加热原油的太阳能-污水源热泵系统的开发

钱剑峰，王 强

(哈尔滨商业大学 能源与建筑工程学院，哈尔滨 150028)

加热原油的太阳能-污水源热泵系统的开发

钱剑峰，王 强

(哈尔滨商业大学 能源与建筑工程学院，哈尔滨 150028)

分析了油田用热现状和含油污水利用现状，详述了太阳能热泵在国内外的发展现状.在此基础上，提出应用太阳能-污水源热泵系统回收含油污水余热来加热原油，进而分析了该系统的组成及五种运行模式，建立了系统的数学模型，为太阳能-污水源热泵系统的应用提供参考.

太阳能热泵；含油污水；原油加热；节能环保

我国原油特点是凝点高、黏度大，在原油输送过程中必须加热维温以保持原油良好的流动性.目前各油田大多通过化石能源的燃烧提供油田用热，其能源利用率较低，造成了大量的能源浪费，同时有害气体的排放也对环境造成严重污染，因此急需开发一种可靠、稳定、连续、节能的油田供热方式.

现阶段，我国大部分油田的开发已经进入采油的中后期，油田中采出液的含水率在70%～90%左右，对它们进行油水分离处理后，一部分用于回注，另一部分直接排入外界环境[1].含油污水的温度大约在35～60 ℃之间，其中所含热量十分巨大，直接外排不仅浪费能源，而且对环境产生“热污染”.

面对全球气候变暖，我国制定了多项法律法规促进节能减排和低碳经济发展.在暖通空调行业的发展中，太阳能热泵采暖系统作为一种新型的绿色环保供暖方式成为当下的研究热点[2].因此本文提出太阳能-污水源热泵系统，利用太阳能和含油污水中的余热联合为油田输油系统加热维温，这对节约化石能源的燃烧、建设节能环保型社会具有一定的研究意义.

1 引 言

1.1油田用热现状

我国油田用热主要包括原油输送系统的加热和冬季生活区采暖两部分(如图1)，原油输送时一般需加热至40～70 ℃，而生活区采暖需要的热水通常在80 ℃左右，两者均为低品位热用户[3].目前油田中各用热环节均采用加热炉加热，而原油加热炉存在多种腐蚀情况，主要包括燃料燃烧产生的烟气对炉管外壁及炉内件的高温氧化，炉管内被加热介质对管路系统的冲蚀、碳化、硫化、氢损伤、烟气的露点腐蚀和开停工等不稳定工况引起的热冲击等.此外，加热炉内化石燃料燃烧产生大量灰尘，积灰严重，烟灰中的硫化物在潮湿空气中酸化，导致炉管产生点蚀.同时，加热炉内温度分布不均会引起热应力腐蚀，严重时可诱发爆炸.由此可见，原油加热炉不仅消耗大量的一次能源，而且存在很多不足及安全隐患.因此，油田各环节用热应积极开发新能源、新技术，消除设备腐蚀及爆炸等一系列不安全隐患.

图1 油田用热需求

1.2含油污水的利用现状

含油污水伴随着油田的生产过程而产生，虽然各大油田的含油污水的温度有所差别，但它们的温度一般都较高，其温度分布如表1所示.我国油田含油污水日产量为1.9×106m3，目前污水一部分用于回注，另一部分直接排入外界环境.以海上油田为例，海上油田每年含油污水排放量为4.648×107t[4].若将外排污水中的余热进行回收，将会得到很大一部分热量.以大庆油田为例，大庆油田2008年含油污水量为121.5×104m3/d，取10 ℃温差，其热值可替代1 388.57 t标准煤[5]，这意味着我国油田含油污水余热的回收利用具有巨大的潜力.

