水源熱泵在油田集輸中的應(yīng)用研究

胡琪，劉逸，陳培強(qiáng)，苗佳雨，劉斯琪

（哈爾濱商業(yè)大學(xué)能源與建筑工程學(xué)院，哈爾濱，150028）

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，油田開采難度加大，用于原油加熱的熱量需求更高［1，2］。傳統(tǒng)的原油集輸加熱方式都是以燃油、燃?xì)忮仩t系統(tǒng)作為加熱原油的熱量來源，這種方式消耗了大量化石燃料，同時(shí)帶來的排放大量溫室氣體，導(dǎo)致全球變暖的情況更為嚴(yán)重［3］。這使得開發(fā)利用可再生能源的原油加熱方式替代傳統(tǒng)原油集輸加熱方式成為如今亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

目前，相關(guān)學(xué)者針對(duì)利用水源熱泵替代傳統(tǒng)燃油燃?xì)忮仩t成為新型節(jié)能加熱方式的研究已經(jīng)開展［4-8］。王亞超等人［9］針對(duì)水源熱泵作為傳統(tǒng)原油加熱替代方案的可行性進(jìn)行了分析，得出該方案具有良好的節(jié)能效果。金燦等人通過對(duì)實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行了改造，得出改造后的油田每天可節(jié)約2400Nm3的天然氣。劉清源等人［10］對(duì)某聯(lián)合站應(yīng)用水源熱泵技術(shù)，試運(yùn)行后年運(yùn)行費(fèi)用降低了48%， 年節(jié)約燃?xì)?5.56×104m3，CO2、 SO2、NOx的減排量分別為2754t、8935kg、7778kg，投資回收期3.24年，該項(xiàng)節(jié)能技術(shù)具有很好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保收益［11］。

綜上，本文在既往研究的基礎(chǔ)上，對(duì)位于遼寧省盤錦市某油田的原油集輸加熱系統(tǒng)進(jìn)行了節(jié)能改造，利用水源熱泵替代原有的燃?xì)馑谞t并將原燃?xì)馑谞t改造成新加熱系統(tǒng)的油水換熱器。隨后，對(duì)改造后的原油集輸加熱系統(tǒng)在冬季滿負(fù)荷、夏季變工況連續(xù)運(yùn)行20h的加熱性能進(jìn)行了分析。本文提出的改造后的加熱系統(tǒng)對(duì)節(jié)能減排具有一定的研究意義。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)運(yùn)行原理

本項(xiàng)目所涉及油田位于遼寧省盤錦市，該地坐標(biāo)為東經(jīng)1 2 1°2 5′～1 2 2°3 1′、 北緯40°39′～41°27′，全年平均氣溫為9.3℃，土壤在11月中旬開始凍結(jié)，次年3月上旬開始融化，最大凍土深度為880mm。 全年總降水量為564.5mm，水資源較豐富，因此可以將水源熱泵系統(tǒng)引入油田集輸系統(tǒng)中，以期提高原油加熱效率，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

采用地下水作為熱泵的低溫?zé)嵩磳?duì)原油進(jìn)行加熱的系統(tǒng)原理見圖1。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，以潛水泵作為系統(tǒng)運(yùn)行的動(dòng)力裝置，按流體循環(huán)路徑可分為三個(gè)子系統(tǒng)，即源側(cè)循環(huán)系統(tǒng)、機(jī)組內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)、負(fù)荷側(cè)循環(huán)加熱系統(tǒng)。各子系統(tǒng)循環(huán)具體循環(huán)流程分別為：井水通過潛水泵抽吸進(jìn)入旋流除砂器進(jìn)行過濾后進(jìn)入水源熱泵機(jī)組蒸發(fā)器內(nèi)與制冷劑進(jìn)行對(duì)流換熱，最后，被制冷劑吸熱后的井水流回回灌井內(nèi)；蒸發(fā)器內(nèi)循環(huán)制冷劑吸收井水熱量后進(jìn)入壓縮機(jī)，通過壓縮機(jī)做功，制冷劑變?yōu)楦邷馗邏簹怏w流入冷凝器中與負(fù)荷側(cè)載熱流體進(jìn)行對(duì)流換熱，換熱后的制冷劑進(jìn)入節(jié)流閥，最后，經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流降壓后的制冷劑流回蒸發(fā)器；負(fù)荷側(cè)載熱流體通過換熱循環(huán)泵進(jìn)入管殼式換熱器內(nèi)與原油進(jìn)行對(duì)流換熱，最后流回到冷凝器。

