驅動源及低溫熱源雙向梯級利用熱泵工藝研究

王琦 （大慶油田有限責任公司第二采油廠）

大慶油田具有大量的含油污水低溫余熱資源，吸收式熱泵對含油污水余熱進行回收是一個提高能源利用率的有效手段[1]。國內專家和學者主要對吸收式熱泵的工質對、吸收器和吸收循環進行了研究，特別是吸收循環環節內發生器部分的驅動熱源是人們研究的重點[2-3]。但驅動源大多為一次性驅動熱源，同時低溫余熱提取工藝也為一次性提取，未能充分發揮驅動源的做功能力和低溫熱源的提取效率。傳統的吸收式熱泵的技術路徑為低壓蒸汽鍋爐-溴化鋰吸收式熱泵；驅動源和低溫熱源雙向梯級利用熱泵工藝（以下簡稱“雙向梯級利用熱泵工藝”）的技術路徑為中溫中壓鍋爐-蒸汽直拖離心熱泵-溴化鋰吸收式熱泵；低溫熱源為含油污水-溴化鋰吸收式熱泵-蒸汽直拖離心熱泵。但由于吸收式熱泵制熱過程的低溫熱源、驅動源與供熱熱媒之間相互關聯且相互制約，所以雙向梯級熱泵利用工藝較傳統吸收式熱泵工藝更為復雜，只有通過詳細論證，才能具有實踐指導意義，同時需結合油田實際供熱工況，方能定量論證。

大慶油田某集中供熱區域總供暖面積約173×104m2，采暖熱負荷85 MW，供回水溫度65 ℃/45 ℃。由多座燃煤鍋爐房供熱，能耗高、環保壓力大，急需進行改造，擬采用含油污水低溫余熱供熱?，F利用其中一座規模較大的處于區域中心的燃煤鍋爐房進行改造，新建蒸汽鍋爐產生蒸汽驅動熱泵提取油田含油污水低溫余熱，實現集中供熱，同時降低污染排放，達到節能、環保的目的。該鍋爐房位于油田生產核心區域，含油污水回注量較大，余熱量充足。周邊1.5 km 范圍內有5 座含油污水站，日總處理量10.7×104m3～11.4×104m3，擬利用其中較近的兩座污水站，日處理量為5.9×104m3。

1 邊界條件分析

1.1 低溫熱源邊界條件

溴化鋰是無色粒狀結晶物，其性質與食鹽相似，化學穩定性好，在大氣中不會變質、分解或揮發，極易溶解于水。此外，溴化鋰無毒，對皮膚無刺激。無水溴化鋰熔點549 ℃，沸點1 265 ℃。固體溴化鋰通常會含有一個或兩個結晶水，分子式為LiBr·H2O 或LiBr·2H2O。溴化鋰-水工質對的二元溶液飽和蒸汽壓的大小由溶液的溫度和質量濃度確定。溴化鋰具有極強的吸水性，水溶液對一般金屬有腐蝕性。溴化鋰水溶液凝固曲線見圖1，析冰線和析鹽線以上為溴化鋰水溶液，如果濃度低于合晶點濃度，隨著溫度下降，溴化鋰水溶液會析冰，濃度高于合晶點濃度，隨著溫度下降，溴化鋰水溶液會析鹽。如果溴化鋰水溶液濃度為61%保持不變，溫度下降到析鹽線出現成結晶現象， 析出LiBr·2H2O； 如果溫度不變， 濃度升高析出LiBr·H2O，此外在20 ℃，析鹽線對應濃度為61%，也就是說20℃下濃度61%左右，溴化鋰水溶液就會結晶[4]。因而裝置在運行時，為防止溴化鋰吸收式熱泵裝置堵塞故障，溴化鋰水溶液的溫度應該至少比其結晶溫度高5 ℃，因此蒸發溫度不能低于25 ℃。