表1 我国各油田含油污水温度分布

2 太阳能热泵技术发展现状

我国太阳能资源丰富，各地的太阳能年总辐射量约为3.3×106～8.4×106kJ/(m2·a)，平均值达到5.9×106kJ/(m2·a).其中全国总面积的2/3以上的地区年日照时数大于2 000 h[6]，具有良好的开发条件和应用价值.太阳能热泵系统是将太阳能系统与热泵系统组合利用的一种装置，它利用太阳能集热器所获得的太阳辐射能量作为热泵的低温热源，这样既降低了一次能源的消耗又能通过降低太阳能集热器表面温度来提高集热器的吸收效率.

2.1国外发展现状

20世纪50年代初，Jodan和Therkeld首次提出了太阳能与热泵联合运行的思想.之后，许多学者对太阳能热泵系统进行了研究.

A·Georgiev[7]利用太阳能集热器作为热泵的低温热源进行了试验，分析发现系统效率和热泵 COP 随着蒸发温度的升高或者冷凝温度的降低而增大，并且伴随冷凝侧质量流量的增加而增大.B·Stojanovi和J·Akander[8]针对某住宅的串联式太阳能热泵供暖系统进行测试，两年期间完全满足建筑热负荷要求.Kadir Bakirci和Bedri Yuksel[9]研究了附带蓄热装置的太阳能热泵系统的运行状况.研究发现，平板集热器的集热效率在33%～47%之间，热泵的COP为3.8，系统的COP为2.9.F·Scarp,G·Tagliafico 等人[10]针对平板集热器式太阳能低温热水和辅助热源为燃气锅炉的直膨式系统进行对比分析，发现后者的COP是前者的两倍.F·B·Gorozabel Cllata等[11]分析了制冷剂对直膨式太阳能热泵系统性能的影响，研究得出COP值取决于纯制冷剂及混合物的种类.Jorn Ruschenburg等人[12]全面回顾和分析市场上存在的太阳能热泵系统，对太阳能集热器和热泵之间的交互作用进行了简单的分析研究.

2.2国内发展现状

我国对太阳能热泵的研究相比国外来说起步较晚，20世纪 90 年代后期才开始关注太阳能热泵系统.

王成勇[13]等人对并联式太阳能土壤源热泵系统进行了实验测试，其平均制热效率为7.63，是单一土壤源热泵的2倍左右.叶晓莉[14]研究发现以 TRNSYS 软件建立的太阳能—土壤源热泵系统仿真模型和实验研究的误差在(±15)%以内，而且两者变化趋势一致.刘其伟和姜益强等人[15]设计了一种适用于严寒地区的太阳能热泵采暖系统，数据表明，11月和12月的典型日太阳能保证率分别可达70%和51%，节约费用可达60%左右.李善可[16]设计了太阳能—水源热泵串联式供热系统.通过经济分析，发现太阳能热泵系统受能源价格的变化不大，而且清洁无污染.马文瑞[17]以哈尔滨的一幢单体办公建筑的串联式太阳能热泵系统为研究对象，研究发现集热器最佳倾角为55°，且热泵在按照建筑负荷70%运行时节能效果最佳.赵达和张欣艳等人[18]提出并研究了太阳能土壤源热泵空调系统，通过理论分析，系统可更大程度的降低常规能源消耗率和运行费用[19].

国内外很多学者在试验研究、理论分析和数值模拟方面对太阳能热泵进行了研究，但大多研究的是单一热源.本文在前人研究的基础上，开发了太阳能-污水源热泵系统，太阳能与油田污水共同作为热泵热源，分析了该系统的五种运行模式，建立了系统数学模型.

3 太阳能-污水源热泵系统的开发

太阳能-污水源热泵系统利用污水余热及太阳能作为复合热源，属于清洁的太阳能资源与污水余热回收综合利用的一种方式.与传统热泵形式不同，该热泵系统的低温热源可以由太阳能集热系统和污水源交替或共同提供，克服了单纯太阳能供热由于夜间、阴雨天气或冬季太阳辐射强度较低而使热泵机组无法正常工作的问题.

