压缩式水源热泵技术在河一联合站的应用

贾炜镔

中国石油华北油田分公司第三采油厂，河北河间 062450

热泵是一种充分利用低品位热能的高效节能装置。热量可以自发地从高温物体传递到低温物体中去，但不能自发地沿相反方向进行。热泵的工作原理就是以逆循环方式迫使热量从低温物体流向高温物体的机械装置，它仅消耗少量的逆循环净功，就可以得到较大的供热量，可以有效地把难以应用的低品位热能利用起来，从而达到节能目的。

华北油田第三采油厂河一联合站地处京津冀环境治理地区，污水处理量1 800 m3/d，污水温度40～50℃，蕴含约6.72×104MJ/d的低温热能，余热资源丰富；同时，面对日趋严峻的环保形势和居高不下的燃气成本，积极开展热泵技术研究，回收生产余热，减少燃气消耗，即实现清洁环保生产已刻不容缓。

1 河一联合站现状

河一联于1977年建成投产，具备原油脱水、原油外输、污水处理、注水、供热功能，最初原油处理能力100×104t/a，外输能力100×104t/a。随着社会的发展，对环保的要求也越来越严格，河一联加热炉燃烧原油不能达到排放标准，氮氧化物、硫化物超标。河一联曾对原加热炉加热方式进行改造，1990年对河一联站内进行整体改造，改造后原油处理能力75×104t/a，外输能力50×104t/a；接收河间南、河间北、河间西、留一联等各站来油，建有12个计量站、7个拉油点、1个阀组间；辖油井215口，日产液量2 100 m3，日产油量270 t，综合含水87%。河一联现有2 330 kW加热炉3台、1 250 kW加热炉1台，污水处理量1 800 m3/d，污水温度40～50℃，输出热水温度65～70℃，河一联主要工艺流程如图1所示。按照以往工艺，40～50℃的污水所含的余热是直接浪费掉的，如果可以将这部分低温余热加以利用，用来生产65～70℃的热水，一方面可以减少热污染，同时也可以节省加热炉所需燃气。

图1 河一联主要工艺流程示意

2 河一联合站采用的技术方案及热泵选择

河一联站内系统采用压缩式水源热泵，站内热泵设备提供70℃以上热水，提供的热水作为热力系统的辅助热源，污水通过高效换热器作为热源水提取污水热量，通过热泵蒸发器吸收；工艺流程采用高温热泵技术和产品，替代原燃气加热炉。原燃气加热炉保留，一方面自产气仍然可以通过加热炉消耗，另一方面作为热泵机组的备用。河一联热泵工艺流程见图3。

图3 河一联热泵工艺流程

设计热泵污水进水温度38℃，热水进水温度60℃，出水温度70℃；制热性能系数COP达到4.8；制热量达到1 183.7 kW；余热取热量937 kW，热泵机组两器都采用标准1 MPa承压水室，机组底部采取减振措施。

污水取热采用过滤装置以及反冲洗流程确保污水流量和稳定；采用钛合金板式换热器，既耐腐蚀同时又高效换热。燃气炉热泵运行控制采用串并联控制，确保自产气的使用、工艺的稳定和热泵运行最大化。系统全自动控制，无人值守，系统接入采油厂站控系统实现全程监控。

3 压缩式水源热泵机组的特点[1-5]

（1）双螺杆压缩式水源热泵具有高效节能的特点。该装置系统之所以节能源于其所提供的热量中有很大部分是从低温侧无偿获得，出水温度可以达到70℃以上。传统空调式或者单螺杆热泵进水温度一般在15～40℃，出口温度55℃，不完全适合原油生产加热、伴热使用；双螺杆压缩式水源热泵进口温度可以到35～50℃，非常适合于利用油田污水热量，出水温度高达70℃，适合用于油田原油加热和管道伴热，它比传统空调式热泵出口温度高7～15℃，压缩式热泵机组的制热系数可达到3.0～5.0。

