高明星，周亞?wèn)|，陳浩宇，李娜，王治國(guó)

1.延長(zhǎng)油田股份有限公司 志丹采油廠（陜西 延安 717500）2.西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院（陜西 西安 710065）

0 引言

延長(zhǎng)油田地處鄂爾多斯盆地東南部，冬季平均溫度為-20 ℃，且油層埋藏較淺，冬季產(chǎn)出原油溫度一般在8～10 ℃，黏度較高[1]，造成集輸摩阻過(guò)高。因此，需要對(duì)原油進(jìn)行加熱，避免因原油凝結(jié)或者結(jié)蠟而導(dǎo)致輸送摩阻過(guò)高或者油水分離困難[2]。

目前，延長(zhǎng)油田大部分油井都采用鍋爐加熱或電磁加熱的方式。因?yàn)榫谔幓蚣斦军c(diǎn)的原油量較少，所以采用的鍋爐均為較小的熱水鍋爐，空氣污染嚴(yán)重。此外，這種熱水鍋爐燃燒采用的燃料一般來(lái)自油田產(chǎn)出的伴生氣，而伴生氣量隨著油井產(chǎn)量而波動(dòng)，可靠性差[3]，往往不能保證冬季中井場(chǎng)或者集輸站點(diǎn)的全部加熱和采暖需要，而電磁加熱的耗電量太大，能耗較高，經(jīng)濟(jì)性差[4-5]。

國(guó)家能源局最新發(fā)布的《2021年新能源工作指導(dǎo)意見(jiàn)》中提出，要降低煤炭資源占終端能源消費(fèi)比重，提高電能消費(fèi)比重，深入落實(shí)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)要求，持續(xù)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)[6]。因此，加熱系統(tǒng)如何進(jìn)行選擇，不僅涉及技術(shù)的先進(jìn)性，更需要考慮其經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能環(huán)保性。使用新能源技術(shù)對(duì)原油進(jìn)行井口和集輸站的加熱是油田地面技術(shù)的發(fā)展方向[7]。目前井口原油加熱技術(shù)所采用的新能源以太陽(yáng)能、地源熱泵以及空氣源熱泵為主。太陽(yáng)能加熱節(jié)能效果顯著，但極易受環(huán)境因素的影響，可靠性較差，一般不以單一形式存在[8；地源熱泵在進(jìn)行安裝維護(hù)的初期投資金額過(guò)大[9]；空氣源熱泵是利用空氣作為低溫?zé)嵩?，綠色環(huán)保，運(yùn)行較為穩(wěn)定，綜合性能較好。

1 空氣源熱泵技術(shù)介紹

1.1 空氣源熱泵技術(shù)原理

空氣源熱泵的本質(zhì)為一種依據(jù)“逆卡諾循環(huán)”原理工作的熱能提升裝置，它可以在少量高品位能的輔助下，將水、空氣等環(huán)境熱源中的低品位熱能轉(zhuǎn)化為高品位熱能并釋放至循環(huán)介質(zhì)中加以利用，從而達(dá)到節(jié)約高品位能的目的，主要由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器（空氣熱交換器）、冷凝器（熱水交換器）、膨脹閥4個(gè)部分組成，其工作原理如圖1[10]所示。具體工作過(guò)程為：低壓氣態(tài)冷媒經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮后，轉(zhuǎn)化為高溫高壓氣體，壓縮機(jī)所需的電能為Q1。該氣態(tài)冷媒在冷凝器（熱水交換器）中與儲(chǔ)水裝置中的冷水進(jìn)行熱交換，使其變成熱水，同時(shí)自身被冷凝為液態(tài)，交換的熱量為Q3。高壓液態(tài)冷媒通過(guò)膨脹閥減壓，壓力下降。低溫低壓的液態(tài)冷媒經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器吸收空氣中熱量，由液態(tài)轉(zhuǎn)為氣態(tài)，吸收的環(huán)境熱量為Q2。低溫低壓氣態(tài)冷媒再由壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，如此往復(fù)循環(huán)，不斷從空氣中吸收熱量，制取熱水。

1.2 空氣源熱泵加熱系統(tǒng)工藝分析

延長(zhǎng)油田志丹采油廠某井，由于地理?xiàng)l件及環(huán)境因素的影響，不得不采取原油加熱的方式來(lái)滿足其外輸?shù)臏囟葪l件。該井?dāng)M采用空氣源熱泵來(lái)代替安全系數(shù)低、環(huán)保程度低、燃料不穩(wěn)定的燃?xì)忮仩t，對(duì)原油進(jìn)行加熱并對(duì)辦公區(qū)域供暖。