3.1太阳能-污水源热泵系统的组成

本文针对大庆油田用热情况，设计出混合式太阳能-污水源热泵系统，如图2所示.该系统主要由两大部分组成：一是太阳能集热系统，该部分包括太阳能平板集热器、蓄热水箱、循环水泵及连接管件等；二是热泵循环机组，这一部分包括蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀阀等组成.这两部分经连接管及阀门连接在一起形成太阳能-污水源热泵系统.由系统的结构原理图可以看出，本系统的太阳能集热部分与污水的余热回收部分并联，然后与热泵循环机组串联，共同对用户侧进行热水供应.

3.2太阳能-污水源热泵系统的运行模式

太阳能-污水源热泵系统的运行模式是指系统运行期间根据工况与太阳能辐射强度等因素的不同选择不同的低温热源及管道连接方式，主要包括以下几种：1)太阳能集热器单独供热模式；2)太阳能热泵与污水源热泵系统交替供热的运行模式；3)同时采用太阳能和污水作为热泵系统的低温热源的联合运行模式； 4)太阳能集热器与辅助加热装置联合供热模式.

1～3—截止阀；4—集热器；5—水泵；6—蒸发器；7—压缩机；8—冷凝器；9—节流阀；10—污水换热器；11—污水处理站；12—注水站；13—辅助加热器；14～15—水箱；16—原油换热器.图2 混合式太阳能热泵系统

3.2.1 太阳能集热器单独供热模式

在天气晴朗，太阳能辐射强度较大的条件下，阀3打开，阀1、2关闭，热泵机组不工作，由太阳能集热器单独运行.水箱里的水由泵泵送到太阳能集热器，经集热器加热到80 ℃后再流回蓄热水箱以供使用.此时，该系统充分利用太阳能辐射热量加热热水，见图3(图中粗线表示运行流程，下同).

图3 太阳能集热器单独供热模式

3.2.2 太阳能热泵系统供热模式

当太阳能辐射强度不足以满足所需供热要求时，阀1开启，阀2、3关闭，运行热泵机组进行二次升温来达到80 ℃供热要求.此时太阳能集热系统与热泵机组串联，水流经集热器时吸收太阳辐射能，水温上升，经过加热的水作为热泵机组的低温热源，热量通过热泵机组工质的循环传递给用户侧的水，具体结构如图4所示.

3.2.3 污水源热泵系统供热模式

当遇到连续阴天、夜间或者冬季的严寒天气，此时的太阳辐射强度非常低，太阳能集热器不能利用太阳辐射对流进的水进行加热，而且冬季温度较低时可能会因结冰等问题破坏集热器.这时阀2开启，阀1、3关闭，单独利用污水作为热泵机组的低温热源，运行污水源热泵模式加热用水至80 ℃，污水源热泵的结构示意图如图5所示.

图4 太阳能热泵系统供热模式

图5 污水源热泵系统供热模式

3.2.4 太阳能-污水源热泵系统联合供热模式

当经太阳能集热器加热后水的温度略高于污水源的水温或两者非常接近时，可以同时采用两种热源作为热泵机组的低温热源(阀1、2打开，阀3关闭)，保证热泵低温热源的稳定性，提高蒸发温度.供应热水量固定时，通过此种措施可以有效地减小集热器的面积，减小初期的投入，结构形式如图6.

图6 太阳能-污水源热泵系统联合供热模式

3.2.5 太阳能集热器与辅助加热装置联合供热模式

当热泵系统出水温度过低，太阳能集热器又不足以达到供热需求，此时开启辅助加热装置，使太阳能集热器与辅助加热装置联合工作(阀3开启，阀1、2关闭)，进一步将热水加热到80 ℃的温度需求，具体流程如图7.

图7 太阳能集热器与辅助加热装置联合供热模式

4 系统模型的建立

4.1集热器数学模型

系统各部件采用稳态数学模型，各自建立太阳能平板集热器模型与热泵系统模型.忽略各管路压力损失及管路向环境的散热损失.在稳态时，平板集热器的热贮存率为零，其有效集热量为：

Qu=Qs-Ql

(1)

其中：Qu为集热器单位时间内有效得热量，kW；Qs为集热器单位时间内吸收到的太阳辐射能量，kW；Ql为单位时间内集热器热损失，kW.

