油气集输过程中低温余热利用热泵技术的概述.pdf

第4 4 拳第3 期 2 0 1 5年 3月 当 代 化 工 C o n t e m p o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V o 1 ． 4 4．N o ． 3 M a r c h ． 2 0 1 5 油气集输过程中低温余热利用热泵技术的概述 王 辉 ， 辽宁石油化工大学， 吴 明 辽宁 抚顺I 1 3 0 0 1 摘 要 当前在油气集输系统中，低温 4 05 0℃ 余热资源非常的丰富，造成了很大能源浪费和热 “ 污 染” 。改善能源的利用效率 ，对于解决能源危机非常的关键。热泵是油气集输系统中低温余热进行回收的核心 装置，其不仅能够提高能源品味，还具有操作简单，技术较成熟的特点。分析了油气集输系统的用能状况和能 源消耗的原因，还论述了低温余热回收热泵技术和对热泵市场进行介绍。 关键词 油气集输；低温余热；节能；热泵 中图分类号 T E 8 3 2 文献标识码 A 文章 编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 5 0 3 0 5 7 7 0 3 Ove r v i e w o f t he He a t Pu m p Te c hno l o g y f o r Lo w Te mpe r a t ur e W a s t e He a t Ut i l i z a t i o n o f Oi l a n d Ga s Ga t he r i ng a nd Tr a ns f e r r i ng Pr o c e s s WANG Hui ， WU M i n g Li a o n i n g S h i h u a Un i v e r s i t y , L i a o n i n g F u s h u n 1 1 3 0 0 1 ，Ch i n a Abs t r a c t Re c e n t l y， i n t h e p r o c e s s o f o i l a n d g a s g a t h e r i n g a n d t r a n s f e r r i n g ， t h e r e s o u r c e o f l o w t e mp e r a t u r e wa s t e h e a t i s v e r y a b u n d a n t ． An d i t h a s c a u s e d a l o t o f e n e r g y wa s t e a n d t h e r m a l p o l l u t i o n ． T h e k e y t o s o l v e t h e e n e r g y c r i s i s i s t o i mp r o v e e n e r g y e ffi c i e n c y． Th e h e a t p u m p i s t h e c o r e e q u i p me n t f o r t h e l o w t e mp e r a t u r e wa s t e h e a t r e c o v e ry i n t h e o i l a n d g a s g a t h e r i n g a n d t r a n s f e r r i n g p r o c e s s ． I t h a s ma n y a d v a n t a g e s ， s u c h a s s i mp l e o p e r a t i o n ， m a tur e t e c h n o l o g y a n d S O o n ． I n t h i s p a p e r , t h e c o n d i t i o n o f e n e r g y u s e a n d t h e r e a s