（动力工程及工程热物理专业论文）一种用于原油加热的新型热泵装置.pdf

an e w t y p eo fh e a tp u m pu s e df o rc r u d eo i lh e a t i n g at h e s i ss n b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：s u nf u r o n g s u p e r v i s o r ：l ih u a y u l a e l s o rl c o l l e g eo ft h e r m a ld y n a m i ce n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 挈l ! 整塑 日期：细l f 年5 月2c 1 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：型! 缝 指导教师签名： 日期：7 d 7 1 年s 月2c 7 同 日期：们7 年 箩月1 日 了利用这些含油 取代了原有的原 立了基于能量平 衡、质量守恒和相平衡关系上的热力计算数学模型，并在此基础上展开了对单发生器两 级吸收式热泵机组的工艺参数的热力计算；编制了热力计算程序，分析了蒸发器余热水 温度、被加热介质温度、流量分配比、放气范围、冷凝温度等因素对机组性能的影响； 进行优化设计、热泵机组各部件传热面积、各部件热负荷计算；并且将其与传统的加热 炉加热原油系统进行比较，得出了单发生器两级吸收式热泵原油加热系统具有动态年度 费用远低于加热炉原油加热系统、投资回收期两年半、节能减排效果突出的结论，说明 采用单发生器两级吸收式热泵系统取代加热炉加热原油系统具有很高的节能效益、经济 效益和环保效益，具有广泛的应用前景。 关键词：原油加热，热泵，热力计算，经济性评价，节能，环保 an e wt y p eo fh e a tp u m pu s e df o rc r u d eo i lh e a t i n g s u nf u - r o n g ( p o w e ra n dt h e r m a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rl ih u a y u a b s t r a c t a sw ek n o w , t h e r ew i l lb eal o to fo i l yw a s t e w a t e ra f t e rt h ep r o d u c t i o ni nt h eo i l f i e l d t h e yh a v eah i g ht e m p e r a t u r ei nr e a l i t y s ow ep r o p o s eap r o g r a mo fu s i n gt h eh e a t t h r o u g has i n g l eg e n e r a t o ra n dt w o - s t a g ea b s o r p t i o nh e a tp u m pt oh e a tt h ec r u d eo i li ns t e a d o fh e a t i n gb o i l e r i nt h i sp a p e r , w ea n a l y s et h ec i r c l eo ft h es i n g l eg e n e r a t o ra n dt w o s t a g e a b s o r p t i o nh e a tp u m p ，a n de s t a b l i s ht h ee n e r g yb a l a n c e ，m a s sc o n s e r v a t i o na n de q u i l i b r i u m t h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o nm o d e l o nt h i sb a s e ，w ea l s oc a l c u l a t et h ep a r a m e t e r so ft h i sk i n d o fh e a tp u m p w ew o r ko u tap r o g r a mt oa n a l y s et h ee f f e c to fs o m ef a c t o r st ot h ef u c t i o no f h e a tp u m p t h e yi n c l u d ew a s t e dh o tw a t e rt e m p e r a t