CO2熱泵技術在采油廠的應用前景研究

林魁

(福建雪人制冷設備有限公司,福建 福州 350200)

我國的油田主要分布于東北、華北、西北等高緯度嚴寒地區(qū),如長慶油田、大慶油田、勝利油田、延長油田、塔里木油田、克拉瑪依油田渤海油田、中原油田等。且油田內各個采油廠往往分布距離較遠,通常距離幾百米至幾千米不等,難以實現(xiàn)大規(guī)模集中供熱。各采油廠多采用傳統(tǒng)的小型燃煤鍋爐或燃氣鍋爐來滿足廠區(qū)的用熱需求。隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展,節(jié)能環(huán)保已經(jīng)越來越得到重視。在國家《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》及實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”的背景下,開展燃煤鍋爐綜合整治成為重要的一環(huán)。以延長油田為例,陜西省榆林市政府規(guī)定全市不再新建每小時 35 t以下的燃煤鍋爐,全面淘汰每小時 10 t及以下燃煤鍋爐。因此采油廠的小型燃煤鍋爐清潔替代技術的研究與應用迫在眉睫,既要滿足生產(chǎn)工藝的用熱需求,又要符合雙碳戰(zhàn)略的環(huán)保要求。

1 采油廠的用熱需求及現(xiàn)狀

由于油田主要分布于高緯度嚴寒地區(qū)且地處偏遠,冬季氣溫可低至零下二三十攝氏度,極端惡劣天氣氣溫低至零下三四十攝氏度,對于站場工作人員的生產(chǎn)和生活用房存在需要在嚴寒環(huán)境下穩(wěn)定采暖的需求。

原油生產(chǎn)輸送過程主要依托單井管線匯集到增壓點站,輸送到接轉站后集中外輸,原油的脫水溫度為45 ℃,輸送溫度為25～60 ℃。我國的油田所產(chǎn)的原油大多數(shù)為高含蠟原油,蠟的含量多為15%～37%,有的甚至更高。由于受氣溫及原油品質的影響,如果輸入溫度過低就會發(fā)生原油凝固或凝結,使得原油的黏度增大,流動性減弱。這會造成單晶輸油管線結蠟導致堵塞。不僅會影響管線輸送效率,并且會使油井井口回壓升高,抽油機負荷增大。因此為了保障原油的正常生產(chǎn)和輸送,需要將井場原油加熱到50～60 ℃[1]。原油從井場采集輸送到接轉站后,需要儲存在油罐中再定期由槽車運輸走,為了保障油罐卸油順暢因此也需要對油罐進行伴熱保持原油的流動性。目前大部分油罐的伴熱多是采用電加熱器或水套爐加熱,通過燃燒煤或天然氣來提供所需的熱量。

綜上,采油廠的用熱需求主要分為:1)聯(lián)合站的采暖,主要用于站場、生產(chǎn)輔助用房的生產(chǎn)用熱和采暖;2)井場原油管道的加熱;3)接轉站內的油罐的伴熱;4)其他應用[2]。

長期以來采油廠的供熱主要采用小型燃煤鍋爐或燃氣鍋爐等方式,但由于小型鍋爐的燃燒條件不理想,往往燃燒不充分,不僅影響加熱效果,還會造成能源的浪費和環(huán)境污染[1]。并且鍋爐屬于特種設備,需要專人運行維護,每年還需要進行年檢,運行費用較高。

隨著國家“碳達峰、碳中和”目標的提出,燃煤鍋爐的高能耗、污染物排放等問題愈加凸顯,油田作為用能大戶,采用清潔環(huán)保的供熱方式替代傳統(tǒng)的燃煤鍋爐,是實現(xiàn)綠色低碳循環(huán)發(fā)展的必由之路[3]。

目前油田加熱爐清潔替代技術路線主要有太陽能、電鍋爐、污水源熱泵、空氣源熱泵等方式。江蘇油田采用了以太陽能為主輔助電加熱系統(tǒng)的供熱模式,取代了傳統(tǒng)的加熱爐,但由于太陽能集熱受到太陽能輻射條件的制約,容易出現(xiàn)陰雨天無法供熱的現(xiàn)象,在晚間和太陽輻射不強時,仍然依賴于電加熱器加熱[4]。延長油田定邊采油廠采用0.6 MW電鍋爐替代原有的燃煤鍋爐用于油罐伴熱,年耗電量高達125萬kWh,這些采用以電加熱為主的供暖方式運行成本極高。同時由于電加熱器加熱溫度很高,容易導致電加熱器表面原油結焦損壞電加熱器,需要定期更換維護。