o n s o f e n e r g y c o n s u mp t i o n i n t h e o i l a n d g a s g a t h e r i n g a n d t r a n s f e r r i n g s y s t e m we r e a n a l y z e d ； t h e h e a t p u mp t e c h n o l o g y f o r l o w t e mp e r a t u r e wa s t e h e a t r e c o v e ry wa s d i s c u s s e d ， a n d t h e ma r k e t o f t h e h e a t p um p wa s a l s o i n tro d u c e d ． Ke y wo r d s Oi l a n d g a s g a t h e r i n g a n d t r a n s f e r r i n g ； L o w t e mp e r a tur e wa s t e h e a t ； En e r gy s a v i n g ； He a t p u mp 当前，余热资源在我国很多领域都存在，而且 非常的丰富 ，尤其是油气集输过程 中，大量的低温 余热被排放掉，造成了很大的能源浪费。油气集输 系统庞大 ，该系统在把分散的各油井采出液汇集 、 处理和输送 的过程当中需要耗费大量的能量 。所 以对于耗费的热资源进行 回收利用 ，是如今实现能 源与可持续发展 的有用途径。为贯彻党的十八大进 一 步实施 “ 第十二个五年计划”的一个全面的减少 能源浪费所提出的目标和任务，要求我们要对核心 技术和关键技术加以突破，依靠科技创新推广出节 能减排 的新 的产 品 。本文论述的热泵技术恰好能 够对将多种低品位热能进行高效利用， 从而降低余 热 的损失 ，减少能源的浪费。 1 油气集输系统中的低温余热及热泵 技术 1 。 1 油气集输系统和低温余热利用情况 当前，使用的油气集输系统主要是一体化的系 统 ， 即将采出的液体进行汇集 、 输送和处理一体化 。 油气集输过程包含天然气净化、原油脱水和污水处 理等过程。油田在进行油气开采过程中耗费了很大 的电力 、水力和其他的资源。但在能量损失方面主 要有 “ 两大”问题 ，那就是 “ 高能耗 ”和 “ 高油气 损失 ” 。 油气损耗 的问题是在油气处理过程 中， 油气 的挥发以及一些系统设备的老化等多种原因所导致 的。同时，大量的污水余热资源没有得到很好 的利 用 ，造成 了原油生产能耗大大增加。据统计 ，仅仅 胜利 、大庆、辽河油田污水的 4 0～5 0 ℃ 排放量 就约占油 田得总污水排放量 的 7 0 ％ ， 为 了贯落实 彻党的十八大，实施 “ 第十二个五年计划”期间节 能减排，建设环境友好型社会的目 标和任务，研究 人员和相应的工作人员应该对油气集输系统进行全 面的检测和分析 ，加强系统耗能高的薄弱环节 ，并 提高油气集输系统的节能潜力。这一问题对提高能 源的利用率有着十分重大的意义。我们可以通过多 收稿 日期 2 0 1 4 1 0 1 4 作者简介 王辉 1 9 8 8 一 ，女，黑龙江齐齐哈尔人， 硕士研究生， 2 0 1 5年毕业于辽宁石油化工大学， 研究方 向油气储运系统节能技术。E - m a i l w a n g h u i 8 8 0 1 0 6 1 2 6 ． c o m。 种途径来提高能源的利用效率 ，如使加热炉的热效 率得到提高 ，将高耗能设备进行更新 ，给传统工艺 进行新技术改造，给运行程序进行优化等。如今备 受人们关注的热泵技术进行 回收余热在油气集输过 程 中应用很广 ，能够使油气集输过程 中的能量进行 综合利用 ，能够取得很好的节能降耗的 目的。 余热是能够利用设备进行回收的二次能源。余 热分为， 高温余热 高于 8 0 0℃ 、 中温余热 3 5 0 8 0 0 、低温余热 3 5 0 ℃ 。