u r e ，t h eh e a t e dm e d i u mt e m p e r a t u r e ，f l o w r a t ed i s t r i b u t i o nr a t i o ，e x h a u s tg a sr a n g ea n dc o n d e n s i n gt e m p e r a t u r e o u rt a r g e ti st o o p t i m i z et h ed e s i g n ，c a l c u l a t ev a r i a b l ec o n d i t i o n sa n dt h eh e a tt r a n s f e ro fh e a tp u m p c o m p o n e n t s w ec o m p a r et h i st e c h n o l o g yt ot h et r a d i t i o n a lb o i l e ra n df i n dt h a ti th a sm a n y a d v a n t a g e s i th a sal o w e ra n n u a lc o s t ，t w oa n dah a l fy e a rp a y b a c kp e r i o da n ds a v eal o to f e n e r g y a tl a s t ，w eg e tac o n c l u s i o nt h a t t h i sn e wt e c h n o l o g yh a sah i g he n e r g ye f f i c i e n c y , m o r ee c o n o m i ca n de n v i r o n m e n t a lb e n e f i t s ，a n daw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s ，c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a lb o i l e r k e y w o r d s ： c r u d eo i lh e a t i n g ，h e a tp u m p s ，t h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o n ，e c o n o m i c e v a l u a t i o n ，e n e r g y - s a v i n g ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n 目录 关于学位论文的独创性声明i 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论l 1 1 前言1 1 2 油田余热资源利用2 1 2 1 油田余热资源2 1 2 2 油田余热资源利用的可行性分析一2 1 3 国内外发展概况4 1 3 1 热泵技术在国内外的发展一4 1 3 2 热泵技术的研究现状6 1 3 3 热泵利用的范围7 1 4 我国热泵利用的展望9 1 5 论文的研究目标、内容及解决的关键问题1 0 1 5 1 论文的研究目标10 1 5 2 论文的主要内容1 0 1 5 3 论文解决的关键问题1 1 第二章用于原油加热系统的新型热泵机组一1 2 2 1 各种热泵技术12 2 2 吸收式热泵简介1 4 2 2 1 吸收式热泵的工作原理1 4 2 2 2 溴化锂吸收式热泵的分类1 6 2 3 用于原油加热的新型吸收式热泵机组1 9 2 3 1 新型溴化锂吸收式热泵机组的结构及流程1 9 2 3 2 新型热泵机组与原油加热系统具体结合方式一2 0 第三章新型吸收式热泵机组的计算2 4 3 1 新型热泵机组热力计算2 4 3 1 1 新型热泵机组各状态点参数确定2 4 3 1 2 新型吸收式热泵机组的最优计算结果2 7 3 1 3 新型热泵机组各设备热负荷计算2 8 3 2 各主要工作介质流量计算3 2 3 3 新型热泵机组的传热计算3 3 3 3 1 传热计算公式3 3 3 3 2 各换热设备传热面积计算3 4 第四章新型热泵机组性能分析及经济性评价3 9 4 1 新型热泵机组性能影响因素3 9 4 1 1 新型热泵机组性能分析3 9 4 1 2 新型机组总热平衡误差影响因素分析4 4 4 2 新型热泵机组经济性评价4 6 4 2 1 投资回收期的计算4 7 4 2 2 动态年度费用比较4 8 4 2 3 环保效益评价4 9 结论51 参考文献一5 2 附录5 5 致 射5 8 中国石油人学( 华东) 硕 ：学位论文 1 1 前言 第一章绪论 从上世纪7 0 年代以来，由于受到能源危机的影响，在热泵研究方面，世界上各个 国家都投入了很大的精力，例如，同本在污水源热泵( s e w a g es o u r c eh e a tp u m p ) 空调系 统的研究方面，处于世界领先水平。