該套系統(tǒng)主要采用油、水兩套循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)作。從井口出來(lái)的原油經(jīng)過(guò)儲(chǔ)油罐的緩沖后流入換熱撬，在其內(nèi)部與熱泵機(jī)組產(chǎn)生的熱水進(jìn)行熱交換，加熱后返回儲(chǔ)油罐緩沖儲(chǔ)存，再外輸，此為油循環(huán)。熱泵機(jī)組加熱后的水流入換熱撬與原油進(jìn)行熱交換，再流入辦公區(qū)進(jìn)行供暖，最后流回?zé)岜脵C(jī)組進(jìn)行再次加熱，此為水循環(huán)。辦公區(qū)旁另設(shè)并行的事故罐，以便辦公區(qū)內(nèi)換熱器發(fā)生事故或進(jìn)行檢修時(shí)，熱水可以轉(zhuǎn)經(jīng)事故罐，繼續(xù)進(jìn)行水循環(huán)，不影響整個(gè)原油加熱系統(tǒng)的運(yùn)行。具體工藝流程圖如圖2所示。

2 空氣源熱泵加熱系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)方法

對(duì)于涉及空氣源熱泵加熱系統(tǒng)的能耗評(píng)價(jià)，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有相應(yīng)的評(píng)價(jià)規(guī)范，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，擬從經(jīng)濟(jì)性分析、等價(jià)標(biāo)煤量、COP 值、CO2減排量[11-12]4 個(gè)方面綜合考慮各類加熱系統(tǒng)的能耗水平。

2.1 經(jīng)濟(jì)性分析基本原理

對(duì)于工程中的經(jīng)濟(jì)分析，經(jīng)濟(jì)學(xué)上一般采用靜態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)兩種方法?？紤]到投入資金的時(shí)間價(jià)值和評(píng)價(jià)的精確程度，采用動(dòng)態(tài)費(fèi)用年值法對(duì)加熱系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。引入動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)法公式[13]:

式中：Z為加熱系統(tǒng)的費(fèi)用年值，萬(wàn)元；A為加熱系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用，萬(wàn)元；a為貸款利率，%；n為加熱系統(tǒng)的運(yùn)行年限，年；B為加熱系統(tǒng)所需投資費(fèi)用，萬(wàn)元。

進(jìn)行加熱系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析時(shí)，以動(dòng)態(tài)費(fèi)用年值作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)設(shè)定基本利率，查閱相關(guān)資料及工程實(shí)例確定系統(tǒng)運(yùn)行1 年所需的費(fèi)用、運(yùn)行年限、投資費(fèi)用，代入式（1）中，可計(jì)算出相應(yīng)的費(fèi)用年值。

2.2 等價(jià)標(biāo)煤量計(jì)算基本原理

不同的加熱系統(tǒng)使用的能源存在著差異，耗能單位也不同，因此各系統(tǒng)的能耗無(wú)法進(jìn)行直接比較，但各類能源都可以轉(zhuǎn)化為熱能。為便于進(jìn)行對(duì)比分析，可選取某種統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)燃料作為基準(zhǔn)，再通過(guò)各類能源的實(shí)際含熱量與標(biāo)準(zhǔn)燃料熱值之比即折標(biāo)系數(shù)，對(duì)各類能源進(jìn)行折算。依據(jù)GB 2589—1990《綜合能耗計(jì)算通則》規(guī)定，每千克含有7 29.3 MJ熱值的煤，稱為1 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，表示符號(hào)為kgce。實(shí)際應(yīng)用中，也可采用“噸標(biāo)準(zhǔn)煤”為單位，表示符號(hào)為tce[14-15]。

因此，各類加熱系統(tǒng)能耗均可轉(zhuǎn)換為等價(jià)標(biāo)煤量，進(jìn)行更為直觀的比較，計(jì)算公式為：

等價(jià)標(biāo)煤量=實(shí)際年耗能×折標(biāo)系數(shù)

各類原油加熱系統(tǒng)所需能源的等價(jià)折標(biāo)系數(shù)見(jiàn)表1[15]。

表1 各類原油加熱系統(tǒng)所需能源的等價(jià)折標(biāo)系數(shù)

2.3 COP值計(jì)算基本原理

熱泵的效能系數(shù)（COP）是評(píng)價(jià)熱泵節(jié)能性的最重要指標(biāo)之一。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱泵將低品位熱源的熱量品位提升，需要消耗一定的高品位能。熱泵的效能系數(shù)是指熱泵收益（供冷量或制熱量）與付出代價(jià)（所消耗的機(jī)械功或熱能）的比值，其大小反映出不同熱泵系統(tǒng)的節(jié)能情況。能效比數(shù)值越大，表明該熱泵使用時(shí)能源轉(zhuǎn)換效率越高，節(jié)省的電能就越多。效能系數(shù)的計(jì)算式為：

