CO2热泵技术在采油厂的应用前景研究

2023-11-09林魁

山东化工 2023年18期

林魁

(福建雪人制冷设备有限公司,福建福州 350200)

我国的油田主要分布于东北、华北、西北等高纬度严寒地区,如长庆油田、大庆油田、胜利油田、延长油田、塔里木油田、克拉玛依油田渤海油田、中原油田等。且油田内各个采油厂往往分布距离较远,通常距离几百米至几千米不等,难以实现大规模集中供热。各采油厂多采用传统的小型燃煤锅炉或燃气锅炉来满足厂区的用热需求。随着中国经济的快速发展,节能环保已经越来越得到重视。在国家《打赢蓝天保卫战三年行动计划》及实现“碳达峰、碳中和”的背景下,开展燃煤锅炉综合整治成为重要的一环。以延长油田为例,陕西省榆林市政府规定全市不再新建每小时 35 t以下的燃煤锅炉,全面淘汰每小时 10 t及以下燃煤锅炉。因此采油厂的小型燃煤锅炉清洁替代技术的研究与应用迫在眉睫,既要满足生产工艺的用热需求,又要符合双碳战略的环保要求。

1 采油厂的用热需求及现状

由于油田主要分布于高纬度严寒地区且地处偏远,冬季气温可低至零下二三十摄氏度,极端恶劣天气气温低至零下三四十摄氏度,对于站场工作人员的生产和生活用房存在需要在严寒环境下稳定采暖的需求。

原油生产输送过程主要依托单井管线汇集到增压点站,输送到接转站后集中外输,原油的脱水温度为45 ℃,输送温度为25～60 ℃。我国的油田所产的原油大多数为高含蜡原油,蜡的含量多为15%～37%,有的甚至更高。由于受气温及原油品质的影响,如果输入温度过低就会发生原油凝固或凝结,使得原油的黏度增大,流动性减弱。这会造成单晶输油管线结蜡导致堵塞。不仅会影响管线输送效率,并且会使油井井口回压升高,抽油机负荷增大。因此为了保障原油的正常生产和输送,需要将井场原油加热到50～60 ℃[1]。原油从井场采集输送到接转站后,需要储存在油罐中再定期由槽车运输走,为了保障油罐卸油顺畅因此也需要对油罐进行伴热保持原油的流动性。目前大部分油罐的伴热多是采用电加热器或水套炉加热,通过燃烧煤或天然气来提供所需的热量。

综上,采油厂的用热需求主要分为:1)联合站的采暖,主要用于站场、生产辅助用房的生产用热和采暖;2)井场原油管道的加热;3)接转站内的油罐的伴热;4)其他应用[2]。

长期以来采油厂的供热主要采用小型燃煤锅炉或燃气锅炉等方式,但由于小型锅炉的燃烧条件不理想,往往燃烧不充分,不仅影响加热效果,还会造成能源的浪费和环境污染[1]。并且锅炉属于特种设备,需要专人运行维护,每年还需要进行年检,运行费用较高。

随着国家“碳达峰、碳中和”目标的提出,燃煤锅炉的高能耗、污染物排放等问题愈加凸显,油田作为用能大户,采用清洁环保的供热方式替代传统的燃煤锅炉,是实现绿色低碳循环发展的必由之路[3]。

目前油田加热炉清洁替代技术路线主要有太阳能、电锅炉、污水源热泵、空气源热泵等方式。江苏油田采用了以太阳能为主辅助电加热系统的供热模式,取代了传统的加热炉,但由于太阳能集热受到太阳能辐射条件的制约,容易出现阴雨天无法供热的现象,在晚间和太阳辐射不强时,仍然依赖于电加热器加热[4]。延长油田定边采油厂采用0.6 MW电锅炉替代原有的燃煤锅炉用于油罐伴热,年耗电量高达125万kWh,这些采用以电加热为主的供暖方式运行成本极高。同时由于电加热器加热温度很高,容易导致电加热器表面原油结焦损坏电加热器,需要定期更换维护。

污水源热泵有较高的能效,但在许多油田中污水资源相对匮乏无法满足污水源热泵的使用需求量。空气源取之不尽用之不竭,可以全天候运行,但由于严寒地区冬季气温极低,普通的空气源热泵在低于-25 ℃低温下往往无法正常运行,普通的空气源热泵多采用传统的氟利昂制冷剂,如R22(二氟一氯甲烷)、R410A(50%二氟甲烷和50%五氟乙烷混合)、R134a(四氟乙烷),这些制冷剂普遍存在加热温度受环境温度限制,低温环境下能效低的问题,热泵的出水温度在低温环境下通常低于50 ℃,无法满足井场原油加热和油罐伴热的供热需求。同时这些氟利昂制冷剂会造成温室效应,对环境存在影响。

空气源热泵技术在原油供热系统中应用越来越广泛,目前应用的普通氟利昂单级式空气源热泵在环境温度较低时适应性差、制热效果差[5]。并且普通氟利昂空气源热泵在蒸发器结霜之后很难产生有效的热量进行除霜,导致蒸发器一旦结霜后便无法正常运行影响生产工艺需求。因此一种可以在低环温下正常工作并且能够保障高出水温度的空气源热泵具有广泛的应用前景。同时随着《〈蒙特利尔议定书〉基加利修正案》的正式生效,传统的氟利昂制冷剂如R22、R410A、R134a等将会逐步淘汰,从环保角度出发,空气源热泵所采用的工质也应该采用低GWP的环保工质。