亚洲某些国家以及部分欧洲科技发达国家在热泵的 研究方面起步很早，但由于其独特的城市污水水质，发展一直很缓慢。1 9 7 8 年，杨图 夫斯基首次研究探讨了各类水源，例如江水、工业废水、海水的热能利用问题，他指出 与工业电站和小区利用锅炉进行集中供热相比，热泵站供热可以节省燃料2 0 3 0 ， 并且提出了以俄罗斯境内江水作为热泵热源来集中供热的具体方法。与此同时，杨图夫 斯基还分析了污水源热泵系统的工业应用价值并且提出污水源热泵具有广泛的发展前 景，他的研究引起了很多发达国家的重视。在一些发达国家，污水源热泵技术已经得到 越来越广泛的应用，而我们国家一些污水处理厂也开始尝试利用污水热泵技术回收污水 余热，目前，污水源热泵技术在我国的某些项目中j 下在推广应用，例如北京的奥运村、 北京工业大学的软件园培训中心等，有利于促进污水源热泵技术在国内的全面推广。在 国外，热泵技术发展的速度较快，而且发展的比较成熟，已经趋向于产业化和规模化。 而目前在我国，对热泵技术的利用只有几个示范项目，热泵技术还没有得到广泛的推广 和应用，仅仅处于刚刚起步阶段。 众所周知，作为发展中国家，我国人口众多，资源存储方面与发达国家相比相对贫 乏。改革开放以来，随着我国以经济建设为中心的总方针，工农业发展迅速，对能源的 需求日益加剧，供需矛盾同趋明显。节能减排技术已经被提上议题，成为缓解我国能源 紧张局面的重要手段之一。“十一五”规划中，在能源方面我国强调以节能作为着力点， 努力建设绿色经济型社会。在余热回收方面，热泵具有高效节能和显著经济效益的特点， 因此格外引人注意，由其在工业余热回收方面有巨大的应用前景。油田在生产过程中会 产生大量的含油污水，这些含油污水的温度往往较低，但是可以通过热泵来提高温度。 过往的原油加热是利用水套加热炉燃烧重油、渣油或燃烧石油天然气来达到目的，但是 这样会浪费大量能源，同时对空气造成较大污染，而且还存在着爆炸和火灾的危险。节 约能源和如何节约，已成为摆在我们面前迫在眉睫的课题。在技术、经济方面进行比较， 研究认为将油污废水作为低品位热源，通过热泵转化可以实现原油加热的目的。这样， 既利用了油污废水，又缓解了日益紧张的能源与需求的矛盾。在余热利用方面，采用吸 第一章绪论 收式热泵技术，具有比较好的环保、节能和经济效益，是十分行之有效的手段。应用热 泵时有三个要求：第一，通过热泵将余热温度提升可利用温度以上；第二，热泵的结构 和流程要求相对简单；第三，热泵具有较高的性能指数。也就是 兑，要使热泵技术得到 推广和利用，热泵应该具备造价低、性能好、结构简单、运行可靠、经济效益高等优点。 1 2 油田余热资源利用 1 2 1 油田余热资源 现阶段，我国包括大庆、胜利等油田都已经进人了开采的中后期。油田的实际生产 过程伴随着大量含油污水的产生，油田中采出液的含油量大多在3 0 一1 0 0 左右，对它 们进行油水分离处理后，一部分用于回注，另一部分直接排入外界环境。 含油污水伴随着油田的生产过程而产生，而各大油田的含油污水的温度也有差别， 但它们的温度一般都较高，例如中原油田的含油污水的温度一般在4 0 左右，胜利油 田的含油污水的温度一般在5 3 5 7 左右，大庆油田的含油污水温度相对于胜利油田 有所降低，温度也维持在3 6 4 2 ，这都意味着我国油田含油污水余热的回收利用具 有巨大的潜力。由于我国原油资源有限，一定要节约使用，因此人们一直着眼于如何回 收利用这部分热能，提高它们的品位来服务于油田的生产和生活，同时也要解决由矿物 燃料的燃烧而引起的环境污染问题。含油污水携带的这部分热能的特点是品位较低，但 是通过热泵可以实现温度的提高。在各大油区的生产和生活中，冬季供暖和原油加热都 是主要的耗能环节，尤其在原油加热中需要大量的热水，而现阶段通过加热炉来加热原 油实际上是通过燃烧具有高品位的能源来获得低品位热能，必然导致有用能效率较低。 从能源的节约合理利用角度来看，燃烧原油、天然气或煤来为采暖和原油加热提供所需 要的热能是十分不合理的。若能采用热泵对这部分余热进行回收利用进而用于油田的生 产生活，显然可以更合理的利用能源，同时获得较好的节能、经济和环保效益。与此同 时，热泵余热回收技术所提供的热能也能满足于石油生产系统的其他用热温度要求。 1 2 2 油田余热资源利用的可行性分析 目前的采暖供热或原油加热的方式一般有下列几种1 3 】： 1 余热直接供热：这种供热方式属于余热利用领域，具有一定的节能性，只有在余 热资源的参数较高时才可采用余热直接供热，局限性较大，余热利用率较低。