高温水源热泵在原油加热中的应用

张延春

摘要：通常情况下，热可自行由高温物体传递给低温物体。与此同时，按照热力学第二定律，通过消耗机械功可以使热从低温物体传递给高温物体。为了回收排到大气中的低温热气、排到河川中的低温热水等中的热量或回收品位较低的热能，热泵被用来将低温物体中的热能传送高温物体中，使热量得到充分利用。

关键词：热泵技术；背景；应用

1 热泵技术简介

通常情况下，热可自行由高温物体传递给低温物体。与此同时，按照热力学第二定律，通过消耗机械功可以使热从低温物体传递给高温物体。为了回收排到大气中的低温热气、排到河川中的低温热水等中的热量或回收品位较低的热能，热泵被用来将低温物体中的热能传送高温物体中，使热量得到充分利用。

热泵的性能一般用能效比(COP)来评价。能效比的定义为由低温物体传到高温物体的热量与所需的动力之比。通常热泵的能效比为3－4左右，也就是说，热泵能够将自身所需3到4倍的热能从低温物体传送到高温物体。

热泵技术目前在许多发达国家已经得到了普遍应用，目前在我国的工业和民用方面，热泵也已经得到了广泛的应用。但普通水源热泵的出水温度只能达到55℃左右，应用范围很窄。北京清源世纪科技有限公司通过和北京市科委、清华大学的紧密合作，研发出国内独有技术的高温水源热泵机组，采用高温环保工质HTR01、02，突破了电动压缩式热泵的温度瓶颈，最高供水温度可达95℃，可以从15~60℃的低品位热水中回收热量，制取60~95℃的高温热水，是具有“高温、高效、环保、节能”优点的高新技术产品，可广泛应用于低温地热水、地热尾水的余热回收、中央空调冷却水余热回收、油田含油污水余热回收，以及其他工业废水、废热的余热回收利用，极大的拓展了热泵的应用范围，特别是在工业领域的应用。

2 原油加热热泵的技术背景

油田在生产过程中产生大量含油污水，这些含油污水的温度往往较高，例如胜利油田的含油污水在夏季可以达到57℃，在冬季可以达到53℃；大庆油田含油污水的温度一般在36~42℃。我国油田每天含油污水日产量为190万立方米（来自1998年陆地油田统计数据），海上油田每年含油污水排放4648万吨（2000年中国海洋环境质量公报）。由此可见，我国油田含油污水的余热回收潜力巨大。人们一直在关注着如何回收利用这部分热能来为油田的生产和生活服务，同时解决因燃烧矿物燃料造成的污染问题（同时因为原油在我国来说是属于希缺资源，因此有必要节约使用）。这部分热能的特点是品位比较低，但是可以利用热泵来提高其温度，有相关文献报道在胜利油田等油田有利用吸收式热泵进行冬季供热的案例，可以节约大量的燃油。

含油污水余热的回收利用用于供暖，只解决了很小一部分含油污水的利用问题，仍然有相当多的含油污水的余热被排放到大气中，即造成热污染又浪费资源。一方面，随着油田的开发进入中后期，油井的含油污水水量越来越大；另一方面，原油的脱水和外输都需要加热，尤其是稠油，由于其粘度较高，必须加热降粘之后才可以外输。稠油集输工艺主要包括掺热水、掺稀油和三管伴热3种流程，相应的加热炉也分为稠油加热炉、稀油加热炉和热水炉三类，诸多的加热过程需要耗费大量的能量，这就需要深入研究加热炉的形式，以降低原油在集输过程中的能耗。目前可以采用的加热炉主要为燃油燃气水套加热炉的形式，原油加热的温度范围为40~70℃，这种形式的能量利用方式实际是采用燃烧高品位能源获得低品位热能，有用能效率较低。即使不考虑有用能效率的问题，这种加热炉的一次能源利用效率约为85%。

