王 輝，吳 明

（遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

油氣集輸過程中低溫余熱利用熱泵技術(shù)的概述

王 輝，吳 明

（遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

當(dāng)前在油氣集輸系統(tǒng)中，低溫（40～50 ℃）余熱資源非常的豐富，造成了很大能源浪費(fèi)和熱“污染”。改善能源的利用效率，對(duì)于解決能源危機(jī)非常的關(guān)鍵。熱泵是油氣集輸系統(tǒng)中低溫余熱進(jìn)行回收的核心裝置，其不僅能夠提高能源品味，還具有操作簡(jiǎn)單，技術(shù)較成熟的特點(diǎn)。分析了油氣集輸系統(tǒng)的用能狀況和能源消耗的原因，還論述了低溫余熱回收熱泵技術(shù)和對(duì)熱泵市場(chǎng)進(jìn)行介紹。

油氣集輸；低溫余熱；節(jié)能；熱泵

當(dāng)前，余熱資源在我國(guó)很多領(lǐng)域都存在，而且非常的豐富，尤其是油氣集輸過程中，大量的低溫余熱被排放掉，造成了很大的能源浪費(fèi)。油氣集輸系統(tǒng)龐大，該系統(tǒng)在把分散的各油井采出液匯集、處理和輸送的過程當(dāng)中需要耗費(fèi)大量的能量［1］。所以對(duì)于耗費(fèi)的熱資源進(jìn)行回收利用，是如今實(shí)現(xiàn)能源與可持續(xù)發(fā)展的有用途徑。為貫徹黨的十八大進(jìn)一步實(shí)施“第十二個(gè)五年計(jì)劃”的一個(gè)全面的減少能源浪費(fèi)所提出的目標(biāo)和任務(wù)，要求我們要對(duì)核心技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)加以突破，依靠科技創(chuàng)新推廣出節(jié)能減排的新的產(chǎn)品［2］。本文論述的熱泵技術(shù)恰好能夠?qū)⒍喾N低品位熱能進(jìn)行高效利用，從而降低余熱的損失，減少能源的浪費(fèi)。

1 油氣集輸系統(tǒng)中的低溫余熱及熱泵技術(shù)

1.1 油氣集輸系統(tǒng)和低溫余熱利用情況

當(dāng)前，使用的油氣集輸系統(tǒng)主要是一體化的系統(tǒng)，即將采出的液體進(jìn)行匯集、輸送和處理一體化。油氣集輸過程包含天然氣凈化、原油脫水和污水處理等過程。油田在進(jìn)行油氣開采過程中耗費(fèi)了很大的電力、水力和其他的資源。但在能量損失方面主要有“兩大”問題，那就是“高能耗”和“高油氣損失”。油氣損耗的問題是在油氣處理過程中，油氣的揮發(fā)以及一些系統(tǒng)設(shè)備的老化等多種原因所導(dǎo)致的。同時(shí)，大量的污水余熱資源沒有得到很好的利用，造成了原油生產(chǎn)能耗大大增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅僅勝利、大慶、遼河油田污水的（40～50 ℃）排放量就約占油田得總污水排放量的70%［3］，為了貫落實(shí)徹黨的十八大，實(shí)施“第十二個(gè)五年計(jì)劃”期間節(jié)能減排，建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)的目標(biāo)和任務(wù)，研究人員和相應(yīng)的工作人員應(yīng)該對(duì)油氣集輸系統(tǒng)進(jìn)行全面的檢測(cè)和分析，加強(qiáng)系統(tǒng)耗能高的薄弱環(huán)節(jié)，并提高油氣集輸系統(tǒng)的節(jié)能潛力。這一問題對(duì)提高能源的利用率有著十分重大的意義。我們可以通過多種途徑來提高能源的利用效率，如使加熱爐的熱效率得到提高，將高耗能設(shè)備進(jìn)行更新，給傳統(tǒng)工藝進(jìn)行新技術(shù)改造，給運(yùn)行程序進(jìn)行優(yōu)化等。如今備受人們關(guān)注的熱泵技術(shù)進(jìn)行回收余熱在油氣集輸過程中應(yīng)用很廣，能夠使油氣集輸過程中的能量進(jìn)行綜合利用，能夠取得很好的節(jié)能降耗的目的。

