王琦 （大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠(chǎng)）

大慶油田具有大量的含油污水低溫余熱資源，吸收式熱泵對(duì)含油污水余熱進(jìn)行回收是一個(gè)提高能源利用率的有效手段[1]。國(guó)內(nèi)專(zhuān)家和學(xué)者主要對(duì)吸收式熱泵的工質(zhì)對(duì)、吸收器和吸收循環(huán)進(jìn)行了研究，特別是吸收循環(huán)環(huán)節(jié)內(nèi)發(fā)生器部分的驅(qū)動(dòng)熱源是人們研究的重點(diǎn)[2-3]。但驅(qū)動(dòng)源大多為一次性驅(qū)動(dòng)熱源，同時(shí)低溫余熱提取工藝也為一次性提取，未能充分發(fā)揮驅(qū)動(dòng)源的做功能力和低溫?zé)嵩吹奶崛⌒?。傳統(tǒng)的吸收式熱泵的技術(shù)路徑為低壓蒸汽鍋爐-溴化鋰吸收式熱泵；驅(qū)動(dòng)源和低溫?zé)嵩措p向梯級(jí)利用熱泵工藝（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“雙向梯級(jí)利用熱泵工藝”）的技術(shù)路徑為中溫中壓鍋爐-蒸汽直拖離心熱泵-溴化鋰吸收式熱泵；低溫?zé)嵩礊楹臀鬯?溴化鋰吸收式熱泵-蒸汽直拖離心熱泵。但由于吸收式熱泵制熱過(guò)程的低溫?zé)嵩础Ⅱ?qū)動(dòng)源與供熱熱媒之間相互關(guān)聯(lián)且相互制約，所以雙向梯級(jí)熱泵利用工藝較傳統(tǒng)吸收式熱泵工藝更為復(fù)雜，只有通過(guò)詳細(xì)論證，才能具有實(shí)踐指導(dǎo)意義，同時(shí)需結(jié)合油田實(shí)際供熱工況，方能定量論證。

大慶油田某集中供熱區(qū)域總供暖面積約173×104m2，采暖熱負(fù)荷85 MW，供回水溫度65 ℃/45 ℃。由多座燃煤鍋爐房供熱，能耗高、環(huán)保壓力大，急需進(jìn)行改造，擬采用含油污水低溫余熱供熱?，F(xiàn)利用其中一座規(guī)模較大的處于區(qū)域中心的燃煤鍋爐房進(jìn)行改造，新建蒸汽鍋爐產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動(dòng)熱泵提取油田含油污水低溫余熱，實(shí)現(xiàn)集中供熱，同時(shí)降低污染排放，達(dá)到節(jié)能、環(huán)保的目的。該鍋爐房位于油田生產(chǎn)核心區(qū)域，含油污水回注量較大，余熱量充足。周邊1.5 km 范圍內(nèi)有5 座含油污水站，日總處理量10.7×104m3～11.4×104m3，擬利用其中較近的兩座污水站，日處理量為5.9×104m3。

1 邊界條件分析

1.1 低溫?zé)嵩催吔鐥l件

溴化鋰是無(wú)色粒狀結(jié)晶物，其性質(zhì)與食鹽相似，化學(xué)穩(wěn)定性好，在大氣中不會(huì)變質(zhì)、分解或揮發(fā)，極易溶解于水。此外，溴化鋰無(wú)毒，對(duì)皮膚無(wú)刺激。無(wú)水溴化鋰熔點(diǎn)549 ℃，沸點(diǎn)1 265 ℃。固體溴化鋰通常會(huì)含有一個(gè)或兩個(gè)結(jié)晶水，分子式為L(zhǎng)iBr·H2O 或LiBr·2H2O。溴化鋰-水工質(zhì)對(duì)的二元溶液飽和蒸汽壓的大小由溶液的溫度和質(zhì)量濃度確定。溴化鋰具有極強(qiáng)的吸水性，水溶液對(duì)一般金屬有腐蝕性。溴化鋰水溶液凝固曲線(xiàn)見(jiàn)圖1，析冰線(xiàn)和析鹽線(xiàn)以上為溴化鋰水溶液，如果濃度低于合晶點(diǎn)濃度，隨著溫度下降，溴化鋰水溶液會(huì)析冰，濃度高于合晶點(diǎn)濃度，隨著溫度下降，溴化鋰水溶液會(huì)析鹽。如果溴化鋰水溶液濃度為61%保持不變，溫度下降到析鹽線(xiàn)出現(xiàn)成結(jié)晶現(xiàn)象， 析出LiBr·2H2O； 如果溫度不變， 濃度升高析出LiBr·H2O，此外在20 ℃，析鹽線(xiàn)對(duì)應(yīng)濃度為61%，也就是說(shuō)20℃下濃度61%左右，溴化鋰水溶液就會(huì)結(jié)晶[4]。因而裝置在運(yùn)行時(shí)，為防止溴化鋰吸收式熱泵裝置堵塞故障，溴化鋰水溶液的溫度應(yīng)該至少比其結(jié)晶溫度高5 ℃，因此蒸發(fā)溫度不能低于25 ℃。