采用清华大学与我公司合作开发的高温热泵，可以满足原油加热的需求，同时大大的提高了一次能源利用效率，与原有系统相比，一次能源的利用效率大约可提高36%。

3 技术概要

基于上述考虑，如果采用压缩式热泵的形式应用于含油污水废热回收利用和原油加热，必须满足下面三个条件：

①该种热泵的工作范围必须兼顾到含油污水的温度（40～60℃）和油出口的温度（70℃左右），在此工作范围内效率尽量要高；

②与传统的燃油燃气水套加热炉相比具有良好的经济性。

③动力来源方便，能很好地适应复杂多变的原油加热的工作环境。

采用电动压缩式高温热泵就能很好的满足上述三个必要条件。

众所周知，传统的中温制冷剂如R22和R134a等不能满足水套加热炉出口油温度的需求。为使热泵出口温度进一步提高，热泵的工质采用清华大学热能系专门研制开发的高温环保制冷剂，经过实践证明，采用这种工质的热泵，出水温度可以达到90℃,最高可以达到95℃，同时还具有比较高的能效比，例如在冷凝温度为85℃（蒸发器进口温度50℃）的情况下，可以很好的满足原油加热的需求。这种系统的原理如下图所示：为了避免含油污水对热泵系统的腐蚀，上图中的污水－水换热器必须采用特制的耐腐蚀钛管换热器。采用水作为中间介质进行换热。

根据严格推算，上述热泵系统在该种工况下的COP可以达到3.8以上，而整个系统（含水泵）COP可以达到3.5以上。

我们可以通过计算该种热泵的一次能源效率来证实其经济节能性（假设发电的效率为33%）

电动压缩式高温热泵装置，其一次能源利用效率可以达到1.16以上，大大超过燃油燃气锅炉，是一种非常高效的节能装置。

专用原油加热系统介绍：

为了使热泵的能源利用效率进一步提高，系统进一步简化，可以采用如下图所示的技术：

热泵机组的两器（蒸发器和冷凝器）采用特殊设计，蒸发器能耐腐蚀，含油污水可直接进入蒸发器，而原油可以直接进入冷凝器，取消了原来的油－水换热器和污水－水换热器，同时取消了相应的水泵及补水系统，使原油加热热泵系统大大简化。但该种系统需要特殊设计，同时需要国内外专业生产换热器的厂家配合。

在该种工况下整个热泵系统的COP可以达到5以上。

这种情况下的一次能源利用效率为：与原有的水套加热炉相比，提高了将近一倍。

4 优势分析

总而言之，电动压缩式高温热泵与现存技术相比，具有如下特点：能源利用效率高：如上所述，能源利用效率比燃油燃气锅炉效率大大提升；原油属于希缺资源，目前我国所使用的原油有一半依赖于进口，同时，国家原油战略储备的形势日益严峻，节约原油的战略意义更加凸显；运行成本低：本装置初投资方面比常规锅炉高，但在运行时减少一次性能源（原油和天然气）的消耗，运行费用大大减少，所以可以在很短的时间内通过运行费用的节约而收回初投资；环保效果显著：原油和天然气的燃烧大幅度减少，燃烧效率提高，废气的排放也大幅度降低；有利于污水回灌：在充分利用了含油污水余热的前提下，降低了含油污水的温度，为污水处理回灌创造了便利条件，同时减少了含油污水对环境的热污染，具有非常好的环保优势；动力来源便利，益于推广：该产品主要动力是电能，便于获得；安全可靠：该系统运行稳定，无任何安全隐患。以胜利油田为例：目前胜利油田日产含油污水30万吨（12500t/h），温度50℃。如果采用高温热泵从中提取5℃的热量进行回收，则可回收的能量为：73000kW。考虑到热泵输出端的热量，可达10万kW左右。相当于10t/h原油全部燃烧的热值；如果照此核算下去，相当于每年87600t原油的产能；如果利用热泵将含油污水温度下降20℃，达到30℃排放，则每年可以节约原油35万吨，相当于整个胜利油田1%的原油产量。一台1000kW的水套加热炉，所需要的燃油为95.69kg/h，假如胜利油田共有100台类似水套加热炉，则每小时需要消耗原油9.6吨，每年需要消耗原油8.4万吨。可见只需采用热泵将污水温度下降5℃即可满足全部胜利油田水套加热炉的需求。