热泵技术在油田地面工程中的应用

黄 辉，邱伟伟 （中石化石油勘探开发研究院地面工程研究所，北京100191）

据统计，我国油田每天可产含油污水190×104m3。这些油田污水温度约在35～60℃之间，余热回收潜力巨大。采用水源热泵技术将这些污水热能用于油田的生产和生活服务，可有效减少能耗及碳排放，是油田节能降耗的新途径。另外，在偏远的井场或污水资源不足的油田，空气源热泵和地热热泵技术采用取之不尽、用之不竭的空气和地热资源作为低温热源，给井场原油加热，也是一种高效节能、经济环保的新型方式。

1 热泵技术基本原理

20世纪初，在卡诺理论的基础上，热泵技术开始发展。随着20世纪70年代末能源价格的升高，热泵节能、高效的特点引起了人们的重视，热泵技术进入了快速发展阶段。20世纪80年代初在北欧瑞典、挪威等国家以污水为低温热源的大型水源热泵站相继投入运行。目前，热泵技术已经趋于成熟，广泛应用于生活生产。瑞典斯德哥尔摩有40%的建筑物采用水源热泵技术供热，其中10%是利用污水处理厂的出水。

图1 热泵基本工作原理

常用的压缩式热泵机组主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成 （见图1），其基本工作原理可分为蒸发吸热阶段 （从膨胀阀出来的低温液态制冷剂，进入蒸发器，与低温热源进行热交换，制冷剂温度升高，变为气态）、压缩升温阶段 （制冷剂进入压缩机，变为高温高压气体）、冷凝放热阶段 （高温高压制冷剂气态进入冷凝器后，与供热循环水或所需供热介质进行热交换，温度降低，变为液态）、膨胀降温阶段 （液态的制冷剂继续循环到膨胀阀，节流降温，变为低温低压液态制冷剂，输送至蒸发器，继续循环）4个阶段。在循环过程中，制冷剂将低品位热能与输入电能之和转换给换热介质，降低了电能的损耗，达到了节能的目的。

2 应 用

2.1 联合站的采暖及伴热

1）大庆油田 大庆油田2000年开始将热泵技术应用于站场、生产辅助用房的生产用热和采暖，其第五作业区、南七联、南十联等站场采用含油污水和生活污水为热源，通过热泵技术实现采暖以及联合站内的伴热。下面以南七联为例说明热泵在大庆油田联合站的应用［1－3］。

南七联合站应用热泵技术的工艺流程 （见图2）为：污水站来部分含油污水经升压泵升压后，至板式换热器与清水换热后回注。吸收污水热能的清水，被送至热泵机组，释放热能后，进入开式水箱并循环使用。采暖水在热泵机组内吸收高品位热能，送至采暖系统释放热量，供给用户并循环使用。该工程2001年12月投产，从运行情况看，采暖效果良好，当室外温度在－3～－26℃之间变化时，热泵出水温度为60.7～64.3℃，室温始终保持在18℃ 左右，满足南七联冬季采暖要求，且能够保证污水处理、脱水及注水等系统工艺的伴热，伴热效果能够满足生产需要。热泵系统代替了原来的水套炉、锅炉等设施，节约了燃料，操作简单，降低了成本，每年可节约139t标准煤，静态回收期为2年。

图2 南七联应用热泵技术工艺流程

2）辽河油田 辽河油田也在海南联合站采用热泵技术为油罐伴热及站内冬季采暖［4］，选用1台LSBLGRG （I）－445W的含油污水超高温水源热泵机组，供冬季油罐伴热、办公楼供暖和夏季油罐伴热。采用该项技术后，每年可节省运行费用73.2万元。

辽河油田锦采欢三联合站污水余热利用热泵系统主要有2台热泵机组、3台污水循环泵、3台中间循环泵、3台末端循环泵、1台污水软水换热器、1台原油软水换热器。每年可节约标准煤1189.8t，年节约一次能源消耗83.28×108kcal。

3）塔里木油田 塔里木油田桑吉作业区 （生产污水量为3100m3／d，温度为50℃）、塔中联合站（生产污水量为4500m3／d，温度为50℃）通过污水源热泵机组供采暖或站内生产用热，可分别节约标煤2.75t／d和4t／d，对于节能减排意义重大［5］。

