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        壓縮式水源熱泵技術(shù)在河一聯(lián)合站的應(yīng)用

        2020-10-27 05:00:40賈煒鑌
        石油工程建設(shè) 2020年5期
        關(guān)鍵詞:加熱爐源熱泵熱泵

        賈煒鑌

        中國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,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,面對日趨嚴(yán)峻的環(huán)保形勢和居高不下的燃?xì)獬杀?,積極開展熱泵技術(shù)研究,回收生產(chǎn)余熱,減少燃?xì)庀?,即?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。隨著社會的發(fā)展,對環(huán)保的要求也越來越嚴(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)曾對原加熱爐加熱方式進(jìn)行改造,1990年對河一聯(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)等各站來油,建有12個計量站、7個拉油點(diǎn)、1個閥組間;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、1 250 kW加熱爐1臺,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,用來生產(chǎn)65~70℃的熱水,一方面可以減少熱污染,同時也可以節(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,污水通過高效換熱器作為熱源水提取污水熱量,通過熱泵蒸發(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)熱泵工藝流程見圖3。

        圖3 河一聯(lián)熱泵工藝流程

        設(shè)計熱泵污水進(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)全自動控制,無人值守,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)狻⑷加图訜嵯到y(tǒng),沒有燃燒過程,運(yùn)行無污染,無燃燒,無排煙,不產(chǎn)生廢水、廢氣和煙塵,對環(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,自動化程度高,相對于傳統(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)簡單,因此比傳統(tǒng)熱泵維護(hù)費(fèi)用低,使用壽命長。

        (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,無漏油漏氟的問題,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,電機(jī)符合F級絕緣等級,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)故障顯示與報警、檢測信號上傳等功能,保證控制柜及其內(nèi)部設(shè)備的所有性能可靠;機(jī)房內(nèi)設(shè)置有可燃?xì)怏w探測器及報警器,聯(lián)鎖風(fēng)機(jī)啟動;探測器安裝在機(jī)房內(nèi),報警器安裝在已有控制室,當(dāng)報警時,信號進(jìn)入PLC系統(tǒng),并將信號遠(yuǎn)傳到聯(lián)合站PLC系統(tǒng),輸出信號傳送給熱泵組撬聯(lián)鎖風(fēng)機(jī)啟動;機(jī)組的日常運(yùn)行過程完全由機(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)荷變化的無段容調(diào);機(jī)組控制系統(tǒng)具備控制及檢測功能,冷水機(jī)具有高低壓保護(hù)、過載保護(hù)、排氣溫度保護(hù)、電流保護(hù)、防凍保護(hù)、水流開關(guān)保護(hù)、傳感器故障保護(hù)、壓縮機(jī)內(nèi)置保護(hù)、油位開關(guān)保護(hù)、防頻繁啟動、低流量報警、安全閥啟閉、斷水報警、蒸發(fā)器凍結(jié)保護(hù)、冷媒壓力過低和過高保護(hù)、電機(jī)過熱保護(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;通過一年多的運(yùn)行,節(jié)能效果顯著。具體運(yùn)行數(shù)據(jù)見表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)行前耗氣量對比,平均耗氣量減少50%,見圖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,對環(huán)境保護(hù)起到了積極的效果。

        5 結(jié)束語

        隨著社會對環(huán)保的要求越來越嚴(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,代替燃油、燃?xì)饧訜釥t供熱,既滿足了生產(chǎn)對熱能的需求,同時也做到了節(jié)能降耗、清潔環(huán)保,其經(jīng)濟(jì)效益和社會效益十分明顯。

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