圖1 溴化鋰水溶液凝固曲線Fig.1 Solidification curve of lithium bromide aqueous solution

大慶油田含油污水來水溫度一般為35～32 ℃，由上述分析可知，利用吸收式熱泵提取熱量后含油污水最低溫度不能低于25 ℃。

1.2 單效吸收式熱泵最高出水溫度

常用的溴化鋰吸收式熱泵主要應用水蒸氣相變制熱，溴化鋰吸收式熱泵原理見圖2，單效吸收式熱泵理論循環中，假定工質流動無損失，因此在熱交換設備內進行的是等壓過程，發生器壓力Pg等于冷凝壓力Pk，吸收器壓力Pa等于蒸發壓力P0；發生過程和吸收過程終了的溶液狀態，以及冷凝過程和蒸發過程終了的制冷劑狀態都是飽和狀態。決定吸收式熱力過程的外部條件是三個溫度，被冷卻介質溫度tc、冷卻介質溫度tw和熱源溫度tg，他們分別影響著機組的各個內部參數。被冷卻介質溫度tc決定了蒸發壓力P0和蒸發溫度t0；冷卻介質溫度tw決定了冷凝壓力Pk、冷凝溫度tk及吸收器內溶液的最低溫度t1；熱源溫度tg決定了發生器內溶液的最高溫度t4，進而P0和t1又決定了稀溶液濃度ζw。Pk和t4決定了濃溶液溫度、濃溶液濃度等[5]。

圖2 溴化鋰吸收式熱泵原理Fig.2 Principle of lithium bromide absorption heat pump

現有研究通過對溴化鋰各物性參數進行分析，為了防止溶液發生結晶，單效吸收式熱泵將濃溶液的濃度設定為62.67%，稀溶液質量分數上限設定為60%[6-7]。由于驅動源為蒸汽，現有工藝蒸汽為低壓1.0 MPa，輸送到熱用戶的蒸汽為0.6～0.8 MPa，由此該研究驅動熱源為0.6 MPa，對應飽和蒸汽溫度為159 ℃。含油污水低溫熱源供水溫度為35 ℃時，理論極限熱水供水溫度為75 ℃[8]。滿足大慶油田分散供熱熱用戶冬季供水溫度60～65 ℃的要求。

1.3 雙效吸收式熱泵最高供水溫度

雙效吸收式熱泵的發生器有兩個，一個是高壓發生器，一個是低壓發生器，高壓發生器溶液最高溫度和溶液壓力與熱源溫度有關，低壓發生器壓力與冷卻水溫度有關，由于高壓發生器壓力大于冷凝器壓力，導致吸收器入口溶液溫度高， 因此較單效吸收式熱泵不容易結晶，同時吸收熱輸出比例高，發生器耗熱量減少。油田工況下，余熱側低溫熱源供回水溫度35 ℃/25 ℃，受溶液濃度和制冷劑溫度影響，現有工程實例和研究表明，采用165 ℃飽和溫度的蒸汽驅動雙效溴化鋰吸收式熱泵， 回收36 ℃余熱水的熱量， 可提供60 ℃的熱輸出用于供熱[9]。雙效吸收式熱泵冷卻水最高出水溫度為60 ℃[10]。

1.4 蒸汽直拖離心熱泵的原理及邊界條件

蒸汽直拖離心熱泵采用汽輪機作為熱泵壓縮機驅動力（蒸汽來自鍋爐），蒸汽直拖離心熱泵工作原理見圖3，通過熱泵回收工藝冷卻水中的低品位熱能，實現集中供熱的目的，采用逆卡諾循環的原理實現余熱回收。該熱泵制熱循環主要設備包括蒸發器（液態制冷劑在其中蒸發，從而吸收來自工業余熱廢熱源的熱量）、壓縮機（驅動熱泵制熱循環的驅動力）、冷凝器（氣態制冷劑在其中冷凝，通過冷凝放熱實現供熱）及節流裝置[11]。

圖3 蒸汽直拖離心熱泵工作原理Fig.3 Working principle of steam direct drag centrifugal heat pump

蒸汽驅動的壓縮式熱泵具有以下特點：

1） 蒸汽驅動的壓縮式熱泵不需要消耗電力，利用蒸汽作為動力，但是需要的蒸汽參數較高。

2）蒸汽作為熱泵機組的驅動能源，避免了電驅方式的冷端損失和輸送損耗，提高了一次能源利用率。

3）壓縮式熱泵COP 值高，與吸收式熱泵相比較，在相同熱源水和熱網水的條件下，壓縮式熱泵的COP 值約為吸收式熱泵COP 值的2～3 倍以上。

4）壓縮式熱泵相比溴化鋰熱泵對工況的適應性強，能夠在變化的工況下，盡可能實現供熱溫度，系統穩定性高。

由于國內蒸汽透平驅動熱泵應用較少，根據循環水余熱利用應用實例表明，該技術成熟，低溫余熱供回水溫度25 ℃/17 ℃，驅動源為蒸汽0.98 MPa，305 ℃，供水溫度為73.3 ℃，對應中溫中壓蒸汽透平驅動熱泵的低溫余熱供回水溫度35 ℃/25 ℃，最高出水溫度為82 ℃。

