng)碳排放對比，其結(jié)果見表3。

表3 系統(tǒng)環(huán)保性對比

相比原系統(tǒng)，改造后的海水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行一天，各種污染物減少的排放量見表4。

表4 污染物排放減少量

由計(jì)算可知，海水源熱泵機(jī)組相對于電加熱系統(tǒng)減少的燃煤量為ΔM=M2-M1，為377.17 kg，改造后的海水源熱泵機(jī)組耗能折算的燃煤量只占電加熱機(jī)組的31.7%，節(jié)約了68.3%的標(biāo)準(zhǔn)煤使用量，節(jié)能減排效果顯著。

實(shí)驗(yàn)過程分別以5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃的海水為熱源，R2 為工質(zhì)，通過控制變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)性能變化圖

如圖2 所示，系統(tǒng)性能系數(shù)COP 隨著熱源溫度的升高而增大，最小為2.6，最大可達(dá)到3.2 左右，翅片管換熱器換熱量在40 kW 左右，壓縮機(jī)耗功為20 kW 左右，熱源水放熱量為25～40 kW，系統(tǒng)整體性能系數(shù)COP 約為3.0。

4 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理分析可知，海水源熱泵系統(tǒng)具有較高的可行性、穩(wěn)定性、節(jié)能性和安全性。且該系統(tǒng)滿足平臺基本生活需要的同時(shí)，又能為平臺帶來經(jīng)濟(jì)效益，符合最初的改造目的。

（1）理論計(jì)算，與原系統(tǒng)相比，改造后的系統(tǒng)不僅操作方便，更減少了冬、夏季空調(diào)的用電量，為用戶節(jié)省了空調(diào)的電能開銷，冬季系統(tǒng)性能系數(shù)COP 更是達(dá)到了3.0，為用戶節(jié)省了約66.6%的電能，單一機(jī)組運(yùn)行時(shí)，以采暖季120 d 計(jì)算，采暖季運(yùn)行的年值費(fèi)用約為31 680元，單一機(jī)組運(yùn)行時(shí)為平臺節(jié)省了約63 360 元的供暖費(fèi)用支出。

（2）單一機(jī)組運(yùn)行時(shí)，改造后的系統(tǒng)一年采暖季可減少45.26 t 標(biāo)準(zhǔn)煤的消耗，同時(shí)SOX的年減少排放量約為1.36 t，CO2的年減少排放量約為124.47 t，NOX的年減少排放量約為0.18 t，粉塵的年減少排放量約為0.91 t。

（3）改造后的系統(tǒng)穩(wěn)定性大大提高，使系統(tǒng)運(yùn)行更加安全可靠，改造后的系統(tǒng)滿足國家所提倡“碳達(dá)峰、碳中和”的發(fā)展理念，在滿足用戶舒適性需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目的，為海上石油平臺的空調(diào)系統(tǒng)改造，提供了良好的參考方案，為未來沿海地區(qū)冬季供暖提供了更加安全、節(jié)能、穩(wěn)定的方案，推動(dòng)了熱泵技術(shù)在我國的發(fā)展，為海上平臺的空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展提供了一個(gè)較好的發(fā)展方向。