尤其是在 中国石油人学( 华东) 硕。i ：学位论文 冬季采暖系统中，余热利用率非常低。 2 锅炉房直接供热：这种供热方式的特点是通过直接燃烧燃料供热，来产生高品位 的热能，只需要较低参数的地方可以采用这个方案，但这种供热方式的缺点是余热利用 效率较低、系统安全性较差、造成稀有能源的严重浪费和环境污染严重。 3 溴化锂机组供热、供冷：这个方案虽然可以节约电量，但是不节约能源，环境污 染严重，能量消耗比较高。 4 原油加热炉供热：本方案是直接通过消耗原油加热，来产生高品位的热能，对参 数需要较低的地方可以采用这个方案，这种供热方式的缺点是余热利用效率较低、系统 安全性较差、环境污染严重。 通过回收利用含油污水余热来供暖，只解决了很小一部分含油污水的利用问题，仍 然有相当多的含油污水的余热被排放到大气中，即造成热污染又浪费资源。一方面，随 着油田的开发进入中后期，油井的含油污水水量越来越大；另一方面，我国大多油田丌 采出来的原油粘度高，凝同点高，含蜡量高，大都属于高粘易凝原油，在原油集输工艺 中，原油需要加热降粘后才可以向外输送。常用的集油工艺主要包括单管加热集油工艺、 掺液集油工艺、热源伴热保温集油工艺、不加热集油工艺等。用于原油加热的加热炉可 分为稠油加热炉、稀油加热炉和热水炉三类，原油加热过程需要耗费大量的能量，为了 降低原油集输中的能耗，我们需要进一步研究加热炉的形式，目前可以采用的加热炉形 式主要为燃油燃气水套加热炉，水套式加热炉是间接式加热设备，它虽然具有效率高、 便于管理、安全可靠等特点，但是这种加热炉的一次能源利用效率一般为8 5 。显然这 种利用燃烧高品位能源获得低品位热能的能量利用方式，它的有用能效率是非常低的。 一般油f f l 热污水温度高达4 5 6 0 ，若用换热器换热后，温度更低，无法直接满足原 油加热的需求。研究发现，在油田联合站原油生产过程中，一方面，油水混合物的分离 和原油的输送等生产过程需要将油水混合物或原油进行加热；另一方面，油水分离产生 的热污水含有较多低温废热，采用热泵技术回收热污水的废热用于原油生产过程是可行 的。但联合站可利用空问的欠缺和原油传热性能低、腐蚀性大等特点，采用传统热泵技 术应用方案，将带来系统相对庞大，占地、投资相对较大等不足，热泵技术应用受到限 制。由于供热参数低，余热污水、压缩式或普通吸收式热泵都无法直接为集输系统提供 热源。 油田污水余热是一种低品位热源，直接利用效率很低，利用热泵技术可以提高余热 的利用率。以原油流动参数要求和现有热污水参数作为输入条件，以热泵系统效率为目 3 第一章绪论 标函数优化系统工艺参数，提高余热资源的利用率。油阳的污水余热回收主要采用两种 形式的热泵：吸收式和压缩式。目前，许多专家对于吸收式热泵在油田污水余热的利用 上的研究已经取得了很大的进展，他们都在这方面做了大量的研究工作。所以我们可以 采用一种新型溴化锂吸收式热泵机组，充分利用油f f l 含油污水的余热，来加热原油，便 于原油的外输，用以代替原油集输系统中加热炉，并且在油f 只污水余热的利用上是有积 极意义的。 1 3 国内外发展概况 1 3 1 热泵技术在国内外的发展 早在十九世纪早期卡诺的著作中就有关于热泵的理论介绍，作者在l8 2 4 年发表了 关于卡诺循环的文章，直到1 8 5 4 年该理论才被开尔文提出：进行冷冻的系统可以用来 加热。随后几年，众多科研人员都对热泵系统进行了大量的理论研究，这种初期研究工 作持续了8 0 年之久。在1 8 5 2 年，威廉汤姆逊( w i l l i a mt h n m s o n ) 发表了一遍论文，首 次提出一种热泵设想，亦称热能放大器。 1 9 世纪7 0 年代，应用这些原理的制冷设备的开发工作得到了迅速的发展，直到上 世纪3 0 年代，热泵研究才取得较大的进步，第一台热泵在英国产生。1 9 3 0 年，霍尔坦 在他的著作中详细介绍了1 9 2 7 年苏格兰一台家用热泵的安装及试验情况，这台家用热 泵以空气为热源作热水供应的采暖用。日本在1 9 3 0 年第一次报到了热泵试验。1 9 3 7 年 在大型建筑物内装备了热泵的空调系统，采用透平式压缩机，以泉水作为低温热源。一 般热泵设备的初投资比较高，另外，在冬季温度比较低，热泵的蒸发器表面容易结霜， 这些原因都阻碍了热泵的进一步发展。到了上世纪4 0 年代到5 0 年代早期，热泵又获得 了迅速发展，大型热泵的数量已经很客观，当时“电器服务”杂志以“能源经济和热力 学热泵”为题发表了一篇专门报告，报告描述了1 9 3 7 年到1 9 4 1 年期间安装起来的各种 热泵装置，包括安装在学校、医院、办公室和牛奶场的热泵装置。上世纪4 0 年代，美 国的科研人员对热泵也有了新的认识。到1 9 4 8 年，科研人员已经开始开发小型热泵， 这促使家用热泵和工业建筑用的热泵进入市场化阶段。