圖1 水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行原理

1.2 系統(tǒng)改造方案

油田中轉(zhuǎn)站改造前的原油集輸加熱系統(tǒng)流程見圖2。加熱原油的熱量來源于燃?xì)馑谞t，該系統(tǒng)加熱原油的效率約為160m3·天-1，原油含水率為23%，系統(tǒng)加熱原油所需的天然氣約為517m3·天-1。冬季原油進(jìn)入中轉(zhuǎn)站的溫度約為29℃，夏季約為35～40℃，經(jīng)過燃?xì)馑谞t加熱后由中轉(zhuǎn)站輸出的原油溫度約為45～50℃。

圖2 改造前原油集輸加熱系統(tǒng)流程

油田中轉(zhuǎn)站改造后的原油集輸加熱系統(tǒng)流程見圖3。系統(tǒng)中原水套爐改為換熱器，但保持原水套爐功能。改造后的原油集輸加熱系統(tǒng)通過水源熱泵機(jī)組制取高溫?zé)崴?，再通過換熱器與原油對(duì)流換熱，從而提升原油溫度。當(dāng)水源熱泵機(jī)組出現(xiàn)故障或檢修時(shí)，仍可啟動(dòng)燃?xì)馑谞t對(duì)原油進(jìn)行加熱。目前，對(duì)于水源熱泵的單井回灌技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的較為成熟，另外熱泵機(jī)組也分為普通型（制熱水溫度為55℃）、高溫型（制熱水溫度為60～65℃）。根據(jù)全年氣溫季節(jié)性周期變化的特殊性，改造后的原油加熱集輸系統(tǒng)在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)（夏季），熱泵機(jī)組變工況運(yùn)行。因此，改造后的原油集輸加熱系統(tǒng)較改造前更具有節(jié)能、可靠性。

圖3 改造后原油集輸加熱系統(tǒng)流程

1.3 設(shè)計(jì)參數(shù)

本文提出的用于原油集輸加熱的水源熱泵系統(tǒng)中主要部件包括：水源熱泵機(jī)組、潛水泵、換熱循環(huán)泵。具體參數(shù)計(jì)算如下：

1.4 數(shù)據(jù)采集及處理方法

1.4.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

為測(cè)試本文提出的原油集輸加熱系統(tǒng)的運(yùn)行性能，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集裝置。測(cè)試裝置見圖4，測(cè)試裝置內(nèi)置MCGS組態(tài)軟件，并將數(shù)據(jù)采集裝置與計(jì)算機(jī)聯(lián)合起來。其工作原理為：將測(cè)試儀器（溫度傳感器、多功能電力儀表、電磁流量計(jì)等）收集到的數(shù)據(jù)信號(hào)處理后輸送至計(jì)算機(jī)，最后在MCGS組態(tài)軟件上顯示并同步儲(chǔ)存。測(cè)試內(nèi)容包括：6個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)（源側(cè)井水進(jìn)出口溫度、負(fù)荷側(cè)進(jìn)出口溫度、原油進(jìn)出口溫度）；2個(gè)功率測(cè)點(diǎn)（熱泵機(jī)組功率、系統(tǒng)總功率）；2個(gè)流量測(cè)點(diǎn)（源側(cè)流量、負(fù)荷側(cè)流量）。

