壓縮式水源熱泵技術(shù)在河一聯(lián)合站的應(yīng)用

賈煒鑌

中國(guó)石油華北油田分公司第三采油廠，河北河間 062450

熱泵是一種充分利用低品位熱能的高效節(jié)能裝置。熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳遞到低溫物體中去，但不能自發(fā)地沿相反方向進(jìn)行。熱泵的工作原理就是以逆循環(huán)方式迫使熱量從低溫物體流向高溫物體的機(jī)械裝置，它僅消耗少量的逆循環(huán)凈功，就可以得到較大的供熱量，可以有效地把難以應(yīng)用的低品位熱能利用起來(lái)，從而達(dá)到節(jié)能目的。

華北油田第三采油廠河一聯(lián)合站地處京津冀環(huán)境治理地區(qū)，污水處理量1 800 m3/d，污水溫度40～50℃，蘊(yùn)含約6.72×104MJ/d的低溫?zé)崮?，余熱資源豐富；同時(shí)，面對(duì)日趨嚴(yán)峻的環(huán)保形勢(shì)和居高不下的燃?xì)獬杀?，積極開(kāi)展熱泵技術(shù)研究，回收生產(chǎn)余熱，減少燃?xì)庀模磳?shí)現(xiàn)清潔環(huán)保生產(chǎn)已刻不容緩。

1 河一聯(lián)合站現(xiàn)狀

河一聯(lián)于1977年建成投產(chǎn)，具備原油脫水、原油外輸、污水處理、注水、供熱功能，最初原油處理能力100×104t/a，外輸能力100×104t/a。隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)環(huán)保的要求也越來(lái)越嚴(yán)格，河一聯(lián)加熱爐燃燒原油不能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，氮氧化物、硫化物超標(biāo)。河一聯(lián)曾對(duì)原加熱爐加熱方式進(jìn)行改造，1990年對(duì)河一聯(lián)站內(nèi)進(jìn)行整體改造，改造后原油處理能力75×104t/a，外輸能力50×104t/a；接收河間南、河間北、河間西、留一聯(lián)等各站來(lái)油，建有12個(gè)計(jì)量站、7個(gè)拉油點(diǎn)、1個(gè)閥組間；轄油井215口，日產(chǎn)液量2 100 m3，日產(chǎn)油量270 t，綜合含水87%。河一聯(lián)現(xiàn)有2 330 kW加熱爐3臺(tái)、1 250 kW加熱爐1臺(tái)，污水處理量1 800 m3/d，污水溫度40～50℃，輸出熱水溫度65～70℃，河一聯(lián)主要工藝流程如圖1所示。按照以往工藝，40～50℃的污水所含的余熱是直接浪費(fèi)掉的，如果可以將這部分低溫余熱加以利用，用來(lái)生產(chǎn)65～70℃的熱水，一方面可以減少熱污染，同時(shí)也可以節(jié)省加熱爐所需燃?xì)狻?/p>

圖1 河一聯(lián)主要工藝流程示意

2 河一聯(lián)合站采用的技術(shù)方案及熱泵選擇

河一聯(lián)站內(nèi)系統(tǒng)采用壓縮式水源熱泵，站內(nèi)熱泵設(shè)備提供70℃以上熱水，提供的熱水作為熱力系統(tǒng)的輔助熱源，污水通過(guò)高效換熱器作為熱源水提取污水熱量，通過(guò)熱泵蒸發(fā)器吸收；工藝流程采用高溫?zé)岜眉夹g(shù)和產(chǎn)品，替代原燃?xì)饧訜釥t。原燃?xì)饧訜釥t保留，一方面自產(chǎn)氣仍然可以通過(guò)加熱爐消耗，另一方面作為熱泵機(jī)組的備用。河一聯(lián)熱泵工藝流程見(jiàn)圖3。

圖3 河一聯(lián)熱泵工藝流程

設(shè)計(jì)熱泵污水進(jìn)水溫度38℃，熱水進(jìn)水溫度60℃，出水溫度70℃；制熱性能系數(shù)COP達(dá)到4.8；制熱量達(dá)到1 183.7 kW；余熱取熱量937 kW，熱泵機(jī)組兩器都采用標(biāo)準(zhǔn)1 MPa承壓水室，機(jī)組底部采取減振措施。