从 当前余热利用的情 况来看 ，在我国，余热利用存在很大的空间。每吨 标准煤在我国的产出率与美国、 日本相比相差很多 ， 只相 当于美 国产 出率 的 2 8 ． 6 ％、 日本 产 出率 的 1 0 ． 3 ％。 在我国可以从工业用能 中获取近 6 0 ％～6 5 ％ 余热资源。当前，美国和欧洲国家的余热利用率要 远高于我国。在我国的低温余热 、废热 占总余热量 的 6 0 ％。如图 1 显示的是美 国、欧洲 、中国对低温 余热的利用情况。虽然这部分余热资源我们不能直 接利用 ，但可以将它作为低温热源 ，通过热泵其温 度水平提升 ，然后再加以利用。 图 1 美国、欧洲 、中国余 热利 用情况 Fi g ． 1 The wa s t e he a t u t i l i z a t i o n i n Chi na， t he Un i t e d St a t e s a nd Eur o pe 1 ． 2 热泵技术的发展 热泵技术是于 1 7 7 5年， 由爱丁堡的一名化学先 生在察觉乙醚的蒸发可以使水结冰的现象中提出的 一 种新能源技术 ， 最早是于 1 8 2 4年出现于欧洲。相 继在国外的很多国家都提出热泵技术的相关应用。 我国热泵技术的出现也较早 ， 在 5 0年代 ， 就有一些 学者开始了热泵的探究。 目前 ，热泵技术成为了国 内外 的焦点 ，但由于推广力度的不足 ，致使很多人 对其认识都不够。热泵技术的研究和推广不但给热 泵行业带来了生机也给油气集输过程中的余热利用 带来 了新的装备。由于能源的缺乏和很大程度 的浪 费，各类热泵的研究与应用都上升了很大的高度， 杨灵艳在 国际热泵技术发展趋势 分析中总结 ， 从 2 0世纪至今 ，热泵技术以其极快的发展速度 ，在制 造技术和热泵性能上都取得了很大进步与提高，并 将热泵的发展带进 了一个良性发展的阶段。 近年来 ， 热泵逐渐替代 了传统的燃煤锅炉 ，不但使设备和操 作简化 ，也降低了能源消耗和环境污染 。陈成敏从 不 同的角度对高温热泵技术及系统性能 经济性 、 环境性和综合性能 高温热泵集中供热进行了分析 ，其结论是 ，当热泵制热性能系数 C O P 指用户 得到的热量与消耗外功之比值 取不同值时，与传 统的锅炉 燃煤 、燃气 相 比，都取得了很大的经 济效益 、环境效益和很高的综合评价指标。热泵技 术在制冷制热 、电力行业 、石油化工以及建筑领域 都在广泛的应用 ，而且都取得了很大的成果 。研究 者们也都致力于其核心技术的开发及成果的推广。 随着国家对节能降耗的重视 ，我国热泵技术必将迅 速发展。 2 油气集输系统中的热泵系统分析 2 ． 1 热泵 及其 工作原 理 热泵是一种提高热能品味的一种装置 ，是一种 只需消耗一小部分的电能 ，就能从环境介质中提取 4 ～ 7倍于电能的装置 ，恰好能够使油 田油气集输系 统中低温余热得到很好的利用 ， 进而提高能源的 利用率 ，热泵技术也越来越受到人们 的关注。热泵 从不 同的角度分类有多种类型 ，从热源种类来分 ， 有空气源热泵 、水源热泵 、地源热泵 、复合热泵 ； 根据所加入的有用能驱动循环的方式 的不 同，热泵 有 压缩式热泵 、吸收式热泵 第一类吸收式热泵 和第二类吸收式热泵 以及喷射式热泵。热泵的工 作原理和压缩式制冷系统的工作原理一致 ，但与制 冷机工作温度的范围不同。 压缩式热泵由压缩机 、冷凝器 、膨胀 阀、蒸发 器等基本的构件构成成。以消耗部分机械能或电能 制热，其工作原理如图2 。 低 温 环境 取 热 制热 2 图 2 压缩式热泵系统 Fi g ． 2 Co mp r e s s i o n h e a t pu mp s y s t e m 首先 ，从环境中提取低温热源。在蒸发器 中与 经节流降压的低温工质进行热量交换 ，吸收外界低 ∞ 如 如 加 m o 第4 4卷第 3期 王辉，等油气集输过程中低温余热利用热泵技术的概述 5 7 9 温环境热量 Q 2蒸发。然后 ，蒸汽进入压缩机消耗 大的经济效益。 外功 ，提高工质的温度和压力。