圖1 溴化鋰水溶液凝固曲線(xiàn)Fig.1 Solidification curve of lithium bromide aqueous solution

大慶油田含油污水來(lái)水溫度一般為35～32 ℃，由上述分析可知，利用吸收式熱泵提取熱量后含油污水最低溫度不能低于25 ℃。

1.2 單效吸收式熱泵最高出水溫度

常用的溴化鋰吸收式熱泵主要應(yīng)用水蒸氣相變制熱，溴化鋰吸收式熱泵原理見(jiàn)圖2，單效吸收式熱泵理論循環(huán)中，假定工質(zhì)流動(dòng)無(wú)損失，因此在熱交換設(shè)備內(nèi)進(jìn)行的是等壓過(guò)程，發(fā)生器壓力Pg等于冷凝壓力Pk，吸收器壓力Pa等于蒸發(fā)壓力P0；發(fā)生過(guò)程和吸收過(guò)程終了的溶液狀態(tài)，以及冷凝過(guò)程和蒸發(fā)過(guò)程終了的制冷劑狀態(tài)都是飽和狀態(tài)。決定吸收式熱力過(guò)程的外部條件是三個(gè)溫度，被冷卻介質(zhì)溫度tc、冷卻介質(zhì)溫度tw和熱源溫度tg，他們分別影響著機(jī)組的各個(gè)內(nèi)部參數(shù)。被冷卻介質(zhì)溫度tc決定了蒸發(fā)壓力P0和蒸發(fā)溫度t0；冷卻介質(zhì)溫度tw決定了冷凝壓力Pk、冷凝溫度tk及吸收器內(nèi)溶液的最低溫度t1；熱源溫度tg決定了發(fā)生器內(nèi)溶液的最高溫度t4，進(jìn)而P0和t1又決定了稀溶液濃度ζw。Pk和t4決定了濃溶液溫度、濃溶液濃度等[5]。

圖2 溴化鋰吸收式熱泵原理Fig.2 Principle of lithium bromide absorption heat pump

現(xiàn)有研究通過(guò)對(duì)溴化鋰各物性參數(shù)進(jìn)行分析，為了防止溶液發(fā)生結(jié)晶，單效吸收式熱泵將濃溶液的濃度設(shè)定為62.67%，稀溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)上限設(shè)定為60%[6-7]。由于驅(qū)動(dòng)源為蒸汽，現(xiàn)有工藝蒸汽為低壓1.0 MPa，輸送到熱用戶(hù)的蒸汽為0.6～0.8 MPa，由此該研究驅(qū)動(dòng)熱源為0.6 MPa，對(duì)應(yīng)飽和蒸汽溫度為159 ℃。含油污水低溫?zé)嵩垂┧疁囟葹?5 ℃時(shí)，理論極限熱水供水溫度為75 ℃[8]。滿(mǎn)足大慶油田分散供熱熱用戶(hù)冬季供水溫度60～65 ℃的要求。

1.3 雙效吸收式熱泵最高供水溫度

雙效吸收式熱泵的發(fā)生器有兩個(gè)，一個(gè)是高壓發(fā)生器，一個(gè)是低壓發(fā)生器，高壓發(fā)生器溶液最高溫度和溶液壓力與熱源溫度有關(guān)，低壓發(fā)生器壓力與冷卻水溫度有關(guān)，由于高壓發(fā)生器壓力大于冷凝器壓力，導(dǎo)致吸收器入口溶液溫度高， 因此較單效吸收式熱泵不容易結(jié)晶，同時(shí)吸收熱輸出比例高，發(fā)生器耗熱量減少。油田工況下，余熱側(cè)低溫?zé)嵩垂┗厮疁囟?5 ℃/25 ℃，受溶液濃度和制冷劑溫度影響，現(xiàn)有工程實(shí)例和研究表明，采用165 ℃飽和溫度的蒸汽驅(qū)動(dòng)雙效溴化鋰吸收式熱泵， 回收36 ℃余熱水的熱量， 可提供60 ℃的熱輸出用于供熱[9]。雙效吸收式熱泵冷卻水最高出水溫度為60 ℃[10]。