污水取熱采用過(guò)濾裝置以及反沖洗流程確保污水流量和穩(wěn)定；采用鈦合金板式換熱器，既耐腐蝕同時(shí)又高效換熱。燃?xì)鉅t熱泵運(yùn)行控制采用串并聯(lián)控制，確保自產(chǎn)氣的使用、工藝的穩(wěn)定和熱泵運(yùn)行最大化。系統(tǒng)全自動(dòng)控制，無(wú)人值守，系統(tǒng)接入采油廠站控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全程監(jiān)控。

3 壓縮式水源熱泵機(jī)組的特點(diǎn)[1-5]

（1）雙螺桿壓縮式水源熱泵具有高效節(jié)能的特點(diǎn)。該裝置系統(tǒng)之所以節(jié)能源于其所提供的熱量中有很大部分是從低溫側(cè)無(wú)償獲得，出水溫度可以達(dá)到70℃以上。傳統(tǒng)空調(diào)式或者單螺桿熱泵進(jìn)水溫度一般在15～40℃，出口溫度55℃，不完全適合原油生產(chǎn)加熱、伴熱使用；雙螺桿壓縮式水源熱泵進(jìn)口溫度可以到35～50℃，非常適合于利用油田污水熱量，出水溫度高達(dá)70℃，適合用于油田原油加熱和管道伴熱，它比傳統(tǒng)空調(diào)式熱泵出口溫度高7～15℃，壓縮式熱泵機(jī)組的制熱系數(shù)可達(dá)到3.0～5.0。

（2）壓縮式水源熱泵環(huán)保效果顯著。熱泵機(jī)組省去了燃?xì)?、燃油加熱系統(tǒng)，沒(méi)有燃燒過(guò)程，運(yùn)行無(wú)污染，無(wú)燃燒，無(wú)排煙，不產(chǎn)生廢水、廢氣和煙塵，對(duì)環(huán)境友好，綠色環(huán)保。

（3） 壓縮式水源熱泵運(yùn)行穩(wěn)定可靠，維護(hù)方便。水體的溫度一年四季相對(duì)穩(wěn)定，使得熱泵機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定可靠，保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性；采用全電腦控制，自動(dòng)化程度高，相對(duì)于傳統(tǒng)式外部控制器和控制邏輯熱泵，機(jī)組部件少，運(yùn)行穩(wěn)定；由于系統(tǒng)簡(jiǎn)單，因此比傳統(tǒng)熱泵維護(hù)費(fèi)用低，使用壽命長(zhǎng)。

