王 辉，吴 明

（辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

油气集输过程中低温余热利用热泵技术的概述

王 辉，吴 明

（辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

当前在油气集输系统中，低温（40～50 ℃）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。

油气集输；低温余热；节能；热泵

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［1］。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［2］。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（40～50 ℃）排放量就约占油田得总污水排放量的70%［3］，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800 ℃）、中温余热（350～800 ℃）、低温余热(350 ℃)。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 28.6%、日本产出率的10.3%。在我国可以从工业用能中获取近60%～65%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60%。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Fig.1 The waste heat utilization in China,the United States and Europe

1.2 热泵技术的发展

热泵技术是于1775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1824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50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［4］分析中总结，从20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［5］，其结论是，当热泵制热性能系数COP（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［6］，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。

图2 压缩式热泵系统Fig.2 Compression heat pump system

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，吸收外界低温环境热量 Q2蒸发。然后，蒸汽进入压缩机消耗外功，提高工质的温度和压力。再通过冷凝器将高出所需热量 Q3供给用户，自身被冷凝。最后进入节流阀降温降压，再流入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［7］。

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［8,9］。

图3 第一类吸收式热泵Fig.3 The first kind of absorption heat pump

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大的经济效益。

图4 第二类吸收式热泵Fig.4 The second kind of absorption heat 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［9］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［10］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38 ℃左右的站内污水，获得10 ℃温差，回收水量是18 m³/h，用热泵代替原燃气炉，每年即可节省73.2万元。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），其中几个具有代表性的企业如表1。

表1 知名热泵企业Table 1 Famous heat pump companies

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。

［1］闫江涛. 油气集输系统的能耗与节能研究综述[J]. 2012(1): 295.

［2］科技部工业和信息化部. 2014—2015年节能减排科技专项行动方案[J]. 有色金属节能, 2014, 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, 2010: 1-3.

［4］杨灵艳. 国际热泵技术发展趋势分析[J]. 暖通空调，2012,42（8）:2-3.

［5］陈成敏.高温热泵技术及系统性能研究[D].天津大学，2012:13-18.

［6］唐坚波. 油气集输系统热能综合利用技术研究[D]. 大庆：东北石油大学，2013: 14-16.

［7］汤学忠. 热能转化与利用[M]. 第二版.北京科技大学，2011-03: 105-110.

［8］尹辉.热泵在低温热回收项目中的应用[J].石油化工设计，2013,30（3）:52-54.

［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[J].山东冶金，2004,26（6）：37-38.

［10］唐志伟.刘爱洁.油田污水余热资源开发利用[J].化工进展，2009,28：423-425.

［11］盖超.热泵技术在辽河油田中的应用[J].工业技术，2011(1):121.

［12］江哲生，我国烟气余热利用换热器发展概述[J].中国高新技术企业，2012,36（33）：4-5.

［13］Fang qi.Zhang Yufeng.Deng Na.Ma Hongting.Experimental Perform ance of Moderate and High Temperature Heat Pump Charged wit h New Refrigerant Mixture BY-3[J].Transaction of Tianjin Univer sity,2012,17(5):386-390.

Overview of the Heat Pump Technology for Low Temperature Waste Heat Utilization of Oil and Gas Gathering and Transferring Process

WANG Hui，WU Ming
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

Recently，in the process of oil and gas gathering and transferring, the resource of low temperature waste heat is very abundant. And it has caused a lot of energy waste and thermal pollution. The key to solve the energy crisis is to improve energy efficiency .The heat pump is the core equipment for the low temperature waste heat recovery in the oil and gas gathering and transferring process. It has many advantages, such as simple operation, mature technology and so on. In this paper, the condition of energy use and the reasons of energy consumption in the oil and gas gathering and transferring system were analyzed; the heat pump technology for low temperature waste heat recovery was discussed, and the market of the heat pump was also introduced.

Oil and gas gathering and transferring; Low temperature waste heat; Energy saving; Heat pump

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）03-0577-03

2014-10-14

王辉（1988-），女，黑龙江齐齐哈尔人，硕士研究生，2015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-mail：wanghui880106@126.com。