式中：Qy為系統(tǒng)的年供熱量，kW；Wy為系統(tǒng)的全年能耗，kW。

2.4 CO2減排量計(jì)算基本原理

隨著電能、燃?xì)獾鹊拇罅渴褂?，高品位能被不斷消耗[16]，環(huán)境污染情況也日漸嚴(yán)重?；剂系娜紵厝划a(chǎn)生大量CO2，而CO2正是全球變暖的元兇。因此，評(píng)價(jià)一個(gè)系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保性的重要指標(biāo)就是其CO2減排量[17]。

工程中一般采用的計(jì)算CO2減排量的方式為[18]：

式中：TCO2為系統(tǒng)運(yùn)行年限內(nèi)的CO2減排量，kg；Qs為系統(tǒng)年節(jié)能量，MJ；n為系統(tǒng)運(yùn)行年限，年；W為標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值，29.3 MJ；η為系統(tǒng)的熱效率，%；F為碳排放因子，kg碳/kg標(biāo)準(zhǔn)煤。

將加熱系統(tǒng)的年供熱量除去全年能耗，即可得到該系統(tǒng)的年節(jié)能量。系統(tǒng)的年供熱量可通過(guò)每日供熱量和年工作天數(shù)求取，即：

Qy=3 045 000 kJ×300=913 500 MJ

3 各類加熱系統(tǒng)能耗對(duì)比

以延長(zhǎng)油田志丹采油廠某井為例，其基本運(yùn)行參數(shù)為：冬季井口采出的原油平均初始溫度為10 ℃，設(shè)計(jì)的加熱原油加熱系統(tǒng)要求恒溫到45 ℃；采油廠的加熱系統(tǒng)每日使用時(shí)間為20 h，每日所需加熱的原油為30 m3，系統(tǒng)全年工作時(shí)間扣除檢修所需時(shí)間為300 d。

3.1 經(jīng)濟(jì)性分析對(duì)比結(jié)果

1）原油加熱系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用A的確定。運(yùn)行費(fèi)用A主要涉及設(shè)備維護(hù)、運(yùn)行耗能、設(shè)備折舊費(fèi)用3個(gè)方面。其中，設(shè)備維護(hù)所需的費(fèi)用和系統(tǒng)所需投資費(fèi)用相關(guān)，大多數(shù)情況下為總投資費(fèi)用的3%。

原油中含水率約為50%，水的比熱容為4.2 kJ/(kg·℃)，原油的比熱容取2 kJ/(kg·℃)，原油的密度取0.8 g/cm3，則整個(gè)系統(tǒng)的每日供熱量：

原油加熱系統(tǒng)的年耗能費(fèi)用與其每日的供熱量、能源熱值、熱效率等有關(guān)，其關(guān)系式為：

式中：T為原油加熱系統(tǒng)的年耗能費(fèi)用，萬(wàn)元；Qd為原油加熱系統(tǒng)的日供熱量，kJ；D為原油加熱系統(tǒng)的年工作天數(shù)，d；p為能源價(jià)格，元/kW·h（以電能為例）；為能源的理論熱值，kcal/kW·h（以電能為例）；ηQ為系統(tǒng)的熱效率，%。

各類能源的單價(jià)均按陜西省相關(guān)部門2021年公布的價(jià)格進(jìn)行計(jì)算，所需能源熱值和熱效率見(jiàn)表2。

表2 各類能源熱值、熱效率及價(jià)格

設(shè)備折舊費(fèi)用計(jì)算采用年限平均法，計(jì)算公式為[19]：

式中：t為設(shè)備折舊費(fèi)用，萬(wàn)元；D為原油加熱系統(tǒng)的投資費(fèi)用，萬(wàn)元；c為預(yù)計(jì)凈殘差率，一般取4%。

2）貸款利率a暫取10%，進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。

3）原油加熱系統(tǒng)的可運(yùn)行年限n，參照實(shí)際工程的最大使用年限，電鍋爐、燃煤鍋爐、燃?xì)忮仩t為10年，太陽(yáng)能電輔、地源熱泵、空氣源熱泵為15年。

4）原油加熱系統(tǒng)所需投資費(fèi)用B的確定。投資費(fèi)用B包括加熱系統(tǒng)設(shè)備的購(gòu)買、安裝、施工等費(fèi)用。由于各系統(tǒng)未進(jìn)行實(shí)際的具體設(shè)計(jì)，無(wú)法得知精確的投資費(fèi)用，為進(jìn)行計(jì)算比較，根據(jù)已知市場(chǎng)價(jià)格查得電鍋爐、燃煤鍋爐、燃?xì)忮仩t、空氣源熱泵的投資費(fèi)用均為3萬(wàn)元左右，費(fèi)用相近，假設(shè)其投資費(fèi)用為D；而地源熱泵投資費(fèi)用為10 萬(wàn)元左右，其投資費(fèi)用為3D[20]。

