基于动态费用年值法的空气源热泵加热系统能耗评价研究

2022-08-27高明星周亚东陈浩宇李娜王治国

石油工业技术监督 2022年8期

高明星，周亚东，陈浩宇，李娜，王治国

1.延长油田股份有限公司志丹采油厂（陕西延安 717500）2.西安石油大学机械工程学院（陕西西安 710065）

0 引言

延长油田地处鄂尔多斯盆地东南部，冬季平均温度为-20 ℃，且油层埋藏较浅，冬季产出原油温度一般在8～10 ℃，黏度较高[1]，造成集输摩阻过高。因此，需要对原油进行加热，避免因原油凝结或者结蜡而导致输送摩阻过高或者油水分离困难[2]。

目前，延长油田大部分油井都采用锅炉加热或电磁加热的方式。因为井口处或集输站点的原油量较少，所以采用的锅炉均为较小的热水锅炉，空气污染严重。此外，这种热水锅炉燃烧采用的燃料一般来自油田产出的伴生气，而伴生气量随着油井产量而波动，可靠性差[3]，往往不能保证冬季中井场或者集输站点的全部加热和采暖需要，而电磁加热的耗电量太大，能耗较高，经济性差[4-5]。

国家能源局最新发布的《2021年新能源工作指导意见》中提出，要降低煤炭资源占终端能源消费比重，提高电能消费比重，深入落实碳达峰、碳中和目标要求，持续优化能源结构[6]。因此，加热系统如何进行选择，不仅涉及技术的先进性，更需要考虑其经济性和节能环保性。使用新能源技术对原油进行井口和集输站的加热是油田地面技术的发展方向[7]。目前井口原油加热技术所采用的新能源以太阳能、地源热泵以及空气源热泵为主。太阳能加热节能效果显著，但极易受环境因素的影响，可靠性较差，一般不以单一形式存在[8；地源热泵在进行安装维护的初期投资金额过大[9]；空气源热泵是利用空气作为低温热源，绿色环保，运行较为稳定，综合性能较好。

1 空气源热泵技术介绍

1.1 空气源热泵技术原理

空气源热泵的本质为一种依据“逆卡诺循环”原理工作的热能提升装置，它可以在少量高品位能的辅助下，将水、空气等环境热源中的低品位热能转化为高品位热能并释放至循环介质中加以利用，从而达到节约高品位能的目的，主要由压缩机、蒸发器（空气热交换器）、冷凝器（热水交换器）、膨胀阀4个部分组成，其工作原理如图1[10]所示。具体工作过程为：低压气态冷媒经过压缩机压缩后，转化为高温高压气体，压缩机所需的电能为Q1。该气态冷媒在冷凝器（热水交换器）中与储水装置中的冷水进行热交换，使其变成热水，同时自身被冷凝为液态，交换的热量为Q3。高压液态冷媒通过膨胀阀减压，压力下降。低温低压的液态冷媒经过蒸发器吸收空气中热量，由液态转为气态，吸收的环境热量为Q2。低温低压气态冷媒再由压缩机进行压缩，如此往复循环，不断从空气中吸收热量，制取热水。

1.2 空气源热泵加热系统工艺分析

延长油田志丹采油厂某井，由于地理条件及环境因素的影响，不得不采取原油加热的方式来满足其外输的温度条件。该井拟采用空气源热泵来代替安全系数低、环保程度低、燃料不稳定的燃气锅炉，对原油进行加热并对办公区域供暖。

该套系统主要采用油、水两套循环系统进行运作。从井口出来的原油经过储油罐的缓冲后流入换热撬，在其内部与热泵机组产生的热水进行热交换，加热后返回储油罐缓冲储存，再外输，此为油循环。热泵机组加热后的水流入换热撬与原油进行热交换，再流入办公区进行供暖，最后流回热泵机组进行再次加热，此为水循环。办公区旁另设并行的事故罐，以便办公区内换热器发生事故或进行检修时，热水可以转经事故罐，继续进行水循环，不影响整个原油加热系统的运行。具体工艺流程图如图2所示。