1.4 蒸汽直拖離心熱泵的原理及邊界條件

蒸汽直拖離心熱泵采用汽輪機(jī)作為熱泵壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)力（蒸汽來(lái)自鍋爐），蒸汽直拖離心熱泵工作原理見(jiàn)圖3，通過(guò)熱泵回收工藝?yán)鋮s水中的低品位熱能，實(shí)現(xiàn)集中供熱的目的，采用逆卡諾循環(huán)的原理實(shí)現(xiàn)余熱回收。該熱泵制熱循環(huán)主要設(shè)備包括蒸發(fā)器（液態(tài)制冷劑在其中蒸發(fā)，從而吸收來(lái)自工業(yè)余熱廢熱源的熱量）、壓縮機(jī)（驅(qū)動(dòng)熱泵制熱循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力）、冷凝器（氣態(tài)制冷劑在其中冷凝，通過(guò)冷凝放熱實(shí)現(xiàn)供熱）及節(jié)流裝置[11]。

圖3 蒸汽直拖離心熱泵工作原理Fig.3 Working principle of steam direct drag centrifugal heat pump

蒸汽驅(qū)動(dòng)的壓縮式熱泵具有以下特點(diǎn)：

1） 蒸汽驅(qū)動(dòng)的壓縮式熱泵不需要消耗電力，利用蒸汽作為動(dòng)力，但是需要的蒸汽參數(shù)較高。

2）蒸汽作為熱泵機(jī)組的驅(qū)動(dòng)能源，避免了電驅(qū)方式的冷端損失和輸送損耗，提高了一次能源利用率。

3）壓縮式熱泵COP 值高，與吸收式熱泵相比較，在相同熱源水和熱網(wǎng)水的條件下，壓縮式熱泵的COP 值約為吸收式熱泵COP 值的2～3 倍以上。

4）壓縮式熱泵相比溴化鋰熱泵對(duì)工況的適應(yīng)性強(qiáng)，能夠在變化的工況下，盡可能實(shí)現(xiàn)供熱溫度，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。

由于國(guó)內(nèi)蒸汽透平驅(qū)動(dòng)熱泵應(yīng)用較少，根據(jù)循環(huán)水余熱利用應(yīng)用實(shí)例表明，該技術(shù)成熟，低溫余熱供回水溫度25 ℃/17 ℃，驅(qū)動(dòng)源為蒸汽0.98 MPa，305 ℃，供水溫度為73.3 ℃，對(duì)應(yīng)中溫中壓蒸汽透平驅(qū)動(dòng)熱泵的低溫余熱供回水溫度35 ℃/25 ℃，最高出水溫度為82 ℃。

2 傳統(tǒng)熱泵工藝流程分析

目前大慶油田利用蒸汽吸收式熱泵提取油田含油污水余熱為廠(chǎng)礦供熱，整體工藝流程分為3 部分，傳統(tǒng)熱泵工藝流程見(jiàn)圖4。

圖4 傳統(tǒng)熱泵工藝流程Fig.4 Flow of traditional heat pump process

1）驅(qū)動(dòng)源：采用低壓蒸汽鍋爐，壓力0.6 MPa蒸汽，直接進(jìn)入熱泵發(fā)生器，濃縮溴化鋰溶液放熱后，冷凝為液態(tài)，形成冷凝水。

2）低溫余熱：35 ℃含油污水進(jìn)入熱泵吸收器將低溫余熱傳遞給溴化鋰稀溶液，放熱后降為25 ℃。

3）供熱系統(tǒng)：45 ℃熱力回水經(jīng)熱泵吸收器和冷凝器溫升至65 ℃后供給熱用戶(hù)。

在油田工況下，在供熱側(cè)出水溫度65 ℃的條件下，單效吸收式熱泵可達(dá)65 ℃以上，而雙效熱泵供水溫度只能供到60 ℃，因此傳統(tǒng)工藝可采用單效吸收式熱泵。

設(shè)計(jì)參數(shù)：供熱負(fù)荷為85 MW，COP 為1.7，驅(qū)動(dòng)源為表壓0.5 MPa 蒸汽；供熱側(cè)供回水溫度65 ℃/45 ℃； 余熱側(cè)供回水溫度35 ℃/25 ℃；0.5 MPa 的飽和蒸汽比焓為2 755 kJ/kg，98 ℃冷凝水比焓為411 kJ/kg。

