太陽能聯合空氣源熱泵系統加熱原油技術經濟性

徐 文, 周營營, 陳俊男

(青島開源熱力設計研究院有限公司, 山東 青島 266071)

1 概述

原油具有凝點高、黏度大、常溫下流動性差的特點,在輸運過程中必須進行加熱與保溫,以保持良好的流動性。油氣集輸系統常采用油田氣作為燃料直接加熱原油,易造成能源浪費。根據國家綠色低碳發展的要求,采用清潔能源替代油田氣加熱原油,實現降低能耗、綠色環保。

本文利用太陽能聯合空氣源熱泵系統制備熱水,采用直埋式伴熱管加熱原油,對該項技術的技術經濟性進行分析。

2 工程概況

東營市某油井原油日開采量為35～40 t/d,瞬時最大開采量約2.5 t/h,原油含水率在95%左右,地下原油溫度全年較為恒定,開采溫度為23～28 ℃,采油系統常年運行。根據石油輸送系統工藝要求,需要將輸送的原油溫度在開采溫度的基礎上提高10～15 ℃,運送至集輸站。該油井現采用電加熱方式加熱原油,運行費用高,且耗電量高。

針對以上問題,提出采用太陽能聯合空氣源熱泵系統加熱原油。

3 改造方案

3.1 系統流程

太陽能聯合空氣源熱泵系統流程見圖1。循環水經太陽能集熱器升高溫度后進入直埋伴熱管加熱原油,陰天、夜間啟動空氣源熱泵加熱循環水。

圖1 太陽能聯合空氣源熱泵系統流程

當日間光照條件較好,太陽能集熱器出口水溫高于50 ℃時,僅利用太陽能即可滿足設定原油溫度(取40 ℃),空氣源熱泵為停機狀態,閥門1開啟,閥門2、3關閉。當僅利用太陽能無法保證設定原油溫度時,空氣源熱泵機組自動開機制熱,閥門1～3根據需要啟閉,保證滿足設定原油溫度。為解決防凍、保溫問題,補水系統(補水箱、補水泵)設置在地下。

3.2 主要設備選型

系統設計熱負荷按瞬時最大開采量2.5 t/h計算,含水率在95%左右的原油比熱容取4.0 kJ/(kg·K),計算得到系統設計熱負荷為42 kW?？諝庠礋岜酶鶕O計熱負荷進行選型,最高出水溫度為60 ℃,額定制熱量為46 kW。太陽能集熱器總集熱面積為167.2 m2。

結合現場實際條件,采用3組48 m的直埋伴熱管。伴熱管原油設計進、出口溫度為25、40 ℃,熱水設計進、出口溫度為50、45 ℃。伴熱管內部采用帶孔的折流板支撐[1],以增加擾動,加強換熱。

4 經濟性分析

4.1 系統造價

系統新增設備購置費為41.5×104元,主要設備購置費(由表1計算得到)為25.0×104元,配套管子、管件、閥門、儀表自控設備購置費為16.5×104元。設備安裝費為16.2×104元。系統造價為57.7×104元。

表1 主要設備額定參數、數量、單價

4.2 年運行費用

油田用熱負荷常年變化不大,設定運行時間為365 d,每日運行24 h,原油日平均開采量按35 t/d計算,計算得到原油從25 ℃加熱到40 ℃所需熱量為2.1 GJ/d。查閱相關資料,東營市平均峰值日照時間為4.29 h,對應年太陽輻射量5 000 MJ/(m2·a),太陽能集熱器集熱效率按0.6計算。電價按0.7 元/(kW·h)計算。

系統改造前運行費用僅為加熱器電費,每年運行需要的熱量為766.5 GJ/a,折合年耗電量為21.3×104kW·h/a,則年運行電費為14.91×104元/a。

系統改造后運行費用包括空氣源熱泵電費、循環泵電費。由于系統基本無失水,因此補水泵電費忽略不計。太陽能日產熱(按峰值日照時間對應的年太陽輻射量測算)為1.37 GJ/d,剩余0.73 GJ/d由空氣源熱泵提供?？諝庠礋岜媚晏峁┑臒崃繛?66.45 GJ,年平均制熱性能系數按2.5計算,空氣源熱泵年耗電量為2.96×104kW·h/a,空氣源熱泵年運行費用為2.07×104元/a。計算熱水流量為4.18 t/h,系統總水頭損失為14 m,循環泵總效率按0.75計算,則循環泵耗電功率為0.21 kW,系統為定流量系統,循環泵工頻運行,則年運行費用為0.13×104元/a。由以上數據可計算得到,改造后系統年運行費用為2.20×104元/a。

4.3 經濟性分析

采用費用年值法,對比改造前后系統經濟性。系統費用年值F的計算式為:

(1)

式中F——系統費用年值,元/a

csys——系統造價,元

cfin——系統壽命終了時殘值,元

i——基準收益率,本文取0.1

n——經濟壽命,a,本文取20 a

S——系統年運行費,元/a

改造前,變壓器等變配電設備滿足用電需求,系統造價為0,系統壽命終了時殘值為0,可計算得到改造前系統費用年值為14.91×104元/a。改造后,系統造價為57.7×104元,系統壽命終了時殘值為0,可計算得到改造后系統費用年值為8.98×104元/a。與改造前電加熱方式相比,改造后系統費用年值降低39.8%,經濟性更優。

5 結束語

太陽能聯合空氣源熱泵系統充分利用太陽能,空氣源熱泵耗電量少。兩者結合使用,更大程度上節約能源,保護環境。與改造前電加熱方式相比,改造后系統費用年值降低39.8%,經濟性更優。