基于動態費用年值法的空氣源熱泵加熱系統能耗評價研究

高明星，周亞東，陳浩宇，李娜，王治國

1.延長油田股份有限公司 志丹采油廠（陜西 延安 717500）2.西安石油大學 機械工程學院（陜西 西安 710065）

0 引言

延長油田地處鄂爾多斯盆地東南部，冬季平均溫度為-20 ℃，且油層埋藏較淺，冬季產出原油溫度一般在8～10 ℃，黏度較高[1]，造成集輸摩阻過高。因此，需要對原油進行加熱，避免因原油凝結或者結蠟而導致輸送摩阻過高或者油水分離困難[2]。

目前，延長油田大部分油井都采用鍋爐加熱或電磁加熱的方式。因為井口處或集輸站點的原油量較少，所以采用的鍋爐均為較小的熱水鍋爐，空氣污染嚴重。此外，這種熱水鍋爐燃燒采用的燃料一般來自油田產出的伴生氣，而伴生氣量隨著油井產量而波動，可靠性差[3]，往往不能保證冬季中井場或者集輸站點的全部加熱和采暖需要，而電磁加熱的耗電量太大，能耗較高，經濟性差[4-5]。

國家能源局最新發布的《2021年新能源工作指導意見》中提出，要降低煤炭資源占終端能源消費比重，提高電能消費比重，深入落實碳達峰、碳中和目標要求，持續優化能源結構[6]。因此，加熱系統如何進行選擇，不僅涉及技術的先進性，更需要考慮其經濟性和節能環保性。使用新能源技術對原油進行井口和集輸站的加熱是油田地面技術的發展方向[7]。目前井口原油加熱技術所采用的新能源以太陽能、地源熱泵以及空氣源熱泵為主。太陽能加熱節能效果顯著，但極易受環境因素的影響，可靠性較差，一般不以單一形式存在[8；地源熱泵在進行安裝維護的初期投資金額過大[9]；空氣源熱泵是利用空氣作為低溫熱源，綠色環保，運行較為穩定，綜合性能較好。

1 空氣源熱泵技術介紹

1.1 空氣源熱泵技術原理

空氣源熱泵的本質為一種依據“逆卡諾循環”原理工作的熱能提升裝置，它可以在少量高品位能的輔助下，將水、空氣等環境熱源中的低品位熱能轉化為高品位熱能并釋放至循環介質中加以利用，從而達到節約高品位能的目的，主要由壓縮機、蒸發器（空氣熱交換器）、冷凝器（熱水交換器）、膨脹閥4個部分組成，其工作原理如圖1[10]所示。具體工作過程為：低壓氣態冷媒經過壓縮機壓縮后，轉化為高溫高壓氣體，壓縮機所需的電能為Q1。該氣態冷媒在冷凝器（熱水交換器）中與儲水裝置中的冷水進行熱交換，使其變成熱水，同時自身被冷凝為液態，交換的熱量為Q3。高壓液態冷媒通過膨脹閥減壓，壓力下降。低溫低壓的液態冷媒經過蒸發器吸收空氣中熱量，由液態轉為氣態，吸收的環境熱量為Q2。低溫低壓氣態冷媒再由壓縮機進行壓縮，如此往復循環，不斷從空氣中吸收熱量，制取熱水。

1.2 空氣源熱泵加熱系統工藝分析

延長油田志丹采油廠某井，由于地理條件及環境因素的影響，不得不采取原油加熱的方式來滿足其外輸的溫度條件。該井擬采用空氣源熱泵來代替安全系數低、環保程度低、燃料不穩定的燃氣鍋爐，對原油進行加熱并對辦公區域供暖。

該套系統主要采用油、水兩套循環系統進行運作。從井口出來的原油經過儲油罐的緩沖后流入換熱撬，在其內部與熱泵機組產生的熱水進行熱交換，加熱后返回儲油罐緩沖儲存，再外輸，此為油循環。熱泵機組加熱后的水流入換熱撬與原油進行熱交換，再流入辦公區進行供暖，最后流回熱泵機組進行再次加熱，此為水循環。辦公區旁另設并行的事故罐，以便辦公區內換熱器發生事故或進行檢修時，熱水可以轉經事故罐，繼續進行水循環，不影響整個原油加熱系統的運行。具體工藝流程圖如圖2所示。

2 空氣源熱泵加熱系統能耗評價方法

對于涉及空氣源熱泵加熱系統的能耗評價，國內還沒有相應的評價規范，結合相關文獻，擬從經濟性分析、等價標煤量、COP 值、CO2減排量[11-12]4 個方面綜合考慮各類加熱系統的能耗水平。

