太阳能光热结合吸收式热泵用于油田生产加热技术研究与设计

太阳能光热结合吸收式热泵用于油田生产加热技术研究与设计

我国油田生产能耗巨大，导致成本高、污染严重，同时其丰富的低温污水余热和太阳能光热资源未得到高效开发利用。通过太阳能聚光光热技术产生的中高温导热油结合天然气等补充能源作为吸收式热泵的驱动热源，回收采油污水中的余热用于集输伴热等油田生产中，不仅能比常规锅炉提高能源利用效率，还可以充分利用余热资源和太阳能资源，大幅降低能源消耗总量和温室气体排放量，在油田节能、减排、降本方面具有广阔的前景。

标签：太阳能光热；吸收式热泵；余热回收；原油加热

1 概述

1.1 油田生产能耗巨大

我国开采的原油多为高含蜡、高凝点、高黏度的“三高”原油，近年来新发现的油田稠油占比较高，常温下流动性差，在集输和处理工艺过程中需要进行加热与保温。在油田生产过程中至少有20%的能耗用于原油加热与处理，每年消耗大量的煤、原油、天然气和电等能源，产生严重的环境污染问题。据统计，我国各油田每集输1t原油平均耗气约15～35m3。据此测算，中石化油田集输原油每年能耗总量折合成原油至少在60×104t以上，中石油约为170×104t[1]。

1.2 油区太阳能和污水资源丰富

大庆油田、胜利油田、长庆油田、塔里木油田、辽河油田、西北油田等中国主要陆上油田都分布在西部、北部等太阳能资源非常丰富的地区，年日照时间长、能量大，具备利用太阳能光热资源用于油田加热的条件。随着油田含水率的上升，大量具有较高温度的储层水伴随石油采出后经过净化又回注地层。以中石化为例，>40℃的采油污水达到110万吨/天，若从污水中提取10℃热量，相当于1578吨标煤/天，每年达57.6万吨，节能潜力巨大。

2 太阳能光热和吸收式热泵供热在油田中的应用

2.1 太阳能光热在油田生产中的应用

太阳能光热应用分为低温和中高温利用。太阳能真空管集热热水器是最为常见的太阳能低温光热利用形式，多在制取生活热水、供暖和预加热等直接利用方面，在需要较高温度的工业适用性较为局限。太阳能中高温光热技术是用槽式、线性菲涅尔式等太阳能聚光光热技术把导热油最高加热至近400℃，用于工业生产。

在原油集输太阳能加热应用方面[2][3]，辽河油田与上海交通大学、华南理工大学等合作，研究设计了基于真空管集热器阵列的“原油集输太阳能加热节能

系统”并在兴隆台采油厂投入应用。仅靠太阳能可将原油最高加热到83℃，在太阳能辐射不足时开启燃烧器和水套炉对原油进行二次补充加热。在边缘井储油罐加热维温上[3][4]，江苏油田在安徽采油厂天83-1拉油站等边远井站安装的“太阳能+辅助电加热系统”在油罐和管路供热方面取得了较好的应用效果。华北油田自2006年开始已在冀中、二连油区的一些边缘井站安装30多套太阳能加热装置。河南油田2008年在古城油矿使用太阳能对高架储油罐进行伴热维温，新疆塔河油田2014年底采用150kW线性菲涅尔聚光太阳能系统替代原来的锅炉为原油输送加热[5]。除上述项目外，华北油田、大港油田、长庆油田等均开发了小规模的太阳能热水系统，部分取代常规能源解决油罐或管输的供热问题，研究表明节能效果明显。

总体来看，当前太阳能用于原油集输伴热多使用类似热水器的真空管集热器，虽已有聚光光热利用的实例，但都是直接利用，利用领域和利用效率受到限制。

2.2 吸收式热泵在石油行业中的应用

虽然工业生产中诸如采油污水等低温余热资源具备很大的利用潜力，但因温度不高難以再次直接利用，需使用热泵等设备提温。

目前应用较多的热泵有以电能驱动的压缩式热泵和以溴化锂吸收式技术为基础的溴化锂吸收式热泵。相较于电能驱动的压缩式热泵，溴化锂吸收式热泵[6]是以热能驱动从低品位热源中吸取热量制取满足工艺需求的中、高温热水或蒸汽，其驱动热源可以是蒸汽、高温烟气、直接燃烧热量或高温导热油等介质，驱动热源的品质及形式适用度广，可利用多种工业废热及可再生能源，大大节省了电力这种优质能源。吸收式熱泵的系统COP约为1.6-2.5，是天然气锅炉效率（0.90左右）的近两倍。此外，吸收式热泵单台设备功率更大，更贴近中大型民用及工业使用要求，在节能降耗和余热供热领域中发挥越来越重要的作用。

