空气源热泵技术在海上平台的应用

吴斌，姜春起，曲双杰

(中海油能源发展股份有限公司 采油服务分公司，天津 300452)

海上平台生产需要消耗大量的原油或者柴油，不仅投资成本增加，而且碳排放量过高。为此，考虑对平台电加热设备进行技术改造，采用空气源热泵技术和智能化控制技术，充分利用平台发电机废热和空气低效热能，把这些低效热源变成高效热源，为海上平台员工提供热水与舒适的生活环境，降低能源消耗，减少碳排放量。

1 空气源热泵应用的可行性

1.1 海上平台面临的能耗问题

海洋石油平台属于高耗能企业，碳排量量过高会严重制约企业的发展，节能降耗已成为海洋石油生产平台关注的重点。每个海上平台的碳排放量是有配额限制的，高出配额的一部分就要去碳交易市场购买，并且能耗的增加也会增加成本投入，使原油开采成本进一步提高，从而限制了企业的发展。降低能耗，减少碳排放量，已经成为企业关注的重点。

1.2 空气源热泵节能原理

空气源热泵是一种将热量从低位热源流向高位热源的节能机械装置，可以把不能直接利用的低位热能(如空气、土壤、水中所含的热量)转换为可以利用的高位热能，把室外的能量传到屋内，从而达到节能的目的。空气源热泵是利用逆卡诺循环原理，利用少量电力，推动压缩机对介质做功。介质能通过热交换器吸收环境中空气的热量，同时介质从液态变为气态，再通过电力驱动的压缩机将介质压缩为较高温高压的液体，最后水与空气通过另外一个较热交换器从而获得热水和温暖的空气。由压缩机消耗的功转化成的热仅是热泵输出热量的一小部分，大部分是自然界提供的自然能，这种能量是免费和取之不尽的。所以热泵与直接使用电加热相比是一种高度节能装置。

1.3 海洋环境影响

海上冬季，室外温度低于-8 ℃，寒风凛冽，空气源热泵的制热性能与海上平台环境气温有着直接的关系。空气源热泵的制热过程比较复杂，当换热器表面温度低于空气露点温度时，空气中的水汽就会结露，此时换热器表面就可以相变换热，制热能力得到提高；但当换热器表面温度低于空气的冰点温度时，换热器表面就会结霜，影响热交换量，甚至会结冰，压缩机也会出现低压保护停机现象。换热器表面结霜，会影响正常有效的供热，所以必须定时化霜。

目前陆地空气源热泵机组大部分采用反向循环来化霜或者电加热器化霜，压缩机停止供热，故系统供热量受明显影响。结霜很严重时，需要平均20～30 min化一次霜，一次化霜的时间为5～7 min，因化霜减少的供热量达18%左右。海上环境气温更低，机组要不断地化霜，供热能力急剧下降。据统计，当温度为0～6 ℃时，供热输出率为额定工况下的75%～68%；当温度为-6～10 ℃时，机组的供热输出率为额定工况下的68%～59%；当温度在-10 ℃以下时，机组的供热输出率为额定工况下的59%以下。针对海上平台特点，可在外部换热器加设主机废气余热辅助熔霜设备(提高主机废气余热利用，降低能源浪费)，保证热泵系统在冬季的稳定运行。

1.4 智能化设计实现精准控制

空气源热泵智能控制系统应该具有参数设置，系统控制，数据记录、统计与分析，故障提示与报警等功能，可根据大数据分析结果实时智能启动相应控制程序。采用可编程智能化控制系统，与现场中央空调PLC控制系统不冲突。智能监控每个房间的温度与湿度，并根据每个员工的不同生活习惯与体制进行参数设定，为每个员工提供舒适与健康的生活环境。实现智能化精准控制，操作人员完全不必通过调节参数来控制室温，并且精准控制可以实现5%-20%的节能效果。

采集每个房间的温度、湿度、面积、人员数量、室外环境温度与湿度、24 h的天气预报与空调负荷的变化等，对每时段的空调负荷进行预测，并采用压缩机无功补偿优化压缩机运行，精准控制循环风机运行与停止，使每个房间的室温达到所需要的值。智能化控制系统的大数据分析和调节控制功能把室内的环境控制在对人体适宜的范围内，可避免电能的浪费，避免过热、过冷及空载现象的发生，有效解决系统惰性的控制时滞问题。

1.5 原中央空调与热水器的节能性改造

1)单向阀改为四通阀。通过改变原中空调中可压缩介质流动的方向，实现中央空调既能制冷又能逆向运行制热。

2)热水罐改装。在热水罐内加换热器，可压缩介质在外部换热器中吸收空气中的热量并气化，然后可压缩介质通过压缩机压缩后，压力增大温度升高，介质再通过热水罐内的换热器给水加热，提供源源不断的热能。

3)热回收换热器。陆地工况条件下，空气源热泵一般采用的换热器效率低，管路损失大，为此，在设备中加入热回收装置，解决热泵系统的换热效率低的技术问题。

4)主机废气余热辅助熔霜设备。该设备利用平台主机排气余热作为热源并引入热交换器，使用风机将废气余热通过废气热交换器吹到中央空调的热交换器上，从而使中央空调的热交换器内部的介质升温。利用平台主机排气余热来为中央空调在冬季提供高效的热源，安全可靠，主机废气不会泄露进入生活楼。