在英国同期也产生了许多小型民 用热泵。5 0 年代左右，美、英两国的科学家开展了地下盘管吸收地热作为热源的家用 热泵的研究工作。在上世纪5 0 年代到6 0 年代这十年，热泵技术进入了迅速成长阶段。 热泵系统可以结合制冷和取暖两个循环，同时当地区电力充足且电能价格又便宜时，热 4 中国石油人学( 华东) 帧i j 学位论文 泵的使用和运行费用很低。因此，大量用户对热泵产生了浓厚的兴趣，促使热泵进入了 早期发展阶段。 在2 0 世纪6 0 年代和7 0 年代初期，美国的经历几乎毁灭了热泵工业。个具有如 此大前途的产品，却因其可靠性和设备费高而败坏了声誉。到1 9 6 4 年，热泵的可靠性 的问题已经成了一个十分严峻的问题，以至于美国陆军当局禁止在兵营罩装热泵装置， 这一禁命一直延续到1 9 7 5 年。又因6 0 年代电价持续下降，电加热器以其可靠性和低电 费吸引着人们，促使电加热器的应用不断拓展，成为热泵发展的主要竞争对手，制约了 热泵的发展，在这十年左右，热泵发展进入徘徊状态。但是在此期问，在全世界范围内， 热泵的应用还是得到了扩展，同本、瑞典和法国等国家生产了以室外空气为热源的小型 家用热泵，至于大型热泵装置，则越来越与大型商业和公共建筑物的热回收方案结合起 来，这在英国和德国更突出。 上世纪7 0 年代初期，人们逐渐意识到矿物燃料在我们星球上的储备足有限的。1 9 7 3 年“能源危机”的出现，热泵在经历产品改进后，由于其回收低温余热，节约能源的特 点，重新登上了历史舞台。7 0 年代以来，欧洲各国和苏( 前苏联) 、日、美、澳等国对 热泵研究工作十分重视，目前，对热泵的兴趣越来越浓，欧洲、同本、北美的制造厂商 都为工业、商业、建筑业和民用提供大量热泵。诸如国际能源机构和欧洲共同体，都制 定了大型热泵发展计划，而不少新技术试验或现有热泵技术在新领域的推广应用工作正 在进行或规划之中，热泵的用途在不断的开拓。不仅仅用在采暖空调上，而且在工农商 业上也广泛的应用，如木材、食品、棉、毛、纸张的干燥，谷物、茶叶的烘干、电机绕 组无负荷事防潮，牛奶浓缩，海水淡化等等。此外，还应用于同时供冷供热的场合( 如 人工冰场与游泳池等) ，苏、英、法、联邦德国、丹麦、瑞典、挪威等国家都参加了世 界能源组织1 9 7 6 年成立的“国际热泵委员会”。目前，各工业国都投入了大量人力和物 力致力于新型热泵开发，这种新型热泵具有更经济、机组输出温度更高、机组性能指数 更高、结构构造更简单、运行更可靠等优点。热泵工业在迅速的成长，热泵在节约能源 方面起着重大作用。 鉴于我国能源储备情况特殊，同时受到国外因素的影响，在能源利用方面，我国对 热泵空调系统的应用较少。在上世纪5 0 年代，我国在热泵领域属于发展初期，而到了 6 0 年代，热泵开始在我国暖通空调系统中得到应用。直到7 0 年代木期，暖通空调系统 中热泵的应用j 得到进一步发展。到了8 0 年代初，我国科技发展迅速，能源供需矛盾 加剧，能源问题凸显。尤其在1 9 8 9 年，广州能源科学研究所举行了“热泵在我国的应 s 第一章绪论 用发展”专家研讨会，明确了在我国发展热泵技术的可行性和必要性，但当时热泵的研 究类型多限于压缩式，并且热泵的应用形式只有蒸发蒸馏、除湿干燥型、热水型这几种。 随着科技的进步，热泵技术在我国得到了迅速的发展，热泵的种类不仅局限于压缩式， 吸收式热泵、吸附式热泵、化学热泵也得到了迅速的发展。 1 3 2 热泵技术的研究现状 天然气、原油、重油，这些都是重要的战略物质和重要的化工原料，用它们作为燃 料是十分可惜和浪费的。另外，目前油阳生产中普遍存在大量4 0 7 0 的含油污水没 有得到充分利用就进行了回注，造成余热浪费。同时，在采出液处理过程中需要大量热 能以满足生产需要。若能采用新型热泵原油加热系对余热进行充分利用来加热原油，可 以为油f f 节能减排作出贡献。 目前利用热泵系统开发油田余热污水资源已经越来越引起人们的重视，下面对研究 现状【1 0 】l l 】1 3 0 j 1 3 】做简要阐述： 1 大庆石油学院的王志国，项新耀和李东明针对油f f l 生产中存在大量低温余热， 并且这些余热很少被利用，他们自己研制了高温热泵试验台，并且进行了室内模拟试验 研究，随后又在引进的工业用热泵装置上进行了工程试验。研究表明，利用热泵装置来 回收油f f l 中的低温余热，具有很高的节能效益。 2 中国石油大学的李华玉发明的单级复合第一类吸收式热泵，是一种新型吸收式 热泵装置。这个发明主要是针对单一效数的吸收式热泵的使用具有一定的局限性，提出 了这种新型热泵装置，单一效数热泵的供热区问和它的性能系数是相对应的，热泵效数 和机组的供热温度成反比，而供热温度高时，机组的性能指数就会降低，所以采用单一 效数的热泵机组不能同时满足用户供热的要求和具有较高的性能指数，而这种单级复合 第一类吸收式热泵可以满足上述要求，它主要由蒸发器、发生器、吸收器、冷凝器、节 流阀和溶液泵等组成，因为热泵机组的供热温度的高低与冷凝器有关，所以冷凝器可以 分为有共用和无共用两种类型。