單效吸收式熱泵可實(shí)現(xiàn)供水溫度65 ℃/45 ℃，雖然也能取得較好的經(jīng)濟(jì)環(huán)保節(jié)能效果，但是未能充分發(fā)揮蒸汽的做功能力，以及吸收式熱泵的高效性能。現(xiàn)提出熱泵驅(qū)動(dòng)源及低溫?zé)嵩措p向梯級(jí)利用，通過(guò)研究，COP 可達(dá)到2.7 以上。

3 雙向梯級(jí)利用熱泵工藝流程分析

2）低溫余熱：35 ℃含油污水先進(jìn)入吸收式熱泵放熱后降至27 ℃，再進(jìn)入離心直托式熱泵，含油污水降為21℃。相較于傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)僅降為25 ℃，低溫能源利用效率明顯提高。

3）供熱系統(tǒng)：45 ℃熱力回水經(jīng)吸收式熱泵升溫至58 ℃，送至離心直托式熱泵冷凝器，再次升溫為65 ℃供給熱用戶(hù)。

在梯級(jí)利用工藝中，吸收式熱泵僅需將熱力回水加熱至58 ℃，故吸收式熱泵可采用雙效吸收式熱泵，COP 可達(dá)2.2，相較于傳統(tǒng)工藝中的單效式吸收熱泵COP 為1.7，能源利用率明顯提高。

設(shè)計(jì)參數(shù)：供熱負(fù)荷為85 MW；供熱側(cè)供回水溫度65 ℃/45 ℃， 回注含油設(shè)計(jì)污水水量為2 000～4 000 t/h。

匹配設(shè)備：驅(qū)動(dòng)源為40 t/h 中壓蒸汽鍋爐產(chǎn)生的3.85 MPa，450 ℃蒸汽；4.9 MW 汽輪機(jī)直拖COP為5.8 的離心式熱泵機(jī)組，COP 為2.2 的雙效蒸汽吸收式熱泵，熱泵機(jī)組相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 熱泵機(jī)組相關(guān)參數(shù)Tab.1 Related parameters of heat pump unit

按質(zhì)供能、梯級(jí)利用的節(jié)能改造理念。以充分利用余熱量，最高效率的產(chǎn)熱量為原則。

驅(qū)動(dòng)源側(cè)采用能源梯級(jí)利用方式，充分利用高品質(zhì)能源，增大制熱效率，有效提高有限資源的能效性。熱泵低溫?zé)嵩磦?cè)采用串聯(lián)方式，充分提高熱泵COP。

驅(qū)動(dòng)源及低溫?zé)嵩措p向梯級(jí)利用工藝流程見(jiàn)圖5，整體工藝流程分為3 部分。

圖5 驅(qū)動(dòng)源及低溫?zé)嵩措p向梯級(jí)利用工藝流程Fig.5 Flow of bi-directional staircase utilization heat pump process with a driving source and a low- temperature heat source

1） 驅(qū)動(dòng)源：在新建中壓蒸汽鍋爐的前提下，蒸汽先驅(qū)動(dòng)直拖離心式熱泵機(jī)組減壓降溫后驅(qū)動(dòng)吸收式熱泵機(jī)組。

4 節(jié)能環(huán)保效益對(duì)比分析

4.1 燃煤鍋爐供熱耗能分析

現(xiàn)有供熱系統(tǒng)為區(qū)域燃煤鍋爐房，供熱面積約為173×104m2，供熱負(fù)荷為85 MW。則全年供熱量：

式中：Q為供熱負(fù)荷，取值85 MW；t為供暖期小時(shí)數(shù)，h，大慶地區(qū)采暖期183 d共計(jì)4392 h；μ為天氣折算系數(shù)，0.65；為全年供熱量，取值104GJ。

經(jīng)計(jì)算全年供熱量為87.3×104GJ。根據(jù)全年供熱量，按照熱力當(dāng)量值0.034 1 kgce/MJ 計(jì)算鍋爐的年標(biāo)煤量，由于鍋爐效率較低，取70%。因此燃煤鍋爐年耗煤量為4.26×104tce。

4.2 傳統(tǒng)熱泵工藝耗能分析

傳統(tǒng)熱泵工藝中采用的低壓蒸汽鍋爐為新建，效率一般為80%～90%。耗煤量Bs計(jì)算如下：

式中：Bs為耗煤量，kgce；ηcop為熱泵制熱效率，取值1.7；Qah為全年供熱量，取值87.3×104GJ；η為鍋爐效率，%，取值85%；h為熱量換算系數(shù)，取值4.18 kJ/kcal；s為標(biāo)煤大卡數(shù)，取7 000。