再通过冷凝器将高 出所需热量 Q 3供给用户 ，自身被冷凝。最后进入 节流阀降温降压 ，再流人蒸发器实现 以个循环 。 第一类吸收式热泵的构成与压缩式热泵相似， 是 由压缩机、冷凝器 、节流阀、蒸发器、吸收器 、 溶液泵等组成 ，需要注意的是发生器里的吸收剂要 对工质的吸收能力很强 ，而且二者的沸点差要尽可 能 的大 。 第一类吸收式热泵是一种能将低温热源的温度 提高到中温的一种增热型热泵，但需要高温位能驱 动 。流程如图 3其制热系数大于 1 ，它要比高温位 热源直接供热节约能源 。 图 3第 一 类 吸 收 式 热 泵 Fi g ． 3 The fir s t ki nd of a bs o r pt i o n he a t pump 1 一发生器 ；2 一冷凝器 ；3 一节流阀；4 一蒸发器；5 一 吸收器 ；6 一 溶液泵； 7 一溶液回路节流阀 第二类吸收式热泵在不违反热力学第二定律 的 条件下利用低温余热热源 ，向系统提供更高水平的 热能。其工作流程如图 4 ， 其制热系数小与 1 ，并其 随温度 的升高而降低 ，但是它能够很大的提高能源 的利用价值。 根据热力学定律和卡诺循环定理 ，热泵技术应 用于油气集输系统中，能够提高能源利用率 ，达到 节能降耗的 目的，使得各个油 田开采单位取得了很 图 4 第二类吸收式热泵 Fi g ． 4 The s e c o nd ki nd of a bs or pt i on he a t pump 2 - 2 热泵技术经济效益分析 热泵技术的推广和应用 ，给油 田带来很大的经 济收益。 唐志伟 用热泵代替传统的燃气和燃油锅 炉对大庆油 田南七联采暖和供热系统进行经济效益 分析中得出， 热泵的使用消耗 了很大部分的的电能 ， 并且初始的投资成本很高。但能够大大的降低运行 和维护费用 ，从长远 的角度看 ，具有很好 的经济前 景。盖超 。 。 在联合站用于输油伴热及供暖系统 中 对热泵的经济效益分析中得出，从 3 8℃左右 的站 内污水 ，获得 1 0 ℃温差 ，回收水量是 1 8 m ／ h ，用 热泵代替原燃气炉 ， 每年 即可节省 7 3 ． 2万元 。 总之 ， 在对油 田低温余热进行回收的的热泵技术改造前 后 ，在燃油费用和运行 、维护费用上都取得巨大的 经济效益 。 3 我国低温余热利用热泵市场竞争情 况 目 前， 我国低温余热的回收热泵技术， 受到更多 人的关注 ， 在热泵领域踊跃出多个知名企业 热泵企 业参展忙 ，其中几个具有代表f 生的企业如表 1 。 表 1 知名热泵企 业 Ta bl e 1 Fa m o us he at pump c o m pa ni e s 厂家 简介 广州德能热源设备有限公司 之 一 酱 鸳 犟 磊 翁 妻 事 曩 窿 墨 某 薪 辈 和 开 发 热 泵 的 企 业 浙江正理生能科技有限公司 芬尼克兹集团 佰什特空气能热泵设备有限公司 浙江正理生能科技有限公司成立于 1 9 8 9年，总部位于温州乐清市蒲岐特 色工业区。是中国最先推广和倡导空气源热水机产品的成员之一 ，自 2 0 0 3 年入行以 来就一直致力于空气源热泵的研发。2 0 0 6年成为 中国知名品牌 ， 2 0 0 7年成为中流砥 柱。 P HN I X 芬尼克兹 集团的重点发展方向是节能环保 ，是一家以研发热泵、太 阳能 、风能等新的能源产品并生产和提供解决能源问题综合方案的国际化企业 。 P HN I X一直重视吸收并整合国内外的先进热泵技术 ，并长时间和海外的研发部门保 持 良好的交流和协作。 佛山佰什特空气能热泵设备有限公司是一家注重技术与品质的新能源新科技企 业 ，始终将开发、生产和销售与市场相契合。一直以来坚持倡导健康 、节能、环保 方便 、和创新的理念。 下转 第 5 8 2页 5 8 2 当 代 化 工 2 0 1 5 年3 月 度等设计参数的变化对脱气除砂效果影响较大。 