这种单级复合第一类吸收式热泵可实现不同效数的同类 热泵联合供热的热力学效果。 3 大连理工大学的毕海洋等针对辽河油田洼一联合站水套原油加热炉工艺改造，提 出采用高温水源热泵提取油田污水中的低位热能来加热原油的改造方案，并进行了优化 分析，经过优化的替代方案的投资回收期为1 6 3 年，每年可以节约天然气近3 0 0 万立方米， 6 中国石油人学( 华东) 硕 - q ：位论文 油田污水热能利用具有巨大的节能潜力和广泛的适用性。同时还指出了在改造方案实施 过程中急需进一步解决的关键问题。 4 东南大学的谢丁旺、张小松与中原油田设计院的王风丽对组合式热泵在油r 丌污水 余热回收的应用进行了研究，通过对组合式热泵的技术分析，得出使用r 1 4 2 b 为制冷剂 时，其热力系数( c o p ) 值能达n 4 5 2 ( 热泵出水温度在8 0 。c ) ，良好的物理热力学性能 和经济效益，显示了组合式污水热泵在油田中的应用价值，并且在油f t l 的生活和生产中 具有广阔的应用前景，另外他们也提出了存在的一些问题。 5 中国石油大学的李华玉发明的利用油田余热的热泵供热系统，属热泵技术领域。 这是一种利用油f f l 余热的新型热泵供热系统，对油田含油污水的余热可以充分的回收利 用，可以与原有的锅炉房内的各供热设备或者加热原油设备相衔接，降低初投资，充分 利用现有的装置，也可以独立供热，可以根据不同的实际情况，采用不同的供热方案， 不同的方案也可以共存，针对不同时期，合理的利用油田余热，具有较好的节能效益， 环保效益和经济效益。 以上学者都对热泵原油加热系统进行了研究，这罩我们可以探讨一种新型吸收式热 泵机组，它可以更充分的利用余热资源，也可以使这种新型的吸收式热泵机组的利用达 到更大的优化。由于压缩式热泵存在供热参数低、耗电量大、余热水需要净化除污等问 题，因此实现利用这种新型溴化锂吸收式热泵机组应用的意义重大。 1 3 3 热泵利用的范围 随着热泵技术的迅速发展，热泵在我国的应用范围越来越广，具体应用范围有以下 几点【1 4 l ： 1 热泵在空调与供热方面的应用。热泵对于同时有供热和供冷要求的建筑物，或 者对于有全年空调要求并且冬季热负荷不大的建筑物有明显的有点，它不仅节省了能 量，而且可以用一套设备满足了供热和供冷的要求，减少了初投资。另外，热泵还可以 用来回收建筑物的废热。从热泵的系统形式看，由于地位热源不同、建筑物性质、载热 介质、设备等的不同特点，可以组成多种形式的热泵系统。如根据地位热源来分，热泵 系统有： ( 1 ) 空气热源的热泵系统 主要用于单位住宅、商店、学校、俱乐部等小型建筑物中，目前工厂的热泵产品主 第一章绪论 要是空气一空气的窗式热泵空调器和分离式热泵空调器。因此在建筑物中使用的热泵绝 大部分是这种形式的热泵。 ( 2 ) 水热源的热泵系统 水源热泵可以用于单户住宅的采暖，以水为热源的另一种系统形式为水一空气热泵， 这种热泵具有容易实现夏季空调的优点，但缺点是蓄热能力小。 ( 3 ) 土壤热源的热泵系统 土壤为热源的热泵主要有两种形式：一种是制冷剂排管直接埋在地下；另一种是借 助于中间介质( 如盐水、乙二醇之类的水溶液等) 将土壤热量转移到蒸发器中。 ( 4 ) 太阳能热源的热泵系统 太阳能是用之不竭的一种能源。近十几年来太阳能的利用发展很快。目前，利用太 阳能来采暖和热水供应是经济可行的。尤其是太阳能和热泵联合工作( 即用太阳能做热 源的热泵) 更具有经济意义。 ( 5 ) 废热源的热泵系统 ( 6 ) 多热源的热泵系统 2 热泵在游泳池及人工冰场中的应用 热泵在游泳馆内可以实现去湿和热回收，还可以有外部热源( 如地下水、河水、空 气) 的热泵提供游泳馆全部热量( 如池水加热、淋浴水以及其他房间的采暖等) 。 3 热泵在工业中的应用 ( 1 ) 干燥 用热泵可以来干燥木材、干燥谷物、干燥茶叶、其他物料干燥。 ( 2 ) 热泵在蒸发工艺中的应用 在食品、制药、化工等工业中，液体的浓缩、脱水等工艺都是利用蒸发来实现的。 有利用热泵的海水淡化装置、蒸汽喷射式产品浓缩装置、蒸汽压缩方法的木材干燥装置。 ( 3 ) 热泵在蒸馏工艺中的应用 石油化工厂的产品分离工艺通常用蒸馏来实现。常规的蒸馏是一项浪费能量的工 艺。如果采用热泵系统的蒸馏塔，将凝结时产生的热量用于低沸点物质的蒸发，则大大 节省能量的消耗。 ( 4 ) 工艺过程的热回收 一些生产工艺过程中产生大量的低品位废热，由于利用价值低而被白白的排掉。如 果利用热泵提高其品位，则提高了这部分热量的利用价值，节约了能耗。