2.1 經濟性分析基本原理

對于工程中的經濟分析，經濟學上一般采用靜態評價指標和動態評價指標兩種方法。考慮到投入資金的時間價值和評價的精確程度，采用動態費用年值法對加熱系統進行經濟性分析。引入動態評價法公式[13]:

式中：Z為加熱系統的費用年值，萬元；A為加熱系統年運行費用，萬元；a為貸款利率，%；n為加熱系統的運行年限，年；B為加熱系統所需投資費用，萬元。

進行加熱系統經濟性分析時，以動態費用年值作為評價標準。通過設定基本利率，查閱相關資料及工程實例確定系統運行1 年所需的費用、運行年限、投資費用，代入式（1）中，可計算出相應的費用年值。

2.2 等價標煤量計算基本原理

不同的加熱系統使用的能源存在著差異，耗能單位也不同，因此各系統的能耗無法進行直接比較，但各類能源都可以轉化為熱能。為便于進行對比分析，可選取某種統一的標準燃料作為基準，再通過各類能源的實際含熱量與標準燃料熱值之比即折標系數，對各類能源進行折算。依據GB 2589—1990《綜合能耗計算通則》規定，每千克含有7 29.3 MJ熱值的煤，稱為1 kg標準煤，表示符號為kgce。實際應用中，也可采用“噸標準煤”為單位，表示符號為tce[14-15]。

因此，各類加熱系統能耗均可轉換為等價標煤量，進行更為直觀的比較，計算公式為：

等價標煤量=實際年耗能×折標系數

各類原油加熱系統所需能源的等價折標系數見表1[15]。

表1 各類原油加熱系統所需能源的等價折標系數

2.3 COP值計算基本原理

熱泵的效能系數（COP）是評價熱泵節能性的最重要指標之一。根據熱力學第二定律，熱泵將低品位熱源的熱量品位提升，需要消耗一定的高品位能。熱泵的效能系數是指熱泵收益（供冷量或制熱量）與付出代價（所消耗的機械功或熱能）的比值，其大小反映出不同熱泵系統的節能情況。能效比數值越大，表明該熱泵使用時能源轉換效率越高，節省的電能就越多。效能系數的計算式為：

式中：Qy為系統的年供熱量，kW；Wy為系統的全年能耗，kW。

2.4 CO2減排量計算基本原理

隨著電能、燃氣等的大量使用，高品位能被不斷消耗[16]，環境污染情況也日漸嚴重。化石燃料的燃燒，必然產生大量CO2，而CO2正是全球變暖的元兇。因此，評價一個系統節能環保性的重要指標就是其CO2減排量[17]。

工程中一般采用的計算CO2減排量的方式為[18]：

式中：TCO2為系統運行年限內的CO2減排量，kg；Qs為系統年節能量，MJ；n為系統運行年限，年；W為標準煤的熱值，29.3 MJ；η為系統的熱效率，%；F為碳排放因子，kg碳/kg標準煤。

將加熱系統的年供熱量除去全年能耗，即可得到該系統的年節能量。系統的年供熱量可通過每日供熱量和年工作天數求取，即：

Qy=3 045 000 kJ×300=913 500 MJ

3 各類加熱系統能耗對比

以延長油田志丹采油廠某井為例，其基本運行參數為：冬季井口采出的原油平均初始溫度為10 ℃，設計的加熱原油加熱系統要求恒溫到45 ℃；采油廠的加熱系統每日使用時間為20 h，每日所需加熱的原油為30 m3，系統全年工作時間扣除檢修所需時間為300 d。

3.1 經濟性分析對比結果

1）原油加熱系統年運行費用A的確定。運行費用A主要涉及設備維護、運行耗能、設備折舊費用3個方面。其中，設備維護所需的費用和系統所需投資費用相關，大多數情況下為總投資費用的3%。

原油中含水率約為50%，水的比熱容為4.2 kJ/(kg·℃)，原油的比熱容取2 kJ/(kg·℃)，原油的密度取0.8 g/cm3，則整個系統的每日供熱量：

原油加熱系統的年耗能費用與其每日的供熱量、能源熱值、熱效率等有關，其關系式為：

式中：T為原油加熱系統的年耗能費用，萬元；Qd為原油加熱系統的日供熱量，kJ；D為原油加熱系統的年工作天數，d；p為能源價格，元/kW·h（以電能為例）；為能源的理論熱值，kcal/kW·h（以電能為例）；ηQ為系統的熱效率，%。