3 旋流分离关键技术及问题‘ 旋流分离在众多行业具有广泛应用 ，但其分离 效率受到很多因素制约，如被分散介质的性质、旋 流分离器的设计参数、旋流分离器的工作条件等， 对此国内外众多学者采用实验测试与数值模拟等方 法对旋流分离器进行改造，以提高其特定环境下的 运行效率 。王长忠 针对 目前天然气脱水不净 的问 题提出了一种新型旋流天然气脱水装置，增加了动 旋流伞、 静旋流伞等装置，经现场试验取得较好的 脱水效果。 曹学文” 针对传统低温分离工艺的困难 ， 提出了超声速旋流天然气分离工艺 ，设计 了超声速 翼， 能实现良好的超声速分离效果。 R a o u fi A 等为 防止分离出现的 “ 二次流”和 “ 选路流”现象 ，提 出在分离器下方出气管安装倒流片，或提出将 出气 管下方封闭，在其壁面上开一定数量的孔，可有效 的提高分离效率 。 4 旋流分离应用前景 旋流分离优点明显，具有较大 的推广 、适用空 间，应用前景明朗。针对我国的缺水现状 ，污水处 理 、回收从而减小耗水量是政府、企业必须考虑的 问题。旋流分离技术的高效分离效果，可为企业的 污水 回收、再利用带来帮助。在石油行业 ，国内的 许多大油田随开采年限的增加 ，原油含水率不断升 高，从而产生了大量的油田污水。为了降低开采成 本 ，有必要在井底对油水混合物进行预分离 ，从而 可使部分产出水直接注入注水层 。加拿大和美 国已 经完成多套井下油水分离装置的安装，而我国仍处 于研发的起步阶段 。在国内推广以旋流分离技术为 基础的井下油水分离技术具有重大意义 。 参考 文献 [ 1 ] 蒋 明虎， 赵立新，李枫， 等． 旋流分离技术【 M】 ． 哈尔滨 哈尔滨工业大 学 出版社， 2 0 0 0 ． [ 2] 赵立新，李枫离 心分离技术[ M1． 哈尔滨 东北林业大学出版社， 2 0 0 6 [ 3] 张劲松， 赵勇， 冯叔初． 气一液旋流分离技术综述[ J J ． 过滤与分离， 2 0 0 2 ， 1 2 1 4 2 4 5 ． [ 4] K o p e t z H ，V e fi s s i m o P ． R e a l T ime a n d D e p e n d a b i l i t y C o n c e p t s [ M] ． Ne w Yo r k Ad d i s o n We s l e y ，1 9 9 3 ． [ 5 ] Wu T ． A R e a l Wo r l d A n a l y s i s o f K e r b e r o s P a s s w o r d S e c u r i t y[ A ] ． I n P r o c e e d i n g s o f t h e 1 9 9 9 N e t Wo r k a n d Di s t r i b u t e d y s t e mS e c u r i t y S y m p o s i u m [ C ] ． S a n D i e g o C al i f o r n i a N D S S ，1 9 9 9 9 7 1 1 1 [ 6] 李玉星， 冯叔初， 李安星， 等． 水力旋流器及压力分布特性的数值模拟 [ J 】 ． 流体机械， 2 0 0 2 ， 3 0 1 0 1 5 1 9 ． [ 7] 宛西原， 漆磊， 汪霞． 新型固一液旋流分离过程的建模与仿真研究【 J ] ． 水科学与工程技术， 2 0 1 3 5 5 1 5 3 ． [ 8] 魏国强， 沙豪，赵岩，等旋 风除尘在海洋石油输灰系统中的应用I J I_ 广 东化工 2 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 ． [ 9] 刘铁航， 袁惠新．旋流式筛分过程初探『 J ] ．粉末冶金工业，2 0 0 6 2 7 3 0 ． [ 1 O] 郑娟．用于气一水一砂三相分离的水力旋流器的实验研究[ D 】 ．大 连 大连理工大学， 2 0 0 5 ． [ 1 1 ]张玉洁篇 明虎， 赵立新， 等．基于 C F D 的三相分离旋流器流场分析 与结构优化『 J 1 _ 化工机械，2 0 1 0 6 7 4 4 - 7 4 9 ． [ 1 2]王长忠l新型旋流式天然气脱水装置[J 】 ． 