2.2 注水站的采暖及注水泵冷却

自2002年至今，大庆油田已在第二采油厂、第三采油厂、第七采油厂、第九采油厂、井下作业三大队等建成投产10余座热泵房［6］，以油田回注水作为低温热源，采用热泵技术用于房间采暖和提供冷却水。下面以大庆油田萨西二注水站、葡Ⅰ－1注水站为例说明热泵技术用于注水站的注水泵冷却以及冬季采暖。

大庆油田萨西二注水站2002年开始采用热泵技术，利用含油污水及注水电机冷却水作低温热源，制热用于冬季采暖，制冷用于注水电机冷却。冬季采暖运行流程与联合站流程相似。将注水电动机与冷却水泵串联，用电动机冷却清水循环替代联合站采暖流程中的普通清水循环。注水电机冷却水经电机升温后，与污水在板式换热器内再次升温作为热泵的低温热源。而夏季流程相当于冬季流程的逆循环，如图3所示。

冷却水经注水电动机吸收热量，循环至热泵机组蒸发器，释放热量后，返回冷却水箱，循环使用。循环清水在热泵机组冷凝器内吸收高品位热能，循环至板式换热器释放热量，返回开式水箱供循环使用。含油污水在板式换热器内吸收循环清水释放的热量，回注地下。经验证，该系统采暖和冷却效果都较好，室内温度保持在16～18℃之间，冷却系统水温稳定在20～23℃ 之间。应用该热泵后每年可节约运行费用21.9万元，静态经济回收期为3年。

大庆油田葡Ⅰ－1注水站2009年开始应用水源热泵冷却注水电机系统，同时冷却余热供注水站内1600m2。建筑的冬季采暖［7］，具有良好的节能、节水效果，每年可节约181.66万元，投入运行65d即可回收投资。

图3 注水站应用热泵技术的夏季运行流程

2.3 井场原油加热

江苏油田2012年在桩13井区2口井 （日产液20m3／d）井场集输中，采用空气源热泵技术代替电加热 （见图4），将稠油输送至储油罐。采用自动控制装置，当原油温度低于45℃时，热泵自动启动；高于51℃时，热泵停止加热。热泵本身带有电加热装置，冬季时，若空气温度过低，可采用电加热。采用热泵技术管理方便，维护简单，每天可节约用电83kW·h，经济回收期为2年。

河南张店油田井场储油罐中原油加热后才能放出拉运。2008年对3口井应用了地源热泵式储油罐加热系统［8］，运行效果较好，年节约费用29.6万元，对偏远稠油井生产具有很好的借鉴意义。

图4 井口加热工艺流程图

2.4 热泵供暖在油田的其他应用

2006～2008年辽河油田供水公司在7座水源站开始使用水源热泵技术供暖，供暖温度为55～60℃，满足实际需要［4］。采用水源热泵技术供暖后，2008～2009和2009～2010采暖期分别节省运行费用36.24万元和26.42万元，个别水源站投产3年后即可回收投资。

2009年，新疆重油开发公司在克浅污水处理站应用热泵技术采暖［9］，采暖效果较好，满足冬季采暖要求，单个采暖期节约运行费用37万元。

3 注意事项

热泵技术应用于油田地面工程系统优势明显，具有节能减排的重要意义，可以得到广泛推广。但是，在应用时应注意以下问题：

（1）热泵热源形式多样，油田常用的为污水源热泵，主要应用于注水站、联合站等低温污水资源丰富的场所。而空气源热泵只能在冬季环境温度较高的南方油田应用，而且适合于边远零散油田。因此，热泵的选择应根据油田自身资源条件及经济性，选择性价比较高的推广应用。

（2）热泵相对于锅炉、电加热炉等初始投资较高，对于供热需求大，需要改造工程量较大的场所不建议进行改造。在新建加热系统或热源充足的联合站及注水站等，可考虑采用热泵系统。另外，由于低温热源泵发展非常成熟，对采暖温度及伴热温度要求不高的场所，可采用热泵系统。

（3）油田污水中含油等杂质，容易对设备腐蚀与附着，易结垢，严重影响水源设备的使用寿命和运行效率，对水源热泵系统提出了挑战。采用清水与污水进行热量交换，避免含油污水与热泵主机的直接接触，是解决该问题的方法之一，但是对于换热器材料防腐提出了更高的要求。另外，高温污水热源泵技术尚不成熟，仍有待提高。

（4）由于空气源热泵在使用过程中涉及到随着季节变化空气温度发生变化，尤其是冬季空气温度较低，热泵系统效率降低，例如江苏油田所采用空气源热泵工作温度低于－5℃时，严重影响工作效率。因此，需要在冬季增加电加热等辅助加热措施。