2 空气源热泵加热系统能耗评价方法

对于涉及空气源热泵加热系统的能耗评价，国内还没有相应的评价规范，结合相关文献，拟从经济性分析、等价标煤量、COP 值、CO2减排量[11-12]4 个方面综合考虑各类加热系统的能耗水平。

2.1 经济性分析基本原理

对于工程中的经济分析，经济学上一般采用静态评价指标和动态评价指标两种方法。考虑到投入资金的时间价值和评价的精确程度，采用动态费用年值法对加热系统进行经济性分析。引入动态评价法公式[13]:

式中：Z为加热系统的费用年值，万元；A为加热系统年运行费用，万元；a为贷款利率，%；n为加热系统的运行年限，年；B为加热系统所需投资费用，万元。

进行加热系统经济性分析时，以动态费用年值作为评价标准。通过设定基本利率，查阅相关资料及工程实例确定系统运行1 年所需的费用、运行年限、投资费用，代入式（1）中，可计算出相应的费用年值。

2.2 等价标煤量计算基本原理

不同的加热系统使用的能源存在着差异，耗能单位也不同，因此各系统的能耗无法进行直接比较，但各类能源都可以转化为热能。为便于进行对比分析，可选取某种统一的标准燃料作为基准，再通过各类能源的实际含热量与标准燃料热值之比即折标系数，对各类能源进行折算。依据GB 2589—1990《综合能耗计算通则》规定，每千克含有7 29.3 MJ热值的煤，称为1 kg标准煤，表示符号为kgce。实际应用中，也可采用“吨标准煤”为单位，表示符号为tce[14-15]。

因此，各类加热系统能耗均可转换为等价标煤量，进行更为直观的比较，计算公式为：

等价标煤量=实际年耗能×折标系数

各类原油加热系统所需能源的等价折标系数见表1[15]。

表1 各类原油加热系统所需能源的等价折标系数

2.3 COP值计算基本原理

热泵的效能系数（COP）是评价热泵节能性的最重要指标之一。根据热力学第二定律，热泵将低品位热源的热量品位提升，需要消耗一定的高品位能。热泵的效能系数是指热泵收益（供冷量或制热量）与付出代价（所消耗的机械功或热能）的比值，其大小反映出不同热泵系统的节能情况。能效比数值越大，表明该热泵使用时能源转换效率越高，节省的电能就越多。效能系数的计算式为：

式中：Qy为系统的年供热量，kW；Wy为系统的全年能耗，kW。

2.4 CO2减排量计算基本原理

随着电能、燃气等的大量使用，高品位能被不断消耗[16]，环境污染情况也日渐严重。化石燃料的燃烧，必然产生大量CO2，而CO2正是全球变暖的元凶。因此，评价一个系统节能环保性的重要指标就是其CO2减排量[17]。

工程中一般采用的计算CO2减排量的方式为[18]：

式中：TCO2为系统运行年限内的CO2减排量，kg；Qs为系统年节能量，MJ；n为系统运行年限，年；W为标准煤的热值，29.3 MJ；η为系统的热效率，%；F为碳排放因子，kg碳/kg标准煤。

将加热系统的年供热量除去全年能耗，即可得到该系统的年节能量。系统的年供热量可通过每日供热量和年工作天数求取，即：

Qy=3 045 000 kJ×300=913 500 MJ

3 各类加热系统能耗对比

以延长油田志丹采油厂某井为例，其基本运行参数为：冬季井口采出的原油平均初始温度为10 ℃，设计的加热原油加热系统要求恒温到45 ℃；采油厂的加热系统每日使用时间为20 h，每日所需加热的原油为30 m3，系统全年工作时间扣除检修所需时间为300 d。

3.1 经济性分析对比结果

1）原油加热系统年运行费用A的确定。运行费用A主要涉及设备维护、运行耗能、设备折旧费用3个方面。其中，设备维护所需的费用和系统所需投资费用相关，大多数情况下为总投资费用的3%。