Qs=AcGt(τα)e

(2)

其中：Ac为集热器的面积，m2；Gt为太阳辐射照度，W/m2；τ为玻璃盖板对太阳辐射的透过率；α为集热器对太阳辐射的吸收率.

Ql=ACUl(tm-ta)

(3)

其中：Ul为集热器的热损失系数，W/(m2·K)；tm为吸热板的平均温度，K；ta为环境温度，K.

将式(2)、(3)带入式(1)得

Qu=AcGt(τα)e-ACUl(tm-ta)

(4)

集热器效率：

(5)

其中：ηc为太阳能集热器效率.

将式(4)带入式(5)得

(6)

4.2热泵数学模型

制冷剂流量：

(7)

其中：mr1为制冷剂的循环量，kg；Vh为压缩机的工作容积；ηv为容积效率；r为电动机转速，rad/min；v1为压缩机进口处制冷剂的比容，m3/kg.

蒸发器能量平衡方程：

Qe=mr1 (h1-h4)

(8)

其中：Qe为蒸发器吸热量，kW；h4和h1分别为蒸发器进、出口制冷剂的比焓，kJ/kg.

冷凝器能量平衡方程：

Qc=mr1 (h2-h3)

(9)

其中：Qc为冷凝器放热量，kW；h2和h3分别为冷凝器进、出口制冷剂的比焓，kJ/kg.

节流阀流量：

(10)

其中：CD为流量系数；As为膨胀阀流通截面积，m3；ρl为膨胀阀入口制冷剂密度，kg/m3；ΔP为膨胀阀进、出口处制冷剂压力差，Pa.

节流过程认为是绝热等焓过程，故有：

h3=h4

(11)

其中：h3和h4为膨胀阀进出口处制冷剂的比焓，kJ/kg.

热泵性能系数：

(12)

其中：COP为热泵性能系数；Wi为压缩机所消耗的电量，kW.

4.3系统总效率

把该复合系统的总热效率定义为系统的总得热量与系统耗功之比.总得热量包括热泵冷凝放热量以及太阳能集热器获得的有效集热量两部分，则总热效率表示为：

(13)

其中：∑Wj为系统水泵耗电量，kW.

5 结 语

太阳能-污水源热泵系统集合了太阳能集热系统和热泵系统的双方面优势，不仅解决了油田供热存在的能源利用率低、污染环境的问题，而且充分利用含油污水的余热，节能环保.此外，太阳能-污水源热泵系统克服了太阳能系统的间断性问题，同时循环水吸收太阳辐射能，与含油污水混合作为热泵的低温热源，解决了热泵系统低温热源的不稳定性问题.随着太阳能热泵技术的不断深入研究，太阳能-污水源热泵系统将具有很大的发展前景.

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Developmentonsolar-assistedsewagesourceheatpumpsystemforcrudeoilheating

QIAN Jian-feng, WANG Qiang

(School of Energy & Construction Engineering, Harbin University of Commerce, Harbin 150028, China)

In this paper, the situations of crude oil heating and oily water utilization were analyzed. The development situation of solar heat pump at home and abroad was introduced. It was put forward that the solar-assisted sewage source heat pump system could be used to reuse oily water for crude oil heating. The composition of the system and five kinds of operation mode were analyzed. The mathematical model was also established. It provided some references for the application of solar-assisted sewage source heat pump system.

solar heat pump; oily water; crude oil heating; energy saving and environmental protection

2016-11-17.

黑龙江省高校青年人才培养计划(UNP YSCT-2015072)

钱剑峰(1979-)，男，博士，副教授，研究方向：制冷与热泵节能技术.

X741

：A

1672-0946(2017)04-0477-05