（4）壓縮式水源熱泵的蒸發(fā)器和冷凝器按照NB/T 47012—2010《制冷裝置用壓力容器》、GB 151—1999《管殼式換熱器》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制造，熱泵機(jī)組壓縮機(jī)采用半封閉式雙螺桿壓縮機(jī)，具有轉(zhuǎn)速高、可靠性高、動(dòng)力平衡性好、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，采用墊片密封、真空高壓檢測(cè)，無(wú)漏油漏氟的問(wèn)題，采用吸氣冷卻電機(jī)，保證電機(jī)穩(wěn)定可靠的高效運(yùn)行，同時(shí)等熵效率高，達(dá)到70%以上，比單螺桿壓縮機(jī)效率高；壓縮機(jī)和電機(jī)采用直接驅(qū)動(dòng)方式，減少了電機(jī)和壓縮機(jī)之間的機(jī)械損失，電機(jī)效率達(dá)到95%以上；壓縮機(jī)整體密封，包括電機(jī)、接線盒等組成部分在內(nèi)達(dá)到IP54防護(hù)等級(jí)，電機(jī)符合F級(jí)絕緣等級(jí)，傳統(tǒng)熱泵主要集中應(yīng)用于賓館、民用空調(diào)、采暖和洗浴等領(lǐng)域，而壓縮式水源熱泵則主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，特別是在油氣防爆環(huán)境下，其應(yīng)用范圍更廣；機(jī)組采用獨(dú)立控制柜，系統(tǒng)采用PLC控制和觸摸屏人機(jī)交互界面，控制柜觸摸屏顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和各種運(yùn)行參數(shù)，具有正常和緊急情況下的啟機(jī)、停機(jī)、系統(tǒng)故障顯示與報(bào)警、檢測(cè)信號(hào)上傳等功能，保證控制柜及其內(nèi)部設(shè)備的所有性能可靠；機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置有可燃?xì)怏w探測(cè)器及報(bào)警器，聯(lián)鎖風(fēng)機(jī)啟動(dòng)；探測(cè)器安裝在機(jī)房?jī)?nèi)，報(bào)警器安裝在已有控制室，當(dāng)報(bào)警時(shí)，信號(hào)進(jìn)入PLC系統(tǒng)，并將信號(hào)遠(yuǎn)傳到聯(lián)合站PLC系統(tǒng)，輸出信號(hào)傳送給熱泵組撬聯(lián)鎖風(fēng)機(jī)啟動(dòng)；機(jī)組的日常運(yùn)行過(guò)程完全由機(jī)組控制系統(tǒng)器控制，根據(jù)負(fù)載變化自動(dòng)控制機(jī)組的運(yùn)行，機(jī)組可實(shí)現(xiàn)12.5%～100%負(fù)荷變化的無(wú)段容調(diào)；機(jī)組控制系統(tǒng)具備控制及檢測(cè)功能，冷水機(jī)具有高低壓保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、排氣溫度保護(hù)、電流保護(hù)、防凍保護(hù)、水流開(kāi)關(guān)保護(hù)、傳感器故障保護(hù)、壓縮機(jī)內(nèi)置保護(hù)、油位開(kāi)關(guān)保護(hù)、防頻繁啟動(dòng)、低流量報(bào)警、安全閥啟閉、斷水報(bào)警、蒸發(fā)器凍結(jié)保護(hù)、冷媒壓力過(guò)低和過(guò)高保護(hù)、電機(jī)過(guò)熱保護(hù)等功能，比傳統(tǒng)熱泵的安全系數(shù)更高。

4 運(yùn)行效果

河一聯(lián)壓縮式水源熱泵及其配套工藝于2018年10月開(kāi)始建設(shè)，當(dāng)年12月21日正式投運(yùn)，額定制熱量1 183 kW，目前運(yùn)行良好。在冬季運(yùn)行條件下耗電量254 kW，獲得熱量1 252 kW，COP為4.93；通過(guò)一年多的運(yùn)行，節(jié)能效果顯著。具體運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 河一聯(lián)壓縮式水源熱泵運(yùn)行數(shù)據(jù)

熱泵投運(yùn)前天然氣日均消耗4 600 m3，熱泵投運(yùn)后天然氣日均消耗2 265 m3。2019年熱泵投運(yùn)后與2018年運(yùn)行前耗氣量對(duì)比，平均耗氣量減少50%，見(jiàn)圖4。

圖4 壓縮式水源熱泵運(yùn)行前后一年中天然氣消耗量對(duì)比

河一聯(lián)每天污水處理量為1 600～1 700 m3，采用熱泵可節(jié)約燃?xì)?5×104m3/a，每年可節(jié)約能源費(fèi)用107萬(wàn)元。采用壓縮式熱泵技術(shù)節(jié)約了能源，減少了余熱污染，對(duì)環(huán)境保護(hù)起到了積極的效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著社會(huì)對(duì)環(huán)保的要求越來(lái)越嚴(yán)格。華北油田第三采油廠河一聯(lián)合站地處京津冀環(huán)境治理地區(qū)，使用燃燒原油的加熱爐供熱能源消耗大，且不能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，氮氧化物、硫化物超標(biāo)。采用壓縮式水源熱泵，通過(guò)高效換熱器利用污水作為熱源水提取污水熱量，把難以應(yīng)用的低品位熱能利用起來(lái)，代替燃油、燃?xì)饧訜釥t供熱，既滿足了生產(chǎn)對(duì)熱能的需求，同時(shí)也做到了節(jié)能降耗、清潔環(huán)保，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分明顯。