2 CO2热泵技术介绍

热泵(Heat Pump)是一种在高位能(一般为电能、热能)的驱动下,将低位热源(通常是空气、水或土壤)的热能转移到高位热源的装置。在热泵循环中,从低温热源吸收热量,消耗一定的机械功,并将热量传给高温热源。CO2热泵是以天然冷媒CO2为循环工质,从空气中获取低品位热能作为能源,产生高温热水的机组。可以在-35～43 ℃宽泛环境温度下生产高达90 ℃热水。

2.1 CO2热泵机组构成

CO2热泵机组主要由CO2跨临界压缩机、气体冷却器、回热器、节流阀、蒸发器组成,如图1所示,机组内换热介质为CO2,图2为CO2热泵机组外形图。

1. 压缩机;2.气体冷却器;3. 回热器;4. 节流阀;5. 蒸发器。图1 CO2热泵机组结构示意图

图2 CO2热泵机组外形图

2.2 CO2热泵工作原理

在CO2制热工况下,压缩机1排出的高温高压CO2超临界气体进入气体冷却器2,与水换热制出热水。高温CO2热气与水换热后温度降低,进入回热器3中继续与压缩机1回气进行换热,可以提高系统的能效值COP。温度进一步降低的CO2低温超临界气体经过节流阀4进行节流减压后进入两相区,变成CO2气液混合物后进入蒸发器5中吸收空气中的热量蒸发为气态。低温低压的CO2气体经过回热器3的预热,回到压缩机1进行压缩,如此形成系统循环。

2.3 CO2热泵的特点

1)采用天然冷媒CO2为循环工质,GWP值为1,绿色环保。

2)应用范围广泛,环境温度从-35～43 ℃均可运行;可以满足严寒地区的正常使用。

3)采用CO2跨临界循环,最高出水温度高达90 ℃,可满足采暖或原油加热伴热等各种用热需求。

4)能效高,相同工况下较普通氟利昂空气源热泵能效高20%以上,符合节能降碳的需求。

5)高效稳定除霜,可以在严寒地区稳定除霜,保障设备正常运行。

2.4 为何选择CO2

CO2作为最典型的自然工质,它的特性相较于其他制冷剂具有明显的优势,主要包括:1)廉价性,CO2在自然环境中数量巨大,来源十分广泛,容易获取,并且是很多工业过程的废气,价格十分低廉,但需要注意的是CO2热泵所需要的CO2制冷剂需要纯度99.99%以上,以免其中含水量较大会引起管道腐蚀。2)环境友好,CO2本身存在于自然环境中,不会对环境造成破坏。即使发生泄漏也不会有任何影响。3)安全性,CO2本身无毒、不可燃、不爆炸、无色无味,相对比较安全。唯一需要注意的是CO2热泵系统压力较高,以及CO2具有窒息性,密闭空间中需要注意。在油田中CO2热泵产品多为户外安装,就不会有这方面的安全隐患。

3 CO2热泵在采油厂的应用节能分析

1)CO2热泵可在低环温下稳定制取高温热水的特性特别适合采用厂的用热需求,目前CO2热泵主要分为CO2热泵热水机组和CO2热泵采暖机组,针对站场、生产辅助用房的采暖需求可以选用CO2热泵采暖机组,采用暖气片55 ℃供水条件下IPLV(H)可达2.44,超过空气源热泵一级能效的指导值2.1,具有良好的节能特性,相较电锅炉运行费用节省60%。

如图3所示,CO2热泵联合站采暖中通过CO2热泵采暖机获取空气中的热量作为热源,产生55 ℃的采暖热水储存在储水箱中,再通过水泵输送至各个需要采暖的区域。

图3 CO2热泵联合站采暖流程图

2)针对井场管道原油加热可以采用CO2热泵热水机组,特别适合大温差换热,以单井原油从15 ℃加热至55 ℃为例,原油和水的混合物综合比热容约为3.2 kJ/kg,则每小时2 t的单井热负荷为71.1 kW,CO2热泵热水机组的年平均制热COP为3.8,则单井配套一台CO2热泵年运行费用约为9.8万元,平均电价按0.6元计算。较使用电锅炉的运行费用39.2万元节约了75%,节能效果非常显著。

如图4所示,从油井来的低温黏稠的原油,传统工艺使用电伴热等方式进行加热后输送,可以将CO2热泵热水机作为电伴热的旁通管路,将原油管路通过阀门切换至CO2热泵热水机这条管路上,将原油加热至55 ℃后进行输送。

图4 CO2热泵井场原油加热流程图

3)针对定边采油厂东关采油站1 827集输点的油罐伴热进行节能改造,该采油站在榆林市环保政策要求下淘汰了小型燃煤锅炉,投资了一套0.6 MW的电锅炉,生产65 ℃的热水用于10个原油罐伴热使用。节能改造前,电锅炉年总耗电量为125万kWh,平均日耗电量约3 400 kWh,年运行费用达到约74.5万元,平均电价按0.6元计算。采用3台CO2热泵机组进行节能改造可满足制热量的需求,运行成本与其他加热方式费用对比如表1所示。

表1 运行费用对比

如图5所示,通过3台CO2热泵产生65 ℃的热水,通过水泵输送至储油罐。储油罐的内部结构是具有一个水套加热盘管,通过65 ℃的热水在盘管中流动,可以将油罐内的原油温度维持在50～60 ℃。因此原油具有良好的流动性,可以随时卸油注入油罐车。加热后的热水温度降至55～60 ℃后回到CO2热泵重新进行加热,如此循环。