另外，热泵在 r 中国油人学( 华东) 硕l j 学位论文 工艺过程中的热回收的几个实例如下：制糖厂中6 0 低压水蒸气的利用、造纸厂废热 的同收、焊接机废热回收、电镀工艺中的热回收、啤酒厂的巴氏灭菌装置的热回收、塑 料工厂中的热回收。 1 4 我国热泵利用的展望 随着科技的发展，热泵技术发展迅速，热泵技术的应用也越来越广泛，究其影响因 素有以下几点1 1 2 】： 1 中国的能源政策和环境保护政策是促进热泵技术迅速发展的最主要因素。煤、 石油、天然气等常规能源的燃烧会产生大量的有害物质，造成大气污染严重，我们必须 限制这些有害气体的排放量。若采用热泵代替燃煤锅炉采暖将会减少二氧化碳的排放 量，减少环境污染。 2 随着能源价格的不断上涨，加之常规能源( 煤、石油、天然气) 数量的不断减 少，能源危机同益加剧，这些因素促使人们开始意识到节能的重要性。热泵装置具有节 能效率高，运行简单可靠、i t 动化、和安全性高等优点，热泵的这些优势都能更好地满 足人们的节能要求，是很好的余热回收利用装置。 3 。热泵具有利用以前不能利用的自然能源和排热能源这一优点。 4 我国工业余热资源比较丰富，分布较广、利用潜力大。例如木材厂为了工厂节 能采用了电驱动高效热泵干燥机，还有蒸汽喷射式热泵可以用于石化厂，来回收生产过 程中的余热用于生产和生活，这些都取得了明显的经济效益，并且为今后热泵市场的开 发创造了良好的条件。 以上这些因素决定了发展高效率的供热、供冷热泵和热泵系统是今后热泵技术发展 总趋势。对于压缩式热泵，主要是提高压缩机的工艺设计以及开发新工质技术。应该进 一步大力发展吸收式热泵，它可以充分回收利用工业余热，仅消耗较少量的电能。 从我国当前的基础和技术力量出发，仍应优先丌发电动压缩式热泵；民用方面，应 侧重发展公共事业上应用的制冷和供热双功能热泵，逐步取代单功能空调机。工农业方 面，应强调因地制宜，注意经济论证和可行性研究，在难度小、节能显著和具有多种效 益的领域逐步推广。从长远出发，应大力发展吸收式热泵，研究化学式热泵；应组织力 量，增加科研经费，进行技术攻关。面对同益加剧的能源危机，虽然太阳能是一种取之 不尽的能源，而利用太阳能给人类提供能源只能缓解能源危机。就目前太阳能热泵的应 9 第一章绪论 用情况来看，其能源利用效率不是很高，在经济上和技术上都存在一定的问题，尤其是 小型的这种太阳能热泵系统的效率更低。由于我国农村人口数比较多，而且居住的比较 分散，所以，为了满足农民不断提高的生活水平，我们可以发展适应用农村家庭的小型 家用热水型热泵，可以用于取暖、洗漱等用途。其中太阳能和空气是最好的热泵热源。 因而进一步寻求热泵系统与太阳能系统的更好结合是促进太阳能热泵发展的途径，而且 应该大力发展面向农村的小型热水型热泵。 1 5 论文的研究目标、内容及解决的关键问题 1 5 1 论文的研究目标 1 实现一种新型溴化锂吸收式热泵机组的应用。对新型溴化锂吸收式热泵机组的 工艺流程、结构作深入地研究，提出一套工艺上可行的新型溴化锂吸收式热泵机组代替 原油加热炉的方案。 2 进行低温余热的深度利用的工艺设计优化研究。主要进行机组整体性能和工艺 参数的优化设计和分析，为尽可能提高余热品位，进而为热泵机组的工业设计提供更合 理的设计方法。在此基础上，编制出一套优化设计程序，方便该机组的优化。 1 5 2 论文的主要内容 1 实现新型溴化锂吸收式热泵机组的应用，分析新型溴化锂吸收式热泵机组的性 能系数与发生器余热水温度、被加热介质温度、流量分配比、放气范围、冷凝温度等因 素的关系，进行优化设计、热泵机组各部件传热面积、各部件热负荷计算；并且将其与 传统的加热炉加热原油系统进行比较。 2 新型溴化锂吸收式热泵代替原油加热炉，使热泵机组通过利用油田热污水部分 余热来满足原油加热需求。进行热泵加热原油集输系统的工艺设计，以热污水的参数和 原油温度、流量等要求作为输入条件，以系统效率为目标函数优化热泵工艺参数。 3 以新型溴化锂吸收式热泵循环流程各点的状态参数、各个换热设备的传热特性， 以及流动特性有关的因素为优化变量；根据物理定理和数学关系确定约束条件，对新型 溴化锂吸收式热泵机组总体进行优化分析。 4 利用相关软件( m a t l a b 或者v c + + 6 o ) 编制新型溴化锂吸收式热泵机组工艺 设计优化程序。 1 0 中国石油人学( 华东) 硕十学位论文 1 5 3 论文解决的关键问题 1 比较、选取新型溴化锂吸收式热泵机组并进行热力计算，研究新型溴化锂热泵 机组对低品位热的提升能力，提高余热资源利用率。 2 对原油集输系统内余热资源综合调查分析、新型溴化锂吸收式热泵机组替代传 统的原油加热炉后工艺流程设计、工艺参数的确定与计算。 3 新型溴化锂吸收式热泵系统的可调节性能，配套系统的研发。 