热泵替代油田燃油加热炉技术研究

曲 虎，刘 静，王 赪，付莹莹

（1.中国石油工程建设有限公司华北分公司，河北任丘062552；2.中国石油集团渤海石油装备制造有限公司石油机械厂，河北 任丘 062552）

加热炉是油田生产中的主要能耗设备[1]。目前，国内各油田80%以上的用热负荷是通过加热炉提供的，油田加热炉的主要燃料为原油和伴生气，加热炉在油田生产过程中消耗了大量的燃油和伴生气，同时，排放了大量的硫化物和氮氧化物，对环境 造成严重 污染[2‐4]。

某油田对其运行的15台加热炉排放进行检测，检测结果及按《锅炉大气污染排放标准》GB 13271-2014的要求指标对比见表1。

通过表1可以看出，除燃气加热炉外，燃油及油气混烧加热炉烟气排放均不达标，其中二氧化硫超标率为45.5%，氮氧化物超标率为81.8%。由此可以看出，燃油加热炉是油田站场供热系统排放不达标的主要因素，油田站场燃油加热炉替代刻不容缓[5‐6]。目前，能从空气中吸收热量的空气源热泵和能从污水中吸收热量的污水源热泵是解决燃油加热炉排放超标问题的有效途径[7‐8]。

表1 加热炉烟气监测结果及排放标准对比Table 1 Comparison table of heating furnace flue gas monitoring results and emission standards

1 空气源热泵

1.1 工作原理及特点

空气源热泵基本原理如图1所示。制冷剂的低压蒸汽被压缩机吸入并压缩为高压蒸汽后排至冷凝器。同时轴流风扇吸入的室外空气流经冷凝器，与循环水一起带走制冷剂冷凝放出的热量，使高压制冷剂凝结为高压液体。高压液体经过过滤器、节流机构后喷入蒸发器，并在相应的低压下蒸发，吸收周围热量。如此反复达到热交换目的[9‐10]。

图1 空气源热泵基本原理Fig.1 Basic schematic diagram of air source heat pump

空气源热泵的特点[11]：（1）适用范围广，在温度为-7～40℃均可使用，不受阴、雨、雪等恶劣天气和冬季夜晚的影响。（2）运行效率受环境温度影响较大，环境温度越高，空气源热泵的运行效率越高。（3）运行成本低，节能效果突出，投资回报期短。（4）安全环保，无任何燃烧外排物，不会对人体造成损害，具有良好的社会效益。（5）撬装化供应，占地面积小。（6）易实现系统自动化，可自动运行，无人值守。

1.2 能耗计算

COP是衡量空气源热泵系统制热效果的最重要标准。COP是空气源热泵的总制热量与输入功率之比，对于空气源热泵而言，COP的大小与环境温度密切相关，COP越高，说明空气源热泵能效越高。空气源热泵总制热负荷计算方法见式（1）、（2）：

式中，Q为空气源热泵总制热负荷，W；G为循环水的质量流量，kg/s；c为循环水的比热容，J/（kg·℃）；t进、t出为循环水进、出空气源热泵的温度，℃。

式中，Q为空气源热泵总制热负荷，W；Q空为空气源热泵在空气中吸收的热量，W；Q电为空气源热泵输入的电能，W。

1.3 节能效果分析

苏北油田采用1台MWV-L400T1/S型空气源热泵机组为站内储罐维温和管线伴热，通过对1-6月份空气源热泵的相关运行参数监测，根据式（1）计算出空气源热泵的COP，结果见图2。由图2可知，空气源热泵的COP维持在1.5～3.5，空气源热泵的COP随着环境温度的降低而降低[12]。

图2 COP随环境温度变化Fig.2 COP vs.ambient temperature curve

根据式（1）和（2）可知：

环境温度越低，空气源热泵从空气中吸收的热量越少。根据式（3）可知，在空气源热泵输入电功率不变的情况下，空气源热泵从空气中吸收的热量越少，COP越低。

空气源热泵制热温度越高，需要热泵工质压缩温度越高，压缩机输入电功率越大。根据式（3）可知，在空气提供热量一定的前提下，空气源热泵输入功率越大，其COP越低。

以提供100 kW伴热负荷为例，分别对电加热、加热炉加热和空气源热泵加热（空气源热泵COP按照2.0计算）三种工艺进行经济对比，结果如表2所示。由表2可知，采用空气源热泵比采用加热炉工艺平均降低运行费用30%以上。

