熱泵提取含油污水余熱技術的創(chuàng)新與應用

王琦（大慶油田有限責任公司第二采油廠）

目前，大慶油田已進入特高含水開發(fā)后期，某油田區(qū)塊回注含油污水可利用低溫余熱量約為224 MW；而其生產(chǎn)過程中摻水、熱洗、采出液外輸均需要加熱升溫，熱量消耗巨大，現(xiàn)有加熱工藝主要是通過加熱爐燃燒天然氣生產(chǎn)熱能。某油田區(qū)塊在用加熱爐約540 套，用熱量約為510 MW；辦公、生活配套采暖總面積約56×104m2，用熱量在60 MW 左右，合計約570 MW。為更好的降低運行成本，盡早實現(xiàn)“雙碳”目標，余熱利用越發(fā)緊迫。

熱泵技術具有環(huán)保、高效等特點，因此，國內(nèi)各油田多次應用熱泵技術回收油田污水余熱，取得了較好的節(jié)能效果[1-5]。熱泵含油污水低溫余熱提取工藝方面，目前大慶油田普遍采用較為成熟的中間換熱工藝流程，但投資成本高，運行效率低。在直進流程研究上，僅分析了污垢系數(shù)對蒸發(fā)器換熱系數(shù)和換熱器換熱量的影響，沒有提出解決措施，更沒有對蒸發(fā)器結(jié)構進行改進[6-9]。現(xiàn)大慶油田應用的熱泵普遍COP 較低，經(jīng)濟效益較差，制約了熱泵機組在大慶油田節(jié)能降耗的推廣應用，如何提高COP以滿足低溫余熱利用的節(jié)能環(huán)保效果，實現(xiàn)經(jīng)濟可行性，是大慶油田新能源開發(fā)應用戰(zhàn)略的關鍵問題。

1 提高熱泵COP 理論研究

1.1 工作原理

熱泵運行原理共分為三個過程。

吸熱過程：熱泵機組的介質(zhì)通過節(jié)流閥膨脹，在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)，會吸收大量熱量，在油田污水工況下，介質(zhì)的蒸發(fā)溫度為5 ℃左右，此時30 ℃左右的油田水在蒸發(fā)器中經(jīng)過，與5 ℃的介質(zhì)換熱，并將熱量釋放給介質(zhì)，介質(zhì)吸收熱量蒸發(fā)，進入壓縮機。

壓縮過程：機組自身介質(zhì)循環(huán)，蒸發(fā)的氣體被壓縮機吸入并壓縮，變成高溫、高壓的氣體，進入冷凝器，實現(xiàn)熱量向冷凝器轉(zhuǎn)化的過程，而冷凝器是與供熱系統(tǒng)連接。

放熱過程：機組的高溫、高壓的介質(zhì)進入冷凝器冷凝，放出熱量，并與供熱系統(tǒng)水進行熱交換，實現(xiàn)將在蒸發(fā)器內(nèi)吸收的熱量和輸入的電能的總和輸出給供熱系統(tǒng)水的過程，供熱系統(tǒng)水達到了升溫的目的。

熱泵性能系數(shù)（Coefficient Of Performance，簡稱COP）為制熱量與制熱消耗功率之比。COP 越大，說明制熱量越大，耗電量越小。熱泵COP 是消耗1 單位的電能便可帶來4 單位的熱量。所以，對熱泵COP 穩(wěn)定性的研究是能否準確量化出熱泵所能節(jié)約的能量的關鍵因素。根據(jù)理想的逆卡諾循環(huán)，通過公式（1）可知降低冷熱源溫差，可以提高熱泵ηCOP。

式中：ηCOP為熱泵性能系數(shù)（制熱）；T0為蒸發(fā)溫度，℃；Tk為冷凝溫度，℃。

通過對ηCOP分別求T0和Tk的偏導數(shù)，得出公式（2）：

即蒸發(fā)溫度T0對ηCOP的影響大于冷凝溫度Tk。溫熵圖見圖1，壓焓圖見圖2，在冷凝溫度不變的情況下，通過提高蒸發(fā)溫度可以降低溫差，同時壓縮機吸氣比容變小，制冷劑質(zhì)量流量變大，單位制熱量增大，單位容積制熱量變大，壓縮機排氣溫度降低，制熱量變大，單位壓縮功減小，COP增大。