余熱是能夠利用設(shè)備進(jìn)行回收的二次能源。余熱分為，高溫余熱（高于800 ℃）、中溫余熱（350～800 ℃）、低溫余熱(350 ℃)。從當(dāng)前余熱利用的情況來看，在我國(guó)，余熱利用存在很大的空間。每噸標(biāo)準(zhǔn)煤在我國(guó)的產(chǎn)出率與美國(guó)、日本相比相差很多，只相當(dāng)于美國(guó)產(chǎn)出率的 28.6%、日本產(chǎn)出率的10.3%。在我國(guó)可以從工業(yè)用能中獲取近60%～65%余熱資源。當(dāng)前，美國(guó)和歐洲國(guó)家的余熱利用率要遠(yuǎn)高于我國(guó)。在我國(guó)的低溫余熱、廢熱占總余熱量的60%。如圖1顯示的是美國(guó)、歐洲、中國(guó)對(duì)低溫余熱的利用情況。雖然這部分余熱資源我們不能直接利用，但可以將它作為低溫?zé)嵩?，通過熱泵其溫度水平提升，然后再加以利用。

圖1 美國(guó)、歐洲、中國(guó)余熱利用情況Fig.1 The waste heat utilization in China,the United States and Europe

1.2 熱泵技術(shù)的發(fā)展

熱泵技術(shù)是于1775年，由愛丁堡的一名化學(xué)先生在察覺乙醚的蒸發(fā)可以使水結(jié)冰的現(xiàn)象中提出的一種新能源技術(shù)，最早是于1824年出現(xiàn)于歐洲。相繼在國(guó)外的很多國(guó)家都提出熱泵技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用。我國(guó)熱泵技術(shù)的出現(xiàn)也較早，在50年代，就有一些學(xué)者開始了熱泵的探究。目前，熱泵技術(shù)成為了國(guó)內(nèi)外的焦點(diǎn)，但由于推廣力度的不足，致使很多人對(duì)其認(rèn)識(shí)都不夠。熱泵技術(shù)的研究和推廣不但給熱泵行業(yè)帶來了生機(jī)也給油氣集輸過程中的余熱利用帶來了新的裝備。由于能源的缺乏和很大程度的浪費(fèi)，各類熱泵的研究與應(yīng)用都上升了很大的高度，楊靈艷在國(guó)際熱泵技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)［4］分析中總結(jié)，從20世紀(jì)至今，熱泵技術(shù)以其極快的發(fā)展速度，在制造技術(shù)和熱泵性能上都取得了很大進(jìn)步與提高，并將熱泵的發(fā)展帶進(jìn)了一個(gè)良性發(fā)展的階段。近年來，熱泵逐漸替代了傳統(tǒng)的燃煤鍋爐，不但使設(shè)備和操作簡(jiǎn)化，也降低了能源消耗和環(huán)境污染。陳成敏從不同的角度對(duì)高溫?zé)岜眉夹g(shù)及系統(tǒng)性能（經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境性和綜合性能）高溫?zé)岜眉泄徇M(jìn)行了分析［5］，其結(jié)論是，當(dāng)熱泵制熱性能系數(shù)COP（指用戶得到的熱量與消耗外功之比值）取不同值時(shí)，與傳統(tǒng)的鍋爐（燃煤、燃?xì)猓┫啾?，都取得了很大的?jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和很高的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。熱泵技術(shù)在制冷制熱、電力行業(yè)、石油化工以及建筑領(lǐng)域都在廣泛的應(yīng)用，而且都取得了很大的成果。研究者們也都致力于其核心技術(shù)的開發(fā)及成果的推廣。隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能降耗的重視，我國(guó)熱泵技術(shù)必將迅速發(fā)展。

2 油氣集輸系統(tǒng)中的熱泵系統(tǒng)分析

2.1 熱泵及其工作原理

熱泵是一種提高熱能品味的一種裝置，是一種只需消耗一小部分的電能，就能從環(huán)境介質(zhì)中提取4～7倍于電能的裝置，恰好能夠使油田油氣集輸系統(tǒng)中低溫余熱得到很好的利用［6］，進(jìn)而提高能源的利用率，熱泵技術(shù)也越來越受到人們的關(guān)注。熱泵從不同的角度分類有多種類型，從熱源種類來分，有空氣源熱泵、水源熱泵、地源熱泵、復(fù)合熱泵；根據(jù)所加入的有用能驅(qū)動(dòng)循環(huán)的方式的不同，熱泵有：壓縮式熱泵、吸收式熱泵（第一類吸收式熱泵和第二類吸收式熱泵）以及噴射式熱泵。熱泵的工作原理和壓縮式制冷系統(tǒng)的工作原理一致，但與制冷機(jī)工作溫度的范圍不同。

壓縮式熱泵由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器等基本的構(gòu)件構(gòu)成成。以消耗部分機(jī)械能或電能制熱，其工作原理如圖2。