各類能源的單價均按陜西省相關部門2021年公布的價格進行計算，所需能源熱值和熱效率見表2。

表2 各類能源熱值、熱效率及價格

設備折舊費用計算采用年限平均法，計算公式為[19]：

式中：t為設備折舊費用，萬元；D為原油加熱系統的投資費用，萬元；c為預計凈殘差率，一般取4%。

2）貸款利率a暫取10%，進行相關計算。

3）原油加熱系統的可運行年限n，參照實際工程的最大使用年限，電鍋爐、燃煤鍋爐、燃氣鍋爐為10年，太陽能電輔、地源熱泵、空氣源熱泵為15年。

4）原油加熱系統所需投資費用B的確定。投資費用B包括加熱系統設備的購買、安裝、施工等費用。由于各系統未進行實際的具體設計，無法得知精確的投資費用，為進行計算比較，根據已知市場價格查得電鍋爐、燃煤鍋爐、燃氣鍋爐、空氣源熱泵的投資費用均為3萬元左右，費用相近，假設其投資費用為D；而地源熱泵投資費用為10 萬元左右，其投資費用為3D[20]。

將以上參數代入式（1）進行計算，各類原油加熱系統的經濟指標見表3。

表3 各類原油加熱系統經濟指標

對電鍋爐、燃油鍋爐、燃氣鍋爐進行比較，可以發現燃氣鍋爐的費用年值遠少于其他兩種鍋爐；對空氣源熱泵、太陽能電輔進行比較，空氣源熱泵費用年值明顯少于太陽能電輔；若投資費用B超過30萬元，太陽能電輔的費用年值少于燃氣鍋爐；若投資費用B超過1.26 萬元，空氣源熱泵的費用年值少于地源熱泵。

在運行費用A的比較中，可以得出空氣源熱泵、太陽能電輔具有一定的優勢。從實際角度出發，地源熱泵的初期投資金額最低為10 萬元左右，遠超1.26 萬元，因此空氣源熱泵雖然在年耗能以及運行費用上略高于地源熱泵，但考慮投資金額和成本，綜合經濟效率最好。

3.2 等價標煤量對比結果

依據2.2中等價標煤轉換原理及各類能源的折標系數，對各類原油加熱系統的能耗進行標煤折算對比，結果如圖3所示。

從圖3 中可以看出，諸多原油加熱系統的年能耗從大到小排序為：電鍋爐＞太陽能電輔＞燃氣鍋爐＞燃油鍋爐＞空氣源熱泵＞地源熱泵。空氣源熱泵加熱系統的年能耗經過轉換，約為23.15 t 的等價標煤，與最低能耗的加熱系統——地源熱泵相差2.87 t的等價標煤，具有較好的節能性，能耗相對較低。

圖3 各類原油加熱系統年能耗轉換為折標煤量

3.3 COP值與CO2減排量對比結果

通過對經濟效率以及耗能的分析，太陽能電輔、地源熱泵、空氣源熱泵加熱系統具有較大的優勢，且是原油加熱系統未來的主要發展方向。因此，重點比較這3 種加熱系統的COP 值和CO2減排量，如圖所示4。

圖4 各類原油加熱系統COP值及CO2減排量

在原油加熱系統的使用年限內，太陽能電輔系統的CO2減排量最多，達485.08 t；空氣源熱泵次之，為302.98 t；地源熱泵的CO2減排量最少。同等情況下，地源熱泵的COP 值可達4.0，空氣源熱泵的COP值為3.5，太陽能電輔系統的COP 值最低，為2.25。綜合分析看，空氣源熱泵在CO2減排和熱泵效能方面均具有較大的優勢，節能環保效益明顯。

4 結論

1）依據動態年值法，空氣源熱泵在投資金額超過1.26萬元時，費用年值低于其他加熱系統。

2）進行等價標煤折算對比，空氣源熱泵在工作年限內消耗的等價標煤量略高于地源熱泵，遠低于其他加熱系統。

3）空氣源熱泵的CO2減排量低于太陽能電輔，高于地源熱泵；運行時的COP 值略低于地源熱泵，遠高于太陽能電輔。

4）從上述角度綜合分析，空氣源熱泵加熱系統在能耗上與其他5種常用加熱系統相比具有顯著的優勢，但具體實施方案仍需要對能源價格、利率、環境等因素加以考慮，才能確定。