圖1 溫熵圖Fig.1 Temperature entropy

圖2 壓焓圖Fig.2 Pressure enthalpy diagram

因此提高蒸發(fā)溫度可顯著提高COP，針對油田工況，通過含油污水直進的方式可有效提高蒸發(fā)溫度，較中間換熱工藝相比提高5 ℃，間接式單蒸發(fā)器熱泵工藝見圖3、直進式雙蒸發(fā)器熱泵工藝見圖4。

圖3 間接式單蒸發(fā)器熱泵工藝Fig.3 Heat pump process of single evaporator with indirect

圖4 直進式雙蒸發(fā)器熱泵工藝Fig.4 Heat pump process of double evaporator with direct entry

1.2 經(jīng)濟對比

含油污水中間換熱工藝為含油污水接不直進入熱泵，在含油污水和熱泵中間加設換熱環(huán)節(jié)，將其分開，需建設板式換熱器、中間循環(huán)水泵、緩沖水箱、循環(huán)管路及配件，以及電氣、自控、土建基礎等配套設施。以3 臺1.6 MW 熱泵為例，該部分投資估算184.3 萬元。

含油污水直進熱泵工藝為在現(xiàn)有熱泵基礎上，增設前置蒸發(fā)換熱器，配套土建、工藝管線閥門等設施，以3 臺1.6 MW 熱泵為例，投資估算196.1 萬元。兩種工藝運行費用對比見表1、整體工藝對比見表2。

表1 運行費用對比Tab.1 Comparison of operation cost

表2 整體工藝對比Tab.2 Comparison of overall process

中間換熱工藝，比較成熟，但COP 值較低，運行費用比直進工藝多23 萬元，投資也比直進工藝多11.8 萬元。系統(tǒng)清洗由清洗維護換熱器，改為蒸發(fā)器。在無人值守的情況下，多出的中間環(huán)路，加大了運行管理難度。直進熱泵工藝，明顯優(yōu)于中間換熱工藝。由于板式換熱器可定期拆解清洗，而熱泵蒸發(fā)器可機械通管清洗，同時定期清洗可安排在熱泵停運期進行，采暖停運后進行全面清洗。綜合考慮，優(yōu)選含油污水直進熱泵工藝。

2 提高熱泵運行COP 研究

2.1 存在的問題及原因

結(jié)合以往油田含油污水直進熱泵項目，直進熱泵陸續(xù)暴露出以下兩個問題：

一是運行COP 低。熱泵投運初期，蒸發(fā)溫度約為35 ℃，運行1 個月后，蒸發(fā)溫度明顯降低，約為27 ℃，對熱泵進行清洗后，有所改善，溫度約為30 ℃。造成運行COP 明顯低于理論COP。

二是供熱能力不足。實際制熱量出力小于設計制熱量，并會持續(xù)衰減。

分析原因主要是熱泵蒸發(fā)器按照空調(diào)水標準進行配置，熱泵污垢系數(shù)為0.086 m2·℃/kW，但含油污水直進后由于含油污水中殘留少量的油、聚合物、顆粒懸浮物，在管道內(nèi)輸送沒有問題，但在熱泵蒸發(fā)器內(nèi)會逐漸聚集，長期累積，降低蒸發(fā)效果，促使蒸發(fā)溫度下降嚴重，消耗功上升[10]。從而造成了運行COP 低，供熱能力不足。

2.2 含油污水水質(zhì)影響因素分析

某聯(lián)合站深污含油污水水質(zhì)及常規(guī)熱泵蒸發(fā)器水質(zhì)指標及限值見表3。

表3 某聯(lián)合站深污含油污水水質(zhì)及常規(guī)熱泵蒸發(fā)器水質(zhì)指標及限值Tab.3 Indicators and limits of water quality of deep oily sewage and water quality of conventional heat pump evaporator at a combined station