（2）压缩式水源热泵环保效果显著。热泵机组省去了燃气、燃油加热系统，没有燃烧过程，运行无污染，无燃烧，无排烟，不产生废水、废气和烟尘，对环境友好，绿色环保。

（3） 压缩式水源热泵运行稳定可靠，维护方便。水体的温度一年四季相对稳定，使得热泵机组运行稳定可靠，保证了系统的高效性和经济性；采用全电脑控制，自动化程度高，相对于传统式外部控制器和控制逻辑热泵，机组部件少，运行稳定；由于系统简单，因此比传统热泵维护费用低，使用寿命长。

（4）压缩式水源热泵的蒸发器和冷凝器按照NB/T 47012—2010《制冷装置用压力容器》、GB 151—1999《管壳式换热器》标准进行制造，热泵机组压缩机采用半封闭式双螺杆压缩机，具有转速高、可靠性高、动力平衡性好、适应性强等优点，采用垫片密封、真空高压检测，无漏油漏氟的问题，采用吸气冷却电机，保证电机稳定可靠的高效运行，同时等熵效率高，达到70%以上，比单螺杆压缩机效率高；压缩机和电机采用直接驱动方式，减少了电机和压缩机之间的机械损失，电机效率达到95%以上；压缩机整体密封，包括电机、接线盒等组成部分在内达到IP54防护等级，电机符合F级绝缘等级，传统热泵主要集中应用于宾馆、民用空调、采暖和洗浴等领域，而压缩式水源热泵则主要应用于工业领域，特别是在油气防爆环境下，其应用范围更广；机组采用独立控制柜，系统采用PLC控制和触摸屏人机交互界面，控制柜触摸屏显示设备运行状态和各种运行参数，具有正常和紧急情况下的启机、停机、系统故障显示与报警、检测信号上传等功能，保证控制柜及其内部设备的所有性能可靠；机房内设置有可燃气体探测器及报警器，联锁风机启动；探测器安装在机房内，报警器安装在已有控制室，当报警时，信号进入PLC系统，并将信号远传到联合站PLC系统，输出信号传送给热泵组撬联锁风机启动；机组的日常运行过程完全由机组控制系统器控制，根据负载变化自动控制机组的运行，机组可实现12.5%～100%负荷变化的无段容调；机组控制系统具备控制及检测功能，冷水机具有高低压保护、过载保护、排气温度保护、电流保护、防冻保护、水流开关保护、传感器故障保护、压缩机内置保护、油位开关保护、防频繁启动、低流量报警、安全阀启闭、断水报警、蒸发器冻结保护、冷媒压力过低和过高保护、电机过热保护等功能，比传统热泵的安全系数更高。

4 运行效果

河一联压缩式水源热泵及其配套工艺于2018年10月开始建设，当年12月21日正式投运，额定制热量1 183 kW，目前运行良好。在冬季运行条件下耗电量254 kW，获得热量1 252 kW，COP为4.93；通过一年多的运行，节能效果显著。具体运行数据见表1。

表1 河一联压缩式水源热泵运行数据

热泵投运前天然气日均消耗4 600 m3，热泵投运后天然气日均消耗2 265 m3。2019年热泵投运后与2018年运行前耗气量对比，平均耗气量减少50%，见图4。

图4 压缩式水源热泵运行前后一年中天然气消耗量对比

河一联每天污水处理量为1 600～1 700 m3，采用热泵可节约燃气85×104m3/a，每年可节约能源费用107万元。采用压缩式热泵技术节约了能源，减少了余热污染，对环境保护起到了积极的效果。

5 结束语

随着社会对环保的要求越来越严格。华北油田第三采油厂河一联合站地处京津冀环境治理地区，使用燃烧原油的加热炉供热能源消耗大，且不能达到排放标准，氮氧化物、硫化物超标。采用压缩式水源热泵，通过高效换热器利用污水作为热源水提取污水热量，把难以应用的低品位热能利用起来，代替燃油、燃气加热炉供热，既满足了生产对热能的需求，同时也做到了节能降耗、清洁环保，其经济效益和社会效益十分明显。