圖4 測(cè)試裝置外觀

1.4.2 數(shù)據(jù)處理方法

1.4.2.1 熱泵機(jī)組COP

機(jī)組COP的計(jì)算式為：

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 冬季滿負(fù)荷工況運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

在冬季，改造后的原油集輸加熱系統(tǒng)滿負(fù)荷工況連續(xù)運(yùn)行20h后的源側(cè)及負(fù)荷側(cè)的進(jìn)出口溫度及溫差逐時(shí)變化見圖5。從圖5a中可以看出，源側(cè)進(jìn)出口溫度在小范圍內(nèi)波動(dòng)，較穩(wěn)定。源側(cè)進(jìn)口溫度穩(wěn)定在12.98℃左右，源側(cè)出口溫度穩(wěn)定在8.87℃左右，源側(cè)進(jìn)出口溫差穩(wěn)定在4.1℃。從圖5b中可以看出，負(fù)荷側(cè)進(jìn)出口溫度在系統(tǒng)運(yùn)行初期有明顯的上升趨勢(shì)，隨后趨于穩(wěn)定。負(fù)荷側(cè)進(jìn)口溫度穩(wěn)定在57℃左右，負(fù)荷側(cè)出口溫度穩(wěn)定在60℃左右，負(fù)荷側(cè)進(jìn)出口溫差穩(wěn)定在3℃。由此可以看出，改造后的原油集輸加熱系統(tǒng)可以滿足冬季用于原油加熱時(shí)的熱水升溫的需求。

圖5 源側(cè)及負(fù)荷側(cè)進(jìn)出口溫度及溫差

熱泵機(jī)組及系統(tǒng)COP、原油進(jìn)出口溫度及溫差逐時(shí)變化見圖6。從圖6a中可以看出，熱泵機(jī)組及系統(tǒng)的COP值在運(yùn)行初期，有明顯的下降趨勢(shì)。隨后，在4h內(nèi)機(jī)組及系統(tǒng)COP波動(dòng)范圍較大，4h后兩者均逐漸趨于穩(wěn)定。穩(wěn)定后的機(jī)組COP在3.18左右波動(dòng)，系統(tǒng)COP在2.49左右波動(dòng)。從圖6b可以看出，原油的進(jìn)口溫度穩(wěn)定在32.06℃，出口溫度穩(wěn)定在47.02℃。由此可以得出，本文提出的改造后的原油集輸加熱系統(tǒng)可以將原油升溫到設(shè)計(jì)值。

圖6 機(jī)組、系統(tǒng)COP及原油進(jìn)出口溫度

機(jī)組加熱的熱水與原油之間的換熱效率逐時(shí)變化見圖7。從圖中可以看出，熱水與原油之間的換熱效率在系統(tǒng)運(yùn)行前1h內(nèi)變化較大，隨后趨于穩(wěn)定，兩者之間的換熱效率在60.8%左右波動(dòng)。由之前的分析可知，改造后的原油集輸加熱系統(tǒng)可以滿足原油加熱需求，但熱水與原油間的換熱效率卻不高。這是由于對(duì)原加熱系統(tǒng)進(jìn)行改造時(shí)，為保留原燃?xì)馑谞t的功能同時(shí)考慮設(shè)備費(fèi)用，因此未在系統(tǒng)中增設(shè)新的油水換熱器，而是對(duì)原有燃?xì)馑谞t進(jìn)行改裝，使其成為改造后的原油集輸加熱系統(tǒng)的油水換熱器。但原有燃?xì)馑谞t比現(xiàn)有油水換熱器供熱水設(shè)計(jì)溫度高，進(jìn)而換熱器內(nèi)換熱管面積偏小，從而導(dǎo)致油水換熱器效率偏低。由此可以得出，系統(tǒng)中換熱器部分的節(jié)能改造潛力同樣較大，未來可對(duì)其進(jìn)一步研究。