將上述參數(shù)帶入得單效吸收式熱泵年耗煤量為2.06×104tce。

4.3 雙向梯級(jí)利用工藝耗能分析

雙向梯級(jí)利用工藝加熱源為蒸汽梯級(jí)加熱，相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1 所示，則加熱源全年耗量Qg為：

式中：Qg為加熱安全年耗能，104GJ；h1為直拖熱泵入口蒸汽焓值，取值3 332 kJ/kg；h2為直拖熱泵出口蒸汽焓值，取值2 849 kJ/kg；h3為吸收式熱泵入口蒸汽焓值，取值2 755 kJ/kg；h4為吸收式熱泵出口蒸汽焓值，取值411 kJ/kg；G為蒸汽流量，取值40 t/h；μ為天氣折算系數(shù)，0.65。

經(jīng)計(jì)算加熱源全年耗量Qg為32.3×104GJ。由加熱源全年耗量計(jì)算標(biāo)煤量為：

經(jīng)計(jì)算，雙效梯級(jí)利用年耗煤量為1.30×104tce。

雙效梯級(jí)利用工藝的COP 為供熱負(fù)荷與輸入功之比，其中輸入功計(jì)算公式為：

式中：P為輸入功率，MW。

計(jì)算得輸入功率為31.4 MW，從而COP 為2.7。

4.4 能耗對(duì)比

通過(guò)上述分析，傳統(tǒng)熱泵工藝年耗煤量為2.06×104tce，COP 為1.7，雙向梯級(jí)利用熱泵工藝年耗煤量為1.30×104tce，COP 為2.7。節(jié)能環(huán)保效益對(duì)比分析見(jiàn)表2。

表2 節(jié)能環(huán)保效益對(duì)比分析Tab.2 Comparison and analysis of energy conservation and environmental protection benefits

表2 可看出熱泵工藝較鍋爐工藝供熱節(jié)能效果明顯，其中雙向梯級(jí)利用熱泵工藝改造節(jié)能效果更為突出，經(jīng)濟(jì)上，內(nèi)部收益率明顯高于傳統(tǒng)單效吸收式熱泵技術(shù)。

該項(xiàng)目效益不僅僅表現(xiàn)在燃料的節(jié)約上，由于燃料的節(jié)約，煤和灰渣相應(yīng)減少，從而也減輕了城市汽車(chē)運(yùn)輸流量，緩解了道路交通的擁擠和廢棄物的排放。

5 結(jié)論

1）針對(duì)傳統(tǒng)供熱方案所存在的問(wèn)題，提出了將直拖離心式熱泵機(jī)組和蒸汽驅(qū)動(dòng)吸收式熱泵機(jī)組代替鍋爐供暖，實(shí)現(xiàn)熱泵驅(qū)動(dòng)源及低溫?zé)嵩措p向梯級(jí)利用，回收含油污水余熱的方案在技術(shù)上是可行的。

2）油田工況下，含油污水梯級(jí)供熱實(shí)現(xiàn)低溫?zé)嵩垂┗厮疁囟?5 ℃/21 ℃，直拖離心式熱泵機(jī)組和雙效吸收式熱泵機(jī)組梯級(jí)供熱熱網(wǎng)水供回水溫度65 ℃/45 ℃，COP 可達(dá)2.7，提高了供熱效率。而傳統(tǒng)余熱回收方案的性能系數(shù)為1.6～1.7，低于提出的方案。從能源高效利用角度，雙效梯級(jí)利用熱泵工藝有較高的節(jié)能潛力。

3）經(jīng)濟(jì)環(huán)保效益上，雙效梯級(jí)利用熱泵工藝投資相對(duì)較高，但內(nèi)部收益率為17%，傳統(tǒng)工藝單效吸收式熱泵內(nèi)部收益率僅為10%，同時(shí)梯級(jí)利用熱泵工藝較傳統(tǒng)熱泵工藝年節(jié)省標(biāo)煤量為0.77×104tce，CO2排放量較傳統(tǒng)熱泵工藝年減少2.01×104t，一次能源利用率較傳統(tǒng)熱泵工藝提高了50%。

4）當(dāng)?shù)蜏赜酂釣?5 ℃，雙效吸收式熱泵供水溫度為58 ℃，雙效梯級(jí)利用工藝整體供水溫度能夠超過(guò)65 ℃。由于大慶油田普遍存在較多可直接供熱的區(qū)域，供熱溫度65 ℃左右，且周邊回注含油污水低溫余熱資源豐富，所以該技術(shù)在大慶油田應(yīng)用前景廣闊。