溴化锂吸收式热泵在利用电厂余热供暖方面应用广泛，效果良好。在石油行业中，利用吸收式热泵回收余热同样发挥着节能减排的重大作用[7][8]。胜利油田某换热站采用6台单机供热量7700kW的蒸汽型溴化锂吸收式热泵机组把从采油污水换热获得的温度为45℃的余热热水加热至85℃用于采暖，替代原来的原油加热炉，每年节省原油约5600吨，节能效益高达上千万元。华北油田某采油站采用2台单机供热量2910kW的直燃型吸收式热泵供热，替代原来的原油加热炉，年节省原油750吨。大庆石化橡胶总厂应用一台供热量3.5MW的吸收式热泵，以橡胶生产工艺中的化工多组分汽体为低温热源输出热水用于工艺加热，每年节省蒸汽5万吨以上，冷却水用量仅为原系统的50%，节能效益超过600万人民币/年。

吸收式热泵技术在油田采油污水余热回收用等石油行业已经得到应用，但仍然以燃烧化石能源作为基础驱动能源，虽然节约了一定的能源，但减排效果没有得到充分发挥。

在现有太阳能光热直接利用和常规能源驱动吸收式热泵回收污水余热的基础上，设计两者结合的新型节能加热系统，节能减排、降本增效更加明显，应用前景广阔。

3 太阳能结合吸收式热泵余热回收系统设计

以某油田联合站为例，设计太阳能结合吸收式热泵回收采油污水余热用于油田生产的新型节能加热系统。

3.1 某联合站现状

目前使用天然气热水锅炉为采出液脱水分离和原油集输加热，全年平均热负荷约为5000kW，年耗气量约487万立方米。工艺示意图如图1所示：3.2 新型节能加热系统设计思路

本系统主要包括：（1）以槽式聚光太阳能集热器为核心的太阳能采集系统；（2）可以以高温导热油和燃气两种能源驱动的双能源双高发吸收式热泵和污水余热回收换热器为核心的余热回收提升系统；（3）以替换原有锅炉和换热器的新型可拆卸式油-水换热器为核心的热能交换系统。

槽式聚光太阳能集热器把其真空管中的导热油加热至170℃左右，驱动双能源双高发吸收式热泵把从采油污水中回收的30～40℃的低温余热加热至80℃左右，用于采出液脱水分离和原油集输加热。可以通过配置太阳能高温蓄能器或利用谷电的电加热器等较为经济的方式来延长高温导热油驱动热源的运行时间，在阴雨天或夜间以天然气驱动热源完成余热提温过程。

3.3 节能减排量估算

使用原系统效率90%的天然气锅炉进行加热时，年消耗天然气量为：5000kW×24h/天×365天×3.6MJ/kWh÷90%÷36MJ/m3=487万m3，燃料成本约为974万元（天然气2元/m3）。

使用太阳能结合吸收式热泵新型节能加热系统后，系统COP以1.8计算，比原燃气锅炉节能50%。按照太陽能驱动系统年运行2600小时、燃气驱动系统运行6160小时估算：太阳能驱动系统年节约天然气量为：5000kW×2600h×3.6MJ/kWh÷90%÷36MJ/m3=144万m3；天然气驱动系统年节约天然气量为：5000kW×6160h×3.6MJ/kWh÷90%÷36MJ/m3*50%=171万m3。

相较原系统，新型节能系统每年节约天然气315万m3，减排CO2约9560T，节省燃料成本730万元，不到3年即可收回系统投资。

4 结束语

我国油田生产能耗巨大，导致成本高、污染严重，但同时其丰富的低温污水