將以上參數(shù)代入式（1）進(jìn)行計(jì)算，各類原油加熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 各類原油加熱系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

對(duì)電鍋爐、燃油鍋爐、燃?xì)忮仩t進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)燃?xì)忮仩t的費(fèi)用年值遠(yuǎn)少于其他兩種鍋爐；對(duì)空氣源熱泵、太陽(yáng)能電輔進(jìn)行比較，空氣源熱泵費(fèi)用年值明顯少于太陽(yáng)能電輔；若投資費(fèi)用B超過(guò)30萬(wàn)元，太陽(yáng)能電輔的費(fèi)用年值少于燃?xì)忮仩t；若投資費(fèi)用B超過(guò)1.26 萬(wàn)元，空氣源熱泵的費(fèi)用年值少于地源熱泵。

在運(yùn)行費(fèi)用A的比較中，可以得出空氣源熱泵、太陽(yáng)能電輔具有一定的優(yōu)勢(shì)。從實(shí)際角度出發(fā)，地源熱泵的初期投資金額最低為10 萬(wàn)元左右，遠(yuǎn)超1.26 萬(wàn)元，因此空氣源熱泵雖然在年耗能以及運(yùn)行費(fèi)用上略高于地源熱泵，但考慮投資金額和成本，綜合經(jīng)濟(jì)效率最好。

3.2 等價(jià)標(biāo)煤量對(duì)比結(jié)果

依據(jù)2.2中等價(jià)標(biāo)煤轉(zhuǎn)換原理及各類能源的折標(biāo)系數(shù)，對(duì)各類原油加熱系統(tǒng)的能耗進(jìn)行標(biāo)煤折算對(duì)比，結(jié)果如圖3所示。

從圖3 中可以看出，諸多原油加熱系統(tǒng)的年能耗從大到小排序?yàn)椋弘婂仩t＞太陽(yáng)能電輔＞燃?xì)忮仩t＞燃油鍋爐＞空氣源熱泵＞地源熱泵。空氣源熱泵加熱系統(tǒng)的年能耗經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，約為23.15 t 的等價(jià)標(biāo)煤，與最低能耗的加熱系統(tǒng)——地源熱泵相差2.87 t的等價(jià)標(biāo)煤，具有較好的節(jié)能性，能耗相對(duì)較低。

圖3 各類原油加熱系統(tǒng)年能耗轉(zhuǎn)換為折標(biāo)煤量

3.3 COP值與CO2減排量對(duì)比結(jié)果

通過(guò)對(duì)經(jīng)濟(jì)效率以及耗能的分析，太陽(yáng)能電輔、地源熱泵、空氣源熱泵加熱系統(tǒng)具有較大的優(yōu)勢(shì)，且是原油加熱系統(tǒng)未來(lái)的主要發(fā)展方向。因此，重點(diǎn)比較這3 種加熱系統(tǒng)的COP 值和CO2減排量，如圖所示4。

圖4 各類原油加熱系統(tǒng)COP值及CO2減排量

在原油加熱系統(tǒng)的使用年限內(nèi)，太陽(yáng)能電輔系統(tǒng)的CO2減排量最多，達(dá)485.08 t；空氣源熱泵次之，為302.98 t；地源熱泵的CO2減排量最少。同等情況下，地源熱泵的COP 值可達(dá)4.0，空氣源熱泵的COP值為3.5，太陽(yáng)能電輔系統(tǒng)的COP 值最低，為2.25。綜合分析看，空氣源熱泵在CO2減排和熱泵效能方面均具有較大的優(yōu)勢(shì)，節(jié)能環(huán)保效益明顯。

4 結(jié)論

1）依據(jù)動(dòng)態(tài)年值法，空氣源熱泵在投資金額超過(guò)1.26萬(wàn)元時(shí)，費(fèi)用年值低于其他加熱系統(tǒng)。

2）進(jìn)行等價(jià)標(biāo)煤折算對(duì)比，空氣源熱泵在工作年限內(nèi)消耗的等價(jià)標(biāo)煤量略高于地源熱泵，遠(yuǎn)低于其他加熱系統(tǒng)。

3）空氣源熱泵的CO2減排量低于太陽(yáng)能電輔，高于地源熱泵；運(yùn)行時(shí)的COP 值略低于地源熱泵，遠(yuǎn)高于太陽(yáng)能電輔。

4）從上述角度綜合分析，空氣源熱泵加熱系統(tǒng)在能耗上與其他5種常用加熱系統(tǒng)相比具有顯著的優(yōu)勢(shì)，但具體實(shí)施方案仍需要對(duì)能源價(jià)格、利率、環(huán)境等因素加以考慮，才能確定。