2 系统组成

2.1 控制系统

1)逻辑控制方案。通过PLC程序对中央空调系统进行现场控制。利用计算机技术，建立数据库；利用模糊理论与控制技术，通过对每个房间的温度、湿度、房间面积、人员数量、室外环境温度与湿度、24 h的天气预报与空调负荷的变化情况等进行记录、统计、分析、运算和推理，基于历史负荷及其人员反馈，对每时段的空调负荷进行预测，控制电磁阀的开度，解决系统惰性的控制时滞问题，即可增加舒适度，又可降低能耗。

2)通信方案。采用光纤通信，采集的每个房间的温度与湿度等数据和人机界面输入数据通过光纤传输到计算机，计算机控制系统能够从整体上了解房间状态，做出判断，把指令信息传给PLC系统控制中央空调运行。另一方面，计算机控制系统把控制数据通过光纤发送给人机界面，从而实现中央空调的智能控制。

3)人机界面。组态王软件具有适应性强、开放性好、易于扩展等特点，采用组态王软件显示中央空调的运行状态，显示的内容有报警窗口、电流实时趋势曲线、室内温度和湿度曲线、室外温度与湿度曲线、天气预报等。通过这些信息可以快速分析中央空调运行状态，便于设备维护保养与检修。各房间通过温度控制器显示房间温度与湿度，控制风闸开度，控制房间温度。

控制实现过程见图1。

图1 控制实现过程示意

2.2 硬件配置

1)四通阀。用于改变空调中氟利昂流动的方向，让中央空调可以制冷也可以制热，海上平台原中央空调均是本身只能制冷，冬季使用电加热管制热，冬季消耗惊人的电能。把原中央空调的单相阀改为四通阀后，中央空调既能制冷又能制热。

2)原中央空调。对原中央空调进行制冷系统管路、电磁阀、控制系统改装，加装热介质油辅助熔霜系统，其他部分保留。

3)热水罐与热回收换热器。增加1套热水与热回收换热器，对相关介质线路进行改装，见图2～4，实现夏季房间制冷、冬季房间制热、春秋季房间通风和四季热水器制热，代替原始电加热，达到节能减排的目的。

图2 夏季房间制冷，热水器制热原理示意

图3 冬季房间制热，热水器制热原理示意

图4 春秋季房间通风，热水器制热原理示意

4)主机废气余热辅助熔霜设备。见图5。

图5 主机废气余热辅助熔霜原理示意

该设备装设在蒸发器旁，把平台主机排气余热作为热源，利用易于热传导的热交换器和易于升温的介质，通过管线把高温介质运到中央空调蒸发器旁边的热交换器，使用风机将介质的热量通过吹到中央空调的蒸发器上，从而使中央空调的蒸发器内部的介质升温。利用平台主机排气余热作为中央空调在冬季提供的高效热源，可提高能源利用率，也一定程度上减少环境污染。

3 平台空气源热泵节能减排计算

用热泵替代电加热对生活楼与热水器进行加热,按照海上平台41人对节能减排效果进行计算验证，对空气能比电加热器节能进行对比分析。结果表明，全年节能效率达到74%,因此,空气能热泵具有显著的节能效果。详细计算步骤如下。

1)需要消耗热水。

=41人×30L/人×365 d=448 950 L。

2)电加热每年需要消耗电能。

=448 950×(60-10 ℃)×4.2/3 600/0.95=27 567 kW·h。

3)空气能每年需要消耗电能。

=448 950×(60-10 ℃)×4.2/3 600/4=6 547 kW·h。

4)节省电能。

=-=21 019 kW·h。

冬季中央空调节能效果计算如下。

1)原始中央空调电加热器消耗电能。

=150 d×24 h×100 kW=360 000 kW·h。

2)空气源热泵中央空调消耗电能。

=/4=360 000 kW·h/4=90 000 kW·h。

3)节省电能。

=-=270 000 kW·h。

全年节省能源及碳排量计算。

1)全年节省电能。

=+=291 019 kW·h。

2)减少二氧化碳排量。

=291 019÷3 400×860×3.02=222 304 kg。

对海上平台中央空调和生活热水加热系统改造后，41人的海上平台每年可节省29万kW·h(相当于116 t原油)，减少碳排放量222 t。不仅每年减少能源投入40万元，在规定的碳配额情况下提高生产产量。空气源热泵技术在海上平台应用后，节能减排效果非常明显。并且此系统应用智能化控制技术，精准控制整个系统，可充分利用主机废热，保障热泵系统高效运行。

但是，空气热源泵需要压缩机不断运行，也需要消耗一部分电能，能效比为3∶1，并且压缩机运行噪音较大，易对员工造成职业病危害。整体分析，海上平台中央空调和生活热水加热系统的改造利大于弊，降本增效和节能减排效果显著。

4 结论

空气热源泵在海上平台应用，原油或者柴油消耗量会大幅度降低，不仅降低了生产成本，而且在定量的碳配额的情况下，平台生产产量可以进一步提高。采用空气源热泵技术和智能控制技术，结合废热的利用，很好地解决了海上恶劣环境中平台的生活舒适度和故障检修等难题。但在环境温度低于-20 ℃的情况下，应加强设备巡检，防止结霜，并辅助电加热保持舒适的环境。