污水源熱泵有較高的能效,但在許多油田中污水資源相對匱乏無法滿足污水源熱泵的使用需求量。空氣源取之不盡用之不竭,可以全天候運行,但由于嚴寒地區(qū)冬季氣溫極低,普通的空氣源熱泵在低于-25 ℃低溫下往往無法正常運行,普通的空氣源熱泵多采用傳統(tǒng)的氟利昂制冷劑,如R22(二氟一氯甲烷)、R410A(50%二氟甲烷和50%五氟乙烷混合)、R134a(四氟乙烷),這些制冷劑普遍存在加熱溫度受環(huán)境溫度限制,低溫環(huán)境下能效低的問題,熱泵的出水溫度在低溫環(huán)境下通常低于50 ℃,無法滿足井場原油加熱和油罐伴熱的供熱需求。同時這些氟利昂制冷劑會造成溫室效應,對環(huán)境存在影響。

空氣源熱泵技術在原油供熱系統(tǒng)中應用越來越廣泛,目前應用的普通氟利昂單級式空氣源熱泵在環(huán)境溫度較低時適應性差、制熱效果差[5]。并且普通氟利昂空氣源熱泵在蒸發(fā)器結霜之后很難產(chǎn)生有效的熱量進行除霜,導致蒸發(fā)器一旦結霜后便無法正常運行影響生產(chǎn)工藝需求。因此一種可以在低環(huán)溫下正常工作并且能夠保障高出水溫度的空氣源熱泵具有廣泛的應用前景。同時隨著《〈蒙特利爾議定書〉基加利修正案》的正式生效,傳統(tǒng)的氟利昂制冷劑如R22、R410A、R134a等將會逐步淘汰,從環(huán)保角度出發(fā),空氣源熱泵所采用的工質也應該采用低GWP的環(huán)保工質。

2 CO2熱泵技術介紹

熱泵(Heat Pump)是一種在高位能(一般為電能、熱能)的驅動下,將低位熱源(通常是空氣、水或土壤)的熱能轉移到高位熱源的裝置。在熱泵循環(huán)中,從低溫熱源吸收熱量,消耗一定的機械功,并將熱量傳給高溫熱源。CO2熱泵是以天然冷媒CO2為循環(huán)工質,從空氣中獲取低品位熱能作為能源,產(chǎn)生高溫熱水的機組。可以在-35～43 ℃寬泛環(huán)境溫度下生產(chǎn)高達90 ℃熱水。

2.1 CO2熱泵機組構成

CO2熱泵機組主要由CO2跨臨界壓縮機、氣體冷卻器、回熱器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器組成,如圖1所示,機組內換熱介質為CO2,圖2為CO2熱泵機組外形圖。

1. 壓縮機;2.氣體冷卻器;3. 回熱器;4. 節(jié)流閥;5. 蒸發(fā)器。圖1 CO2熱泵機組結構示意圖

圖2 CO2熱泵機組外形圖

2.2 CO2熱泵工作原理

在CO2制熱工況下,壓縮機1排出的高溫高壓CO2超臨界氣體進入氣體冷卻器2,與水換熱制出熱水。高溫CO2熱氣與水換熱后溫度降低,進入回熱器3中繼續(xù)與壓縮機1回氣進行換熱,可以提高系統(tǒng)的能效值COP。溫度進一步降低的CO2低溫超臨界氣體經(jīng)過節(jié)流閥4進行節(jié)流減壓后進入兩相區(qū),變成CO2氣液混合物后進入蒸發(fā)器5中吸收空氣中的熱量蒸發(fā)為氣態(tài)。低溫低壓的CO2氣體經(jīng)過回熱器3的預熱,回到壓縮機1進行壓縮,如此形成系統(tǒng)循環(huán)。

2.3 CO2熱泵的特點

1)采用天然冷媒CO2為循環(huán)工質,GWP值為1,綠色環(huán)保。

2)應用范圍廣泛,環(huán)境溫度從-35～43 ℃均可運行;可以滿足嚴寒地區(qū)的正常使用。

3)采用CO2跨臨界循環(huán),最高出水溫度高達90 ℃,可滿足采暖或原油加熱伴熱等各種用熱需求。

4)能效高,相同工況下較普通氟利昂空氣源熱泵能效高20%以上,符合節(jié)能降碳的需求。

5)高效穩(wěn)定除霜,可以在嚴寒地區(qū)穩(wěn)定除霜,保障設備正常運行。

2.4 為何選擇CO2

CO2作為最典型的自然工質,它的特性相較于其他制冷劑具有明顯的優(yōu)勢,主要包括:1)廉價性,CO2在自然環(huán)境中數(shù)量巨大,來源十分廣泛,容易獲取,并且是很多工業(yè)過程的廢氣,價格十分低廉,但需要注意的是CO2熱泵所需要的CO2制冷劑需要純度99.99%以上,以免其中含水量較大會引起管道腐蝕。2)環(huán)境友好,CO2本身存在于自然環(huán)境中,不會對環(huán)境造成破壞。即使發(fā)生泄漏也不會有任何影響。3)安全性,CO2本身無毒、不可燃、不爆炸、無色無味,相對比較安全。唯一需要注意的是CO2熱泵系統(tǒng)壓力較高,以及CO2具有窒息性,密閉空間中需要注意。在油田中CO2熱泵產(chǎn)品多為戶外安裝,就不會有這方面的安全隱患。