2 污水源热泵

为达到较好的脱水效果，油田处理站（场）大部分采用热化学脱水工艺，脱除的采出水温度较高，在大庆油田、吐哈油田等采用二段脱水工艺的站（场），脱除的采出水温度高达50℃以上；除此之外，某些油田的高温产液井产出液温度较高，可达60～70℃，这部分采出水分离后直接回注，未能有效利 用[13‐14]。

为了能有效利用此部分高温热水的热量，降低油田站场加热炉负荷，在油田站（场）内配置水源热泵是一个较为合理的选择。

表2 不同加热工艺运行能耗对比Table 2 Comparison of energy consumption for different heating processes

2.1 工作原理及特点

水源热泵机组的工作原理如图3所示。其通过输入少量高品位能源(如天然气、电能)，实现低温位热能向高温位转移。即消耗少部分电能或伴生气，产生站场需要的热负荷，从而能够替代燃油加热炉[15‐16]。

图3 水源热泵基本原理Fig.3 Basic principle diagram of water source heat pump

污水源热泵分为电驱热泵和燃驱热泵，在伴生气比较充足的油田站场可以采用燃驱水源热泵。在伴生气不充足的油田站场可以采用电驱水源热泵。电驱水源热泵和燃驱水源热泵的对比结果见表3。

2.2 能耗计算

污水源热泵COP是总制热量与输入功率（输入热量）之比，COP越高，说明污水源热泵能效越高。

污水源热泵总制热量计算方法见式（4）、（5）：

式中，Q水为水源热泵总制热负荷，W；G为冷流体的质量流量，kg/s；c为冷流体的比热容，J/（kg·℃）；t进、t出为冷流体进、出水源热泵的温度，℃。

污水源泵总制热量：

式中，Q为污水源热泵总制热负荷，W；Q污水为污水源热泵在污水中提取的热量，W；Q电为污水源热泵输入的电能，W；Q燃气为污水源热泵输入的燃气热能，W。

表3 电驱/燃驱水源热泵对比Table 3 Comparison table of electric/combustion water source heat pump

2.3 节能效果分析

某油田联合站有伴生气4 000 m3/d，采出水3 000 m3/d，温度为40℃，站场需要热负荷为2 200 kW，仅靠燃气不能满足站场负荷需求。站内可以采用燃气+燃油、电驱水源热泵、燃驱水源热泵三种供热方式，分别对以上供热方式进行经济对比。

2.3.1 采用燃气+燃油方式供热 采用燃气+燃油供热方式运行参数见表4。

表4 燃气+燃油方式供热运行参数Table 4 Operation parameters of gas+fuel oil heating

2.3.2 采用电驱水源热泵供热 采用电驱水源热泵供热方式运行参数见表5。

2.3.3 采用燃驱热泵供热 采用电驱水源热泵供热方式运行参数见表6。

由表4-6可知，采用加热炉直接供热方式运行费用最高，且需要燃油补充。燃驱热泵运行费用次之，电驱热泵运行费用最低，且电驱热泵的碳排量最低。利用污水源热泵比利用加热炉最多可以降低运行费用45%以上，降低碳排量75%以上。

表5 电驱水源热泵方式供热运行参数Table 5 Electric drive water source heat pump mode heating operation parameter table

空气源热泵适用范围广、维护费用低，但单机容量低，机组效率受环境温度影响较大；污水源热泵单机容量较大，但对站场的低品位热源需求量较大，具体对比见表7。对负荷需求较低、环境温度较高的站场，推荐采用空气源热泵；对负荷需求较高，且伴生气及污水较为充足的站场，推荐采用燃驱水源热泵；对负荷需求较高、伴生气较少、污水较为充足的站场，推荐采用电驱水源热泵。

表6 燃驱热泵方式供热运行参数Table 6 Operation parameters of heating system by combustion drive heat pump

3 结 论

随着人们对生活品质要求越来越高，国家对环保的要求也越来越严格，通过热泵工艺取代排放普遍超标的燃油加热炉是解决油田生产供热排放超标的可行性方案。通过本文研究，热泵技术在解决燃油替代、实现油田生产环保达标目的的同时，还可以获得可观的经济效益。空气源热泵和污水源热泵技术各有其优点和限制条件，应根据油田站场伴生气量、污水产量及品质及站场实际情况，用热负荷的高低优选合适的技术进行燃油替代。

表7 燃油替代能源利用方式对比Table 7 Comparison table of fuel alternative energy utilization methods