圖2 壓縮式熱泵系統(tǒng)Fig.2 Compression heat pump system

首先，從環(huán)境中提取低溫?zé)嵩础Ｔ谡舭l(fā)器中與經(jīng)節(jié)流降壓的低溫工質(zhì)進(jìn)行熱量交換，吸收外界低溫環(huán)境熱量 Q2蒸發(fā)。然后，蒸汽進(jìn)入壓縮機(jī)消耗外功，提高工質(zhì)的溫度和壓力。再通過冷凝器將高出所需熱量 Q3供給用戶，自身被冷凝。最后進(jìn)入節(jié)流閥降溫降壓，再流入蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)以個(gè)循環(huán)。

第一類吸收式熱泵的構(gòu)成與壓縮式熱泵相似，是由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器、吸收器、溶液泵等組成，需要注意的是發(fā)生器里的吸收劑要對(duì)工質(zhì)的吸收能力很強(qiáng)，而且二者的沸點(diǎn)差要盡可能的大［7］。

第一類吸收式熱泵是一種能將低溫?zé)嵩吹臏囟忍岣叩街袦氐囊环N增熱型熱泵，但需要高溫位能驅(qū)動(dòng)。流程如圖3其制熱系數(shù)大于1，它要比高溫位熱源直接供熱節(jié)約能源［8,9］。

圖3 第一類吸收式熱泵Fig.3 The first kind of absorption heat pump

第二類吸收式熱泵在不違反熱力學(xué)第二定律的條件下利用低溫余熱熱源，向系統(tǒng)提供更高水平的熱能。其工作流程如圖4，其制熱系數(shù)小與1，并其隨溫度的升高而降低，但是它能夠很大的提高能源的利用價(jià)值。

根據(jù)熱力學(xué)定律和卡諾循環(huán)定理，熱泵技術(shù)應(yīng)用于油氣集輸系統(tǒng)中，能夠提高能源利用率，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，使得各個(gè)油田開采單位取得了很大的經(jīng)濟(jì)效益。

圖4 第二類吸收式熱泵Fig.4 The second kind of absorption heat pump

2.2 熱泵技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析

熱泵技術(shù)的推廣和應(yīng)用，給油田帶來很大的經(jīng)濟(jì)收益。唐志偉［9］用熱泵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燃?xì)夂腿加湾仩t對(duì)大慶油田南七聯(lián)采暖和供熱系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析中得出，熱泵的使用消耗了很大部分的的電能，并且初始的投資成本很高。但能夠大大的降低運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用，從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度看，具有很好的經(jīng)濟(jì)前景。蓋超［10］在聯(lián)合站用于輸油伴熱及供暖系統(tǒng)中對(duì)熱泵的經(jīng)濟(jì)效益分析中得出，從38 ℃左右的站內(nèi)污水，獲得10 ℃溫差，回收水量是18 m3/h，用熱泵代替原燃?xì)鉅t，每年即可節(jié)省73.2萬元?？傊?，在對(duì)油田低溫余熱進(jìn)行回收的的熱泵技術(shù)改造前

后，在燃油費(fèi)用和運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用上都取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

3 我國(guó)低溫余熱利用熱泵市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)情況

目前，我國(guó)低溫余熱的回收熱泵技術(shù)，受到更多人的關(guān)注，在熱泵領(lǐng)域踴躍出多個(gè)知名企業(yè)（熱泵企業(yè)參展忙），其中幾個(gè)具有代表性的企業(yè)如表1。

表1 知名熱泵企業(yè)Table 1 Famous heat pump companies

4 結(jié)束語

熱泵技術(shù)對(duì)油田中的低溫余熱進(jìn)行回收，不僅提高能源的利用效率，而且在操作上也簡(jiǎn)單便捷。同時(shí)也大大的降低了對(duì)環(huán)境的污染。熱泵技術(shù)的應(yīng)用取得了客觀的經(jīng)濟(jì)效益，也取得了很好的環(huán)境效益。這必將會(huì)推動(dòng)熱本技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展，并且成熟的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。

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Overview of the Heat Pump Technology for Low Temperature Waste Heat Utilization of Oil and Gas Gathering and Transferring Process

WANG Hui，WU Ming
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

Recently，in the process of oil and gas gathering and transferring, the resource of low temperature waste heat is very abundant. And it has caused a lot of energy waste and thermal pollution. The key to solve the energy crisis is to improve energy efficiency .The heat pump is the core equipment for the low temperature waste heat recovery in the oil and gas gathering and transferring process. It has many advantages, such as simple operation, mature technology and so on. In this paper, the condition of energy use and the reasons of energy consumption in the oil and gas gathering and transferring system were analyzed; the heat pump technology for low temperature waste heat recovery was discussed, and the market of the heat pump was also introduced.

Oil and gas gathering and transferring; Low temperature waste heat; Energy saving; Heat pump

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）03-0577-03

2014-10-14

王輝（1988-），女，黑龍江齊齊哈爾人，碩士研究生，2015年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)，研究方向：油氣儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)。E-mail：wanghui880106@126.com。