圖7 熱水與原油之間的換熱效率

2.2 夏季變工況運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

水源熱泵機(jī)組以50%、75%及滿負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行20h后的機(jī)組COP逐時(shí)變化見圖8。從圖中可以看出，機(jī)組運(yùn)行初期的COP下降較快，約1h后趨于穩(wěn)定。3種工況下的機(jī)組平均COP從大到小依次排列為：50%負(fù)荷運(yùn)行（3.44）、75負(fù)荷運(yùn)行（3.35）、滿負(fù)荷運(yùn)行（3.19）。因此，改造后的原油集輸加熱系統(tǒng)在夏季運(yùn)行時(shí)，適合采用變工況運(yùn)行模式，以期達(dá)到機(jī)組最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)。

圖8 夏季變工況運(yùn)行熱泵機(jī)組COP

機(jī)組以3種不同工況運(yùn)行時(shí)，改造后的原油集輸加熱系統(tǒng)COP逐時(shí)變化見圖9。從圖中可以看出，3種不同工況下的系統(tǒng)COP變化趨勢(shì)基本一致，且與熱泵機(jī)組相似，均在運(yùn)行初期有明顯的下降，隨后在某一值上下波動(dòng)，但波動(dòng)范圍不大，較為穩(wěn)定。系統(tǒng)COP值從大到小依次排列為：機(jī)組75%負(fù)荷運(yùn)行（2.59）、機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行（2.5）、機(jī)組50%負(fù)荷運(yùn)行（2.31）。對(duì)比機(jī)組在不同工況下的COP值大小分布情況，系統(tǒng)COP值呈現(xiàn)出不同的排序方式。這是由于在計(jì)算熱泵機(jī)組COP時(shí)不考慮系統(tǒng)中循環(huán)水泵帶來的能耗，而在計(jì)算系統(tǒng)COP時(shí)，水泵帶來的能耗不能忽視，在系統(tǒng)改造過程中，對(duì)熱泵機(jī)組內(nèi)部安裝了變頻控制裝置，而在潛水泵及換熱循環(huán)泵中并未增設(shè)該裝置。由此可以推論出，水泵在系統(tǒng)總能耗中占比較大，因此，水泵中應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的變頻控制裝置，使其流量隨機(jī)組運(yùn)行工況變化變化，從而降低水泵在系統(tǒng)總能耗的占比，以期達(dá)到系統(tǒng)最佳運(yùn)行工況。

圖9 夏季變工況運(yùn)行系統(tǒng)COP

3 結(jié)論

（1）本文提出的改造后的原油集輸加熱系統(tǒng)，在冬季典型日連續(xù)運(yùn)行20h的源側(cè)進(jìn)出口溫度分別穩(wěn)定在12.98℃、8.87℃，二者溫差為4.1℃；負(fù)荷側(cè)進(jìn)出口溫度分別穩(wěn)定在57℃、60℃，二者溫差為3℃；機(jī)組COP可達(dá)3.18，系統(tǒng)COP可達(dá)2.49；原油進(jìn)出口溫度分別為32.06℃、47.02℃；熱水與原油換熱效率為60.8%。

（2）改造后的原油集輸加熱系統(tǒng)在夏季典型日連續(xù)運(yùn)行20h的變工況運(yùn)行模式下，機(jī)組COP最高可達(dá)3.44（機(jī)組50%負(fù)荷運(yùn)行），其次是3.35（機(jī)組75%負(fù)荷運(yùn)行），最后是3.19（機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行）；系統(tǒng)COP最高可達(dá)2.59（機(jī)組75%負(fù)荷運(yùn)行），其次是2.5（機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行），最后是2.31（機(jī)組50%負(fù)荷運(yùn)行）。

（3）通過本次對(duì)原油集輸加熱系統(tǒng)的改造可以看出，改造后的系統(tǒng)中油水換熱器及水泵對(duì)系統(tǒng)能效的提升起著至關(guān)重要的作用，今后可對(duì)其進(jìn)一步深入研究。