含油污水具有下列特點：腐蝕性強，現(xiàn)熱泵蒸發(fā)器采用紫銅材質(zhì)，耐氯200 mg/L，低于含油污水中氯離子含量1 092 mg/L；油污易掛壁，含油污水中含油，空調(diào)水中不含油；雜質(zhì)多，含油污水有可見懸浮固體顆粒；聚合物含量多，深污含聚濃度最低值為154.9 mg/L。

2.3 解決方案

針對含油污水水質(zhì)運行蒸發(fā)溫度的影響，傳統(tǒng)的解決思路是進一步清潔水質(zhì)，以適應傳統(tǒng)的單蒸發(fā)器熱泵，但處理工藝極其復雜，無法實現(xiàn)。創(chuàng)新性思維開發(fā)油田型直進式熱泵，適應含油污水水質(zhì)要素分析見表4，讓熱泵適應油田含油污水水質(zhì)。

表4 適應含油污水水質(zhì)要素分析Tab.4 Adapt the analysis of water quality elements of oil sewage

改造熱泵蒸發(fā)器，熱泵適應油田含油污水水質(zhì)。一是在換熱管材質(zhì)上，將常規(guī)熱泵工藝的普通紫銅管改進為合金防腐鎳白銅換熱管；二是在蒸發(fā)器換熱管結(jié)構上，較常規(guī)增大換熱管直徑，將常規(guī)內(nèi)螺紋結(jié)構改進為光管結(jié)構，以減少污垢附著；三是適配蒸發(fā)器，針對污垢系數(shù)增大，重新核算蒸發(fā)換熱面積[11-12]。

2.4 蒸發(fā)面積確定

以1.6 MW 熱泵機組為例，估算蒸發(fā)換熱面積計算方法：

式中：F為壓縮機換熱面積，m2；Qe為低溫熱源回收熱量，W，理想情況下為12.8×105；Δtm為對數(shù)平均溫差，℃，可按3.3 ℃考慮；K為平均傳熱系數(shù)，W/m2·℃。

由于對高效外螺紋管R134a 與水交換，傳熱系數(shù)K1計算取整數(shù)值1 800 W/m2·℃；對內(nèi)光管R134a 與水交換，傳熱系數(shù)K2計算取整數(shù)值1 000 W/m2·℃；因此平均傳熱系數(shù)K計算取值1 400 W/m2·℃。經(jīng)計算，換熱面積F取整后選用280 m2外螺紋內(nèi)光管防腐滿液式蒸發(fā)器。

2.5 技術難點

傳統(tǒng)熱泵的單蒸發(fā)器換熱面積為150～160 m2，當單蒸發(fā)器換熱面積增加到280 m2時，存在以下難點：熱泵壓縮機吸氣口過流面積過小，無法滿足280 m2相對性的蒸發(fā)量；在制熱量不變的情況下，熱泵工質(zhì)循環(huán)無法滿足熱泵蒸發(fā)器容積的擴大；在制熱量不變的情況下，工質(zhì)與潤滑油的分離無法適應蒸發(fā)面積的擴大。

2.6 解決方案

采用雙蒸發(fā)器直進式熱泵工藝，創(chuàng)新開發(fā)出油田型熱泵機組，可以很好的解決上述問題。

1）采用雙蒸發(fā)器，單蒸發(fā)器面積為140 m2；增大壓縮機壓縮室的壓縮容積以達到增大壓縮機吸排氣口的過流面積的目的。加裝壓縮機進排氣口的流量調(diào)節(jié)裝置，適用于單、雙蒸發(fā)器運行的雙重工況變化。