原油中含水率约为50%，水的比热容为4.2 kJ/(kg·℃)，原油的比热容取2 kJ/(kg·℃)，原油的密度取0.8 g/cm3，则整个系统的每日供热量：

原油加热系统的年耗能费用与其每日的供热量、能源热值、热效率等有关，其关系式为：

式中：T为原油加热系统的年耗能费用，万元；Qd为原油加热系统的日供热量，kJ；D为原油加热系统的年工作天数，d；p为能源价格，元/kW·h（以电能为例）；为能源的理论热值，kcal/kW·h（以电能为例）；ηQ为系统的热效率，%。

各类能源的单价均按陕西省相关部门2021年公布的价格进行计算，所需能源热值和热效率见表2。

表2 各类能源热值、热效率及价格

设备折旧费用计算采用年限平均法，计算公式为[19]：

式中：t为设备折旧费用，万元；D为原油加热系统的投资费用，万元；c为预计净残差率，一般取4%。

2）贷款利率a暂取10%，进行相关计算。

3）原油加热系统的可运行年限n，参照实际工程的最大使用年限，电锅炉、燃煤锅炉、燃气锅炉为10年，太阳能电辅、地源热泵、空气源热泵为15年。

4）原油加热系统所需投资费用B的确定。投资费用B包括加热系统设备的购买、安装、施工等费用。由于各系统未进行实际的具体设计，无法得知精确的投资费用，为进行计算比较，根据已知市场价格查得电锅炉、燃煤锅炉、燃气锅炉、空气源热泵的投资费用均为3万元左右，费用相近，假设其投资费用为D；而地源热泵投资费用为10 万元左右，其投资费用为3D[20]。

将以上参数代入式（1）进行计算，各类原油加热系统的经济指标见表3。

表3 各类原油加热系统经济指标

对电锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉进行比较，可以发现燃气锅炉的费用年值远少于其他两种锅炉；对空气源热泵、太阳能电辅进行比较，空气源热泵费用年值明显少于太阳能电辅；若投资费用B超过30万元，太阳能电辅的费用年值少于燃气锅炉；若投资费用B超过1.26 万元，空气源热泵的费用年值少于地源热泵。

在运行费用A的比较中，可以得出空气源热泵、太阳能电辅具有一定的优势。从实际角度出发，地源热泵的初期投资金额最低为10 万元左右，远超1.26 万元，因此空气源热泵虽然在年耗能以及运行费用上略高于地源热泵，但考虑投资金额和成本，综合经济效率最好。

3.2 等价标煤量对比结果

依据2.2中等价标煤转换原理及各类能源的折标系数，对各类原油加热系统的能耗进行标煤折算对比，结果如图3所示。

从图3 中可以看出，诸多原油加热系统的年能耗从大到小排序为：电锅炉＞太阳能电辅＞燃气锅炉＞燃油锅炉＞空气源热泵＞地源热泵。空气源热泵加热系统的年能耗经过转换，约为23.15 t 的等价标煤，与最低能耗的加热系统——地源热泵相差2.87 t的等价标煤，具有较好的节能性，能耗相对较低。

图3 各类原油加热系统年能耗转换为折标煤量

3.3 COP值与CO2减排量对比结果

通过对经济效率以及耗能的分析，太阳能电辅、地源热泵、空气源热泵加热系统具有较大的优势，且是原油加热系统未来的主要发展方向。因此，重点比较这3 种加热系统的COP 值和CO2减排量，如图所示4。

图4 各类原油加热系统COP值及CO2减排量

在原油加热系统的使用年限内，太阳能电辅系统的CO2减排量最多，达485.08 t；空气源热泵次之，为302.98 t；地源热泵的CO2减排量最少。同等情况下，地源热泵的COP 值可达4.0，空气源热泵的COP值为3.5，太阳能电辅系统的COP 值最低，为2.25。综合分析看，空气源热泵在CO2减排和热泵效能方面均具有较大的优势，节能环保效益明显。