通用机械， 2 0 1 3 3 3 4 3 5 ． [ 1 3]曹学文， 陈丽， 杜永军等．超声速旋流天然气分离器的旋流特性数值 模拟[ J ] l 中国石油大学学报 自然科学版 ，2 0 0 7 6 7 9 - 8 1 ． [ 1 4] R a o u fi A ， S h a m s M， F a r z a n e h M， e t a1． N u m e ri c a l s i m u l a t i o n a n d o p t i miz a t i o n o f fl u i d fl o w in c y c l o n e v o e x fi n d e r [J ] ． C h e m i c a l E n g i n e e r i n g a n d P r o c e s s i n g ，2 0 0 8 ，4 7 1 1 2 8 1 3 7 上接第 5 7 9页 4 结束语 热泵技术对油田中的低温余热进行回收，不仅 提高能源的利用效率 ，而且在操作上也简单便捷 。 同时也大大的降低了对环境的污染。热泵技术的应 用取得了客观的经济效益 ，也取得 了很好 的环境效 益。这必将会推动热本技术在我 国的发展 ，并且成 熟 的应用到各个领域。 参考文献 [ 1 ]闫江涛． 油气集输系统的能耗与节能研究综述[ J 】 ． 2 0 1 2 1 2 9 5 ． [ 2 ] 科技部工业和信息化部． 2 0 1 4 --2 0 1 5 年节能减排科技专项行动方 案I J I．有色金属节能， 2 0 1 4 ， 6 3 1 - 2 ． [ 3] 徐卫东． 油气集输过程低温余热回收模拟试验及工程应用研究[ D ] ． 大庆东北石油大学， 2 0 1 0 1 - 3 ． [ 4 灵艳．国际热泵技术发展趋势分析【 J I． 暖通空调， 2 0 1 2 ，4 2 8 2 3 ． 『 5]陈成敏扁 温热泵技术及系统性能研究f D 1 ．天津大学，2 0 1 2 1 3 1 8 ． [ 6] 唐坚波． 油气集输系统热能综合利用技术研究[ D J ． 大庆 东北石油 大学，2 0 1 3 1 4 1 6 ． [ 7]汤学忠．热能转化与利用[ M】 ．第二版 ． 北京科技大学 ，2 0 1 1 - 0 3 1 0 5 - 1 1 0 ． [ 8 ]尹辉． 热泵在低温热回收项 目中的应用【 J 】 ．石油化工设计 ，2 0 1 3 ， 3 0 35 2 5 4 ． [ 9 ] 赵 晓巍， 王树昆．第二类吸收式热泵及其在冶金企业中的应用前景 f J l l 山东冶金 ，2 0 0 4 ，2 6 6 3 7 3 8 ． [ 1 O] 唐志伟．刘爱洁． 油田污水余热资源开发利用[ J 1 _ 化工进展， 2 0 0 9 ， 2 8 4 2 3 - 4 2 5 ． [1 1 ]盖超．热泵技术在辽河油田中的应用[ J 】 ．工业技术 ，2 0 1 1 1 1 2 1 ． [ 1 2 ] 江哲生 ，我国烟气余热利用换热器发展概述[ J J ． 中国高新技术企 业 ，2 0 1 2 ， 3 6 3 3 4 5 ． [ 1 3 ]F a n g q i ． Z h a n g Y u f e n g ．D e n g N a ．Ma Ho n g t i n g ． E x p e ri m e n t a l P e r f o r m a n c e o f Mo d e r a t e a n d Hi g h T e mp e r a t u r e He a t P u mp C h a r g e d wi t h N e w R e f r i g e r a n t Mi x t u r e B Y 一 3 1 3 1 ． T r a n s a c t i o n o f T i a n j i n U n i v e r s i t y ， 2 0 1 2 ， 1 7 5 3 8 6 3 9 0 ，