3 CO2熱泵在采油廠的應用節(jié)能分析

1)CO2熱泵可在低環(huán)溫下穩(wěn)定制取高溫熱水的特性特別適合采用廠的用熱需求,目前CO2熱泵主要分為CO2熱泵熱水機組和CO2熱泵采暖機組,針對站場、生產(chǎn)輔助用房的采暖需求可以選用CO2熱泵采暖機組,采用暖氣片55 ℃供水條件下IPLV(H)可達2.44,超過空氣源熱泵一級能效的指導值2.1,具有良好的節(jié)能特性,相較電鍋爐運行費用節(jié)省60%。

如圖3所示,CO2熱泵聯(lián)合站采暖中通過CO2熱泵采暖機獲取空氣中的熱量作為熱源,產(chǎn)生55 ℃的采暖熱水儲存在儲水箱中,再通過水泵輸送至各個需要采暖的區(qū)域。

圖3 CO2熱泵聯(lián)合站采暖流程圖

2)針對井場管道原油加熱可以采用CO2熱泵熱水機組,特別適合大溫差換熱,以單井原油從15 ℃加熱至55 ℃為例,原油和水的混合物綜合比熱容約為3.2 kJ/kg,則每小時2 t的單井熱負荷為71.1 kW,CO2熱泵熱水機組的年平均制熱COP為3.8,則單井配套一臺CO2熱泵年運行費用約為9.8萬元,平均電價按0.6元計算。較使用電鍋爐的運行費用39.2萬元節(jié)約了75%,節(jié)能效果非常顯著。

如圖4所示,從油井來的低溫黏稠的原油,傳統(tǒng)工藝使用電伴熱等方式進行加熱后輸送,可以將CO2熱泵熱水機作為電伴熱的旁通管路,將原油管路通過閥門切換至CO2熱泵熱水機這條管路上,將原油加熱至55 ℃后進行輸送。

圖4 CO2熱泵井場原油加熱流程圖

3)針對定邊采油廠東關采油站1 827集輸點的油罐伴熱進行節(jié)能改造,該采油站在榆林市環(huán)保政策要求下淘汰了小型燃煤鍋爐,投資了一套0.6 MW的電鍋爐,生產(chǎn)65 ℃的熱水用于10個原油罐伴熱使用。節(jié)能改造前,電鍋爐年總耗電量為125萬kWh,平均日耗電量約3 400 kWh,年運行費用達到約74.5萬元,平均電價按0.6元計算。采用3臺CO2熱泵機組進行節(jié)能改造可滿足制熱量的需求,運行成本與其他加熱方式費用對比如表1所示。

表1 運行費用對比

如圖5所示,通過3臺CO2熱泵產(chǎn)生65 ℃的熱水,通過水泵輸送至儲油罐。儲油罐的內部結構是具有一個水套加熱盤管,通過65 ℃的熱水在盤管中流動,可以將油罐內的原油溫度維持在50～60 ℃。因此原油具有良好的流動性,可以隨時卸油注入油罐車。加熱后的熱水溫度降至55～60 ℃后回到CO2熱泵重新進行加熱,如此循環(huán)。

圖5 CO2熱泵油罐伴熱流程圖

由表1可以看出,采用CO2熱泵對比電鍋爐運行成本可節(jié)約59%,較燃氣鍋爐可節(jié)約43%同時更加清潔環(huán)保。

綜上可知,采用CO2熱泵作為采油廠燃煤鍋爐清潔替代技術具有極高的經(jīng)濟性。

4 總結

1)針對采用廠用熱需求分析及運行現(xiàn)狀的梳理,總結出采用CO2熱泵作為采油廠燃煤鍋爐清潔替代技術的可行性。

2)針對延長油田定邊采油廠實際項目對廠房采暖、井場原油加熱、油罐伴熱系統(tǒng)采用CO2熱泵的運行成本與電鍋爐的運行成本進行比較,節(jié)能率達59%～75%,總結出采用CO2熱泵作為采油廠燃煤鍋爐清潔替代技術的經(jīng)濟性。

3)CO2熱泵產(chǎn)品技術可在采油廠及其他類似供熱系統(tǒng)中推廣應用[6]。

4)CO2作為天然環(huán)保的工質,對環(huán)境沒有污染,推廣和應用CO2熱泵是符合我國“碳達峰、碳中和”背景下節(jié)能降碳的重要舉措。CO2熱泵在采油廠的清潔供熱中具有廣泛的應用前景。