2 傳統熱泵工藝流程分析

目前大慶油田利用蒸汽吸收式熱泵提取油田含油污水余熱為廠礦供熱，整體工藝流程分為3 部分，傳統熱泵工藝流程見圖4。

圖4 傳統熱泵工藝流程Fig.4 Flow of traditional heat pump process

1）驅動源：采用低壓蒸汽鍋爐，壓力0.6 MPa蒸汽，直接進入熱泵發生器，濃縮溴化鋰溶液放熱后，冷凝為液態，形成冷凝水。

2）低溫余熱：35 ℃含油污水進入熱泵吸收器將低溫余熱傳遞給溴化鋰稀溶液，放熱后降為25 ℃。

3）供熱系統：45 ℃熱力回水經熱泵吸收器和冷凝器溫升至65 ℃后供給熱用戶。

在油田工況下，在供熱側出水溫度65 ℃的條件下，單效吸收式熱泵可達65 ℃以上，而雙效熱泵供水溫度只能供到60 ℃，因此傳統工藝可采用單效吸收式熱泵。

設計參數：供熱負荷為85 MW，COP 為1.7，驅動源為表壓0.5 MPa 蒸汽；供熱側供回水溫度65 ℃/45 ℃； 余熱側供回水溫度35 ℃/25 ℃；0.5 MPa 的飽和蒸汽比焓為2 755 kJ/kg，98 ℃冷凝水比焓為411 kJ/kg。

單效吸收式熱泵可實現供水溫度65 ℃/45 ℃，雖然也能取得較好的經濟環保節能效果，但是未能充分發揮蒸汽的做功能力，以及吸收式熱泵的高效性能。現提出熱泵驅動源及低溫熱源雙向梯級利用，通過研究，COP 可達到2.7 以上。

3 雙向梯級利用熱泵工藝流程分析

2）低溫余熱：35 ℃含油污水先進入吸收式熱泵放熱后降至27 ℃，再進入離心直托式熱泵，含油污水降為21℃。相較于傳統熱泵系統僅降為25 ℃，低溫能源利用效率明顯提高。

3）供熱系統：45 ℃熱力回水經吸收式熱泵升溫至58 ℃，送至離心直托式熱泵冷凝器，再次升溫為65 ℃供給熱用戶。

在梯級利用工藝中，吸收式熱泵僅需將熱力回水加熱至58 ℃，故吸收式熱泵可采用雙效吸收式熱泵，COP 可達2.2，相較于傳統工藝中的單效式吸收熱泵COP 為1.7，能源利用率明顯提高。

設計參數：供熱負荷為85 MW；供熱側供回水溫度65 ℃/45 ℃， 回注含油設計污水水量為2 000～4 000 t/h。

匹配設備：驅動源為40 t/h 中壓蒸汽鍋爐產生的3.85 MPa，450 ℃蒸汽；4.9 MW 汽輪機直拖COP為5.8 的離心式熱泵機組，COP 為2.2 的雙效蒸汽吸收式熱泵，熱泵機組相關參數見表1。

表1 熱泵機組相關參數Tab.1 Related parameters of heat pump unit

按質供能、梯級利用的節能改造理念。以充分利用余熱量，最高效率的產熱量為原則。

驅動源側采用能源梯級利用方式，充分利用高品質能源，增大制熱效率，有效提高有限資源的能效性。熱泵低溫熱源側采用串聯方式，充分提高熱泵COP。

驅動源及低溫熱源雙向梯級利用工藝流程見圖5，整體工藝流程分為3 部分。

圖5 驅動源及低溫熱源雙向梯級利用工藝流程Fig.5 Flow of bi-directional staircase utilization heat pump process with a driving source and a low- temperature heat source

1） 驅動源：在新建中壓蒸汽鍋爐的前提下，蒸汽先驅動直拖離心式熱泵機組減壓降溫后驅動吸收式熱泵機組。

4 節能環保效益對比分析

4.1 燃煤鍋爐供熱耗能分析

現有供熱系統為區域燃煤鍋爐房，供熱面積約為173×104m2，供熱負荷為85 MW。則全年供熱量：

式中：Q為供熱負荷，取值85 MW；t為供暖期小時數，h，大慶地區采暖期183 d共計4392 h；μ為天氣折算系數，0.65；為全年供熱量，取值104GJ。

經計算全年供熱量為87.3×104GJ。根據全年供熱量，按照熱力當量值0.034 1 kgce/MJ 計算鍋爐的年標煤量，由于鍋爐效率較低，取70%。因此燃煤鍋爐年耗煤量為4.26×104tce。

