热泵技术在油田地热能资源开发中的应用

邓克宁（中国石油集团电能有限公司电力研究设计院）

1 概述

地热能作为一种可再生的清洁能源，应用领域广泛，发展潜力巨大，开发利用地热能资源是符合企业安全生产环保要求、目前国家产业发展要求、国家新能源发展规划的一项举措[1]。2017年1月23日，国家发展改革委、国家能源局、国土资源部联合颁布了《地热能开发利用“十三五”规划》，正式将地热能的发展纳入国家规划。规划指出“全面推进能源生产和消费革命战略，以调整能源结构、防治大气污染、减少温室气体排放、推进新型城镇化为导向，依靠科技进步，创新地热能开发利用模式，积极培育地热能市场，按照技术先进、环境友好、经济可行的总体要求，全面促进地热能有效利用”。

2021 年9 月10 日，国家能源局发布了《关于促进地热能开发利用的若干意见》（国能新能[2021]43 号），对我国地热能资源开发利用做以明确。指导思想：“稳妥推进地热能资源勘查和项目建设，规范和简化管理流程，完善信息统计和监测体系，保障地热能开发利用高质量发展。”主要目标：到2025 年，各地基本建立起完善规范的地热能开发利用管理流程，全国地热能开发利用信息统计和监测体系基本完善，地热能供暖（制冷）面积比2020年增加50%，在资源条件好的地区建设一批地热能发电示范项目，全国地热能发电装机容量比2020年翻一番；到2035 年，地热能供暖（制冷）面积及地热能发电装机容量力争比2025 年翻一番。

大庆油田是我国纬度最高的油田，气候寒冷，每年有6 个月采暖期，无论是职工生活还是油田生产都消耗大量的石油、天然气和煤炭。开发地热能可以节能减排，降低油田生产成本，助推绿色油田建设，有利于实现大庆油田的可持续发展[2]。

2 热泵技术

2.1 热泵技术原理

热泵是一种将低温热源的热量转移到高温热源的装置，属于充分利用低品位热能的高效节能装置。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，仅消耗少量的逆循环净功，就可以得到较大的供热量[3-5]。

在夏季空调降温时，按制冷工况运行，由压缩机排出的高压蒸汽，经换向阀（又称四通阀）进入冷凝器。在冬季取暖时（或用于原油加热时），先将换向阀转向热泵工作位置，于是由压缩机排出的高压制冷剂蒸汽，经换向阀后流入室内（或油罐内）蒸发器（作冷凝器用）；制冷剂蒸汽冷凝时放出的潜热，将室内空气（或油罐内原油）加热，冷凝后的液态制冷剂，从反向流过节流装置进入冷凝器（作蒸发器用），吸收外界热量而蒸发；蒸发后的蒸汽经过换向阀后被压缩机吸入，完成制热循环。这样，将外界空气（或循环水）中的热量“泵”入温度较高区域，故称为“热泵”[6-7]。

热泵按照热量来源可分为水源热泵、地源热泵和空气源热泵；按照驱动方式可分为电力驱动、燃气引擎驱动和热力驱动热泵；按照工作原理可分为压缩式和吸收式热泵。热泵工作原理见图1。

图1 热泵工作原理Fig.1 Working principle of heat pump

2.2 热泵选型方案

在油田企业实际应用中，根据燃气吸收式热泵和电驱压缩式热泵所适用的温度工况和热量范围不同，结合工程现场特点进行机组选型。

现场只要有伴生气，就可以选用燃气吸收式热泵，运行费用低，热水温度范围广。

现场只有电，推荐电热泵方案。现场热水要求70 ℃以上选择离心热泵，要求热水70 ℃以下选择螺杆热泵；日处理水量1 500 m3以上推荐离心热泵，日处理水量1 500 m3以下推荐螺杆热泵。

现场有电和伴生气，推荐燃气吸收式热泵，因为伴生气价格低，伴生气的燃气吸收式热泵运行费用远低于电热泵。

现场有伴生气、商业气和电，推荐燃气吸收式热泵，运行费用低。

现场有电和商业天然气，比较气和电的价格，计算运行费用后选择泵型。

机组运行在不同温度工况下的效率不同，不同项目的初投资、燃气费、电费不同，应根据项目具体情况进行经济性分析后，确定最终方案。两种型式热泵机组性能对比见表1。

表1 两种型式热泵机组性能对比Tab.1 Performance comparison of two types of heat pump units

3 热泵应用

3.1 地热能优势

大庆油田有丰富的地热资源，探区内传统水热、产出水余热及干热大量分布，其中水热型地热资源可采资源量为30.4×108tce；产出水热能可采资源量为69.4×104tce；探区3～10 km 干热型地热资源总量为7.45×1012tce，这些资源是大庆油田开发利用地热的资源基础[8-10]。

油田产出水型地热相对传统水热型地热温度低，但油田产出水量大、蕴藏的热能比较丰富。其节能降耗、改善环境作用突出，由于利用了含油污水中的热能，节能率在70%以上。根据大庆油田地热勘探资料数据，松辽盆地北部地热水的资源总量为6 518×108m3，按照10 ℃的温差换算热量为27.38×1018J，折合标准煤9.35×108t。2019 年，大庆油田油气生产能源消耗量387.27×104tce，其中天然气消耗量15.43× 108m3，折合标准煤205.21×104t，占比52.99%；电消耗量119×108kWh，折合标准煤146.25×104t，占比37.77%。大庆油田每年采暖期长达六个月，用于油气生产中锅炉、加热炉消耗的天然气的能耗量超过总能耗量的一半以上[11-12]。目前，油田加热炉2 830 台，装机总容量4 648 MW；采暖锅炉640 台，装机总容量1 137 MW。根据地热规划相关数据，油田可利用含油污水量121×104m3/d，供热负荷465 MW，每年可替代天然气1.82×108m3。油田用热泵工作流程见图2。