4 以新型溴化锂吸收式热泵系统效率为目标函数优化系统工艺参数，利用可视化 的编程语言，得出优化结果。 第二章用于原油加热系统的新型热泵机组 第二章用于原油加热系统的新型热泵机组 热泵的作用是从周围环境中吸取热量，并把它传递给被加热的对象( 温度较高的物 体) ，其工作原理与制冷机相同，都是按热机的逆循环工作的，所不同的只是工作温度 范围和要求的效果不同。吸收式热泵是一种利用低品位热源，实现将热量从低温热源向 高温热源泵送的循环系统。是回收利用低温位热能的有效装置，具有节约能源、保护环 境的双重作用。热泵可以充分回收利用大气中的低温热气、工业中的废水的余热、河川 中低温水、油田中含油污水的余热等中的热量，也就是说热泵可以将低温物体中的热能 传送高温物体中。热泵的性能一般用性能系数( c o p ) 来评价，简单来说，性能系数就是 指获得的加热量与消耗的能量之比。目前，热泵技术在发达国家应用比较普遍，而在我 国热泵技术也已经得到了广泛的应用，而且发展迅速，应用范围也越来越广泛。热泵原 油加热系统就是利用低品位的热量如油污废水，作为热泵系统的低温热源，实现低品位 能量向高品位能量转换，实现原油加热的目的。 2 1 各种热泵技术 热泵的分类有多种，根据热泵基本原理的不同，主要可以分为以下几类1 2 1 1 1 4 】： 1 压缩式热泵 压缩式热泵同蒸汽压缩式制冷一样，其原理是通过压缩机使氟里昂等工质进行蒸发 ( 吸热) 和冷凝( 放热) 循环，其理论循环是在具有温差传热的两相区的逆卡诺循环基础上 改造而成的，我们知道一台最简单的蒸汽压缩式热泵是由压缩机、冷凝器、节流阀、蒸 发器组成。机械压缩式热泵有两大类：蒸汽压缩式热泵和空气压缩式热泵，前者是目前 用的最多的一种装置。利用冷凝器和蒸发器实现等压的冷凝放热和气化吸热过程。一台 最简单的蒸汽压缩式热泵是由压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器组成。目前，国内外对 高温蒸气压缩式热泵的研究方面主要是改进现有的制冷机工艺和丌发制冷剂，往复式压 缩机一般用于制热量较小的热泵系统，还有在一定工作压力下可以提高换热器的换热性 能，选择性能良好的制冷剂，研制一种气体润滑剂。目前压缩式热泵己广泛用于住宅、 商业、办公大楼的采暖和制冷。 2 吸收式热泵 吸收式热泵是在吸收式制冷循环基础上发展起来的，它的驱动源有以下几种型式： 中国石油人学( 华东) 硕：j j 学位论文 通过煤、石油、天然气等常规能源的直接燃烧、利用蒸汽或高温高压热水、工业废水的 余热、工业锅炉等的废热等等。溴化锂吸收式热泵是单纯以热能为补偿热能它是以水为 制冷剂，溴化锂溶液为吸收剂。吸收式热泵可分为第一类吸收式热泵和第二类吸收式热 泵这两种类氆。第一类吸收式热泵可以将低温热量的温度提高到u 丁以被人们利用的中 温，但要消耗一部分高温热量，其性能系数是大于1 的，它的循环| 一j 吸收式制冷机循环 相同，不同点是前者要获得较高温度的热量，而后者则要获得冷量；第二类吸收式热泵 是以低温热源( 废热水) 为驱动热源，采用低温冷却水束制取比低温热源温度高的热媒 ( 热水) ，其性能系数是小于1 的。它不需要更高温度的热源来驱动，但需要较低温度 的冷却水，这是它与第一类溴化锂吸收式热泵的不同点。吸收式热泵的能量比较大，在 民用和工业上都得到了普遍应用。目前，第一类吸收式热泵在世界上应用最普遍，并且 它的应用前景更为广泛。 3 化学热泵 化学热泵是一种新型热泵【1 4 】，所谓化学热泵，广义来说是利用化学现象的热泵，即 利用化学反应、吸收、吸附、浓度差等化学现象的热泵。狭义来说则是指利用热化学反 应的热泵。实际的化学热泵一般有三种型式，即蓄热型、增热型和升温型。化学热泵的 热力循环是由物质化学反应时所产生的吸热和放热组成的，化学热泵可以用来加热、制 冷、以及提高能量的品位，当化学反应停止时，化学热泵具有蓄能的功能，这是不同于 其它类型热泵的优点。化学热泵是种很有发展前途的节能型产品，已在美国、日本、 俄罗斯一些欧洲国家商品化，目前正处在开发研制阶段，在化学热泵性能，探索合适的 工质对，材料的耐腐性以及降低造价等方面还有许多工作有待进一步研究探索。美国于 1 9 7 5 年开始对应用氢的化学热泵进行了研究，日本也在1 9 8 0 年开始研制实际应用的化 学热泵装置，历时三年取得了成功。近年来，我国虽然已经对化学热泵进行了研究，但 是由于没有开发出合适的工质对，热泵系统材料耐腐性差，热泵的造价比较高，所以到 现在实例并不多，阻碍了化学热泵的发展。 4 吸附式热泵 吸附式热泵的工质由作为制冷剂的吸附介质和作具有良好的吸附、解吸性能的固体 微孔吸附剂组成，它与吸附式制冷循环的原理相同，在制冷剂的吸附和解析过程中，两 个过程存在温差，基于这一点建立热力循环。该循环促使吸附工质在被吸附剂吸附时放 出热量，同时在解吸过