2）工質(zhì)循環(huán)改為相對獨立的兩套循環(huán)系統(tǒng)，適配工質(zhì)沖注量。

3）在蒸發(fā)器前設置一套集分回油裝置，對兩套蒸發(fā)器的工質(zhì)和潤滑油進行相對獨立的分離后再匯集的油分工藝。

2.7 運行COP 分析

以某熱泵站為例，以1.6 MW 為例對熱泵機組平均COP 值計算見表5，實際運行COP 為4.54。

表5 COP 值計算Tab.6 COP value calculation

3 應用實例

2021 年大慶油田某油田區(qū)塊在鍋爐房原址新建一座4.8 MW 熱泵站，設置3 臺1.6 MW 雙蒸發(fā)器直進式熱泵機組，為周邊區(qū)域集中供熱。保證采暖伴熱效果、提高熱泵COP、節(jié)約天然氣、驗證雙蒸發(fā)器直進熱泵的可行性。

3.1 試驗效果

該集中供熱區(qū)域原為鍋爐房供熱，整體采暖效果較差，個別房間溫度為17 ℃，需輔助電采暖，原鍋爐房年采暖耗氣量為184.5×104Nm3，用水量為0.4.5×104m3，耗電量為30.3×104kWh，運行費用525.4 萬元。

該項目于2021 年11 月25 日投產(chǎn)，運行至今，采暖效果良好，室內(nèi)溫度達到22～24 ℃，往年只有17～19 ℃。

通過熱泵站的運行效果跟蹤，熱泵站運行溫度統(tǒng)計見表6，可見熱泵進水溫度由30 ℃提高到35 ℃，經(jīng)過兩個月的嚴寒期運行，熱泵低溫余熱進出口溫差約為5 ℃左右，蒸發(fā)溫度較單蒸發(fā)器熱泵明顯提高。

表6 熱泵站運行溫度統(tǒng)計Tab.6 Statistics of operating temperature of heat pump station ℃

3.2 熱泵站實測運行COP

熱泵站項目在供熱總干管2#熱泵供熱支管設置了熱計量裝置，同時熱泵耗電設置了電量表，熱泵機組運行數(shù)據(jù)見表7。通過對數(shù)據(jù)的計算分析，熱泵站總運行COP 為4.85，2#單臺熱泵運行COP 為4.82，對比其他在運的熱泵COP 值（3.60～4.20），COP 值提高14.8%～33.3%。

表7 熱泵機組運行數(shù)據(jù)Tab.7 Operation data of heat pump station

4 效益及前景

該項目投資1 415 萬元，稅后財務內(nèi)部收益率為16%，年經(jīng)濟效益為287.8 萬元，靜態(tài)投資回收期4.8 a。年節(jié)約標煤為0.16×104t，年CO2減排量為0.43×104t。

采用該熱泵站模式，以區(qū)域內(nèi)規(guī)模較大的含油污水站為中心，為油田站場廠房采暖、工藝伴熱及礦大隊、周邊小隊點采暖供熱，大慶油田某油田區(qū)地段初步統(tǒng)計16 處具備區(qū)域集中供熱改造潛力62 MW，余熱利用規(guī)模47 MW。預計年節(jié)約天然氣2 416×104Nm3，節(jié)約標煤2.14×104t；CO2減排5.6×104t。減 少 勞 動 用 工80 人，年 經(jīng) 濟 效益3 928 萬元。

5 結(jié)論

1）雙蒸發(fā)器含油污水直進熱泵工藝采用含油污水直接與蒸發(fā)器換熱的方式，較常規(guī)的中間換熱工藝相比，蒸發(fā)溫度可以提高5 ℃。

2）在熱泵機組蒸發(fā)器換熱管材質(zhì)、結(jié)構和蒸發(fā)器面積上進行改進，使熱泵有效適應油田含油污水水質(zhì)。

3）雙蒸發(fā)器含油污水直進熱泵工藝在某熱泵站進行了現(xiàn)場應用，機組實測COP 為4.82，供熱范圍內(nèi)室內(nèi)溫度不低于22 ℃，應用效果良好。

4）熱泵機組采用螺桿式電動壓縮機組，年節(jié)氣量184.5×104Nm3，年經(jīng)濟效益287.8 萬元，年節(jié)約標煤0.16×104t。