图2 油田用热泵工作流程Fig.2 Workflow of heat pump for oilfield

3.2 热泵技术在油田应用

1）通过老区改造等手段，利用油田采出含油污水余热、电动机冷却水余热、浅层地下水等热源。在采油一厂等13 个单位，先后实施热泵供暖项目31 个，为油田生产站场、办公楼等供暖，供暖面积达27.36×104m2，年替代能源2.2×104tce，已经累计替代能源23.83×104tce，减少CO2排放61.29×104t。

2）油田完成了6 项地热利用示范工程的可研设计。经审查，确定了采油一厂新中一污水站、采油三厂北十七联合站、采油六厂喇360 转油放水站三个项目作为油田地热开发利用示范工程建设项目。项目建成运行后，每年可节约天然气1 014×104m3，节能1.15×104tce。（按燃料计算可减排2.19×104t，按照系数可减排2.83×104t）

3）采油一厂新中一污水站、采油三厂北十七联合站两座地热示范工程项目建设工作。2020 年9月建成投产，投产后节约天然气636.16×104m3，折合原油5 069 t，减少CO2排放1 386.83 t。

4）利用南十联污水站工业余热，建设电动压缩热泵站，替代6 台采暖燃气锅炉（其中南十联3台，刘高手3 台），年节约天然气156×104m3；利用北Ⅱ-1 污水站工业余热，建设电动压缩热泵站，替代3 台北Ⅱ-1 联合站采暖炉及八一锅炉房供热，年节约天然气228×104m3；利用聚喇140 地区污水站工业余热，建设电动压缩热泵站，替代周边6 座工业场站合计24 台加热炉、采暖炉等生产用热。上述项目年节约天然气1 200×104m3。

3.3 热泵应用规划

1）“十四五”期间规划热泵站23 座，替代供热负荷 163.48 MW，利用含油污水量为25.80×104m3/d，节约天然气6 966.1×104m3，折合标准煤7.24×104t，减少CO2排放15.06×104t。热泵替代供热负荷规划见表2。

表2 热泵替代供热负荷规划Tab.2 Heat pump alternative heating load planning

2）“十四五”期间规划39 座注水站利用注水电动机冷却水余热供暖，采暖总负荷23.4 MW，提取电动机冷却水余热45.9 MW，节约天然气765.4×104m3，减少CO2排放2.0×104t。热泵利用注水电动机冷却水规划见表3。

表3 热泵利用注水电动机冷却水规划Tab.3 Planning for the use of water injection motor cooling water in heat pumps

3）“十四五”期间规划在海拉尔油田等单位改造油井108 口，建设23 个站点用于采暖，采暖面积13.3×104m2，年替代原油2 046 t，替代天然气186.3×104m3，减少CO2排放1.02×104t。热泵利用改造油井替代天然气规划见表4。

表4 热泵利用改造油井替代天然气规划Tab.4 Planning for replacing natural gas with oil wells through heat pump transformation

大庆油田“十四五”期间，共计规划热泵站85座，替代供热负荷203.98 MW，利用含油污水量为25.80×104m3/d，节约天然气7 917.8×104m3，减少CO2排放18.39×104t。

随着油田进入开发中后期，综合含水率已经达到90% 以上，目前，油田日产含油污水量195.17×104m3。其中喇萨杏油田含油污水量185.69×104m3/d，占油田总含油污水量的95.15%；外围油田含油污水量9.48×104m3/d，占油田总含油污水量的4.85%。仅采油一厂～六厂年油田采出水就接近5×108m3，水温35～42 ℃，按提取10 ℃温差热能计算，相当于70×104tce。与传统供热方式相比，节约了油气资源，节省了人力资源，减少了CO2排放。

4 结论

大庆油田在油气勘探开发过程中积累了丰富、可靠的数据和资料，降低了勘探投入和开发风险。探区有大量低效关停井闲置，通过改造，可利用最新地岩热技术取热，可以节约钻井成本，经济效益十分显著，而且还盘活了国有资产。

油田开发利用地热资源不但环境效益显著，经济效益也极为可观。相比传统能源，热泵技术具有更高的能效比。在不享受国家新能源补贴的条件下，其运行费用仅为燃烧渣油的30%～50%，燃烧天然气的40%～50%。若考虑近年来热泵能效比的不断提高，以及今后国家对新能源补贴措施的落实，其优势将更为明显。

热泵在应用过程中也存在一系列问题：①热泵工程一次性投入较高制约了其发展，尽管热泵技术已经非常成熟，且相比传统供热方式有了更高的能效比、更好的经济效益和环境效益，但是一次性投入过高还是限制了其推广应用，一般情况热泵设备投资300 万元～500 万元/MW，大约为燃气锅炉的2倍左右，装机功率越小，单位投资越高。②地热项目具有投资费用高、回收期长、内部收益率低等特点，难以达到投资项目效益标准，难以立项实施。从可持续发展角度看地热利用属于清洁能源项目，建议降低地热项目审查标准，通过地热项目实施，为今后地热能业务长期开展奠定基础。