4.2 傳統熱泵工藝耗能分析

傳統熱泵工藝中采用的低壓蒸汽鍋爐為新建，效率一般為80%～90%。耗煤量Bs計算如下：

式中：Bs為耗煤量，kgce；ηcop為熱泵制熱效率，取值1.7；Qah為全年供熱量，取值87.3×104GJ；η為鍋爐效率，%，取值85%；h為熱量換算系數，取值4.18 kJ/kcal；s為標煤大卡數，取7 000。

將上述參數帶入得單效吸收式熱泵年耗煤量為2.06×104tce。

4.3 雙向梯級利用工藝耗能分析

雙向梯級利用工藝加熱源為蒸汽梯級加熱，相關數據見表1 所示，則加熱源全年耗量Qg為：

式中：Qg為加熱安全年耗能，104GJ；h1為直拖熱泵入口蒸汽焓值，取值3 332 kJ/kg；h2為直拖熱泵出口蒸汽焓值，取值2 849 kJ/kg；h3為吸收式熱泵入口蒸汽焓值，取值2 755 kJ/kg；h4為吸收式熱泵出口蒸汽焓值，取值411 kJ/kg；G為蒸汽流量，取值40 t/h；μ為天氣折算系數，0.65。

經計算加熱源全年耗量Qg為32.3×104GJ。由加熱源全年耗量計算標煤量為：

經計算，雙效梯級利用年耗煤量為1.30×104tce。

雙效梯級利用工藝的COP 為供熱負荷與輸入功之比，其中輸入功計算公式為：

式中：P為輸入功率，MW。

計算得輸入功率為31.4 MW，從而COP 為2.7。

4.4 能耗對比

通過上述分析，傳統熱泵工藝年耗煤量為2.06×104tce，COP 為1.7，雙向梯級利用熱泵工藝年耗煤量為1.30×104tce，COP 為2.7。節能環保效益對比分析見表2。

表2 節能環保效益對比分析Tab.2 Comparison and analysis of energy conservation and environmental protection benefits

表2 可看出熱泵工藝較鍋爐工藝供熱節能效果明顯，其中雙向梯級利用熱泵工藝改造節能效果更為突出，經濟上，內部收益率明顯高于傳統單效吸收式熱泵技術。

該項目效益不僅僅表現在燃料的節約上，由于燃料的節約，煤和灰渣相應減少，從而也減輕了城市汽車運輸流量，緩解了道路交通的擁擠和廢棄物的排放。

5 結論

1）針對傳統供熱方案所存在的問題，提出了將直拖離心式熱泵機組和蒸汽驅動吸收式熱泵機組代替鍋爐供暖，實現熱泵驅動源及低溫熱源雙向梯級利用，回收含油污水余熱的方案在技術上是可行的。

2）油田工況下，含油污水梯級供熱實現低溫熱源供回水溫度35 ℃/21 ℃，直拖離心式熱泵機組和雙效吸收式熱泵機組梯級供熱熱網水供回水溫度65 ℃/45 ℃，COP 可達2.7，提高了供熱效率。而傳統余熱回收方案的性能系數為1.6～1.7，低于提出的方案。從能源高效利用角度，雙效梯級利用熱泵工藝有較高的節能潛力。

3）經濟環保效益上，雙效梯級利用熱泵工藝投資相對較高，但內部收益率為17%，傳統工藝單效吸收式熱泵內部收益率僅為10%，同時梯級利用熱泵工藝較傳統熱泵工藝年節省標煤量為0.77×104tce，CO2排放量較傳統熱泵工藝年減少2.01×104t，一次能源利用率較傳統熱泵工藝提高了50%。

4）當低溫余熱為35 ℃，雙效吸收式熱泵供水溫度為58 ℃，雙效梯級利用工藝整體供水溫度能夠超過65 ℃。由于大慶油田普遍存在較多可直接供熱的區域，供熱溫度65 ℃左右，且周邊回注含油污水低溫余熱資源豐富，所以該技術在大慶油田應用前景廣闊。