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吸收式熱泵對油田熱污水的有效利用

文檔作者：張興陳陽陽嚴(yán)晗趙健文檔來源：中國石油大學(xué)(華東)能源與動力工程系		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年06月15日
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2017年第2期
(總第413期)
節(jié)能
ENERGY CONSERVATl0N 一5l一
吸收式熱泵對油田熱污水的有效利用
張興，陳陽陽，嚴(yán)晗。趙健
(中國石油大學(xué)(華東)能源與動力工程系，山東青島266000)
摘要：為了合理利用油井伴生熱水，應(yīng)用吸收式熱泵有效回收油田熱污水的熱量。將油田熱污水作為
吸收式熱泵的驅(qū)動力，借助Manab軟件編程，分析出2類熱泵COP的影響因素，并通過夾點分析研究
吸收式熱泵，從而提出熱泵系統(tǒng)內(nèi)物流換熱的優(yōu)化建議，并最終提高熱泵的工作效率，提升其環(huán)保效
益。
關(guān)鍵詞：吸收式熱泵；設(shè)計計算；夾點分析；換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化
中圖分類號：TKll+5；11三08文獻標(biāo)識碼：A文章編號：l004—7948(2017)02—005l—05
doi：103969／j．issn．1004—7948．2017．02．014
1吸收式熱泵設(shè)計
1．1第一類吸收式熱泵設(shè)計
1．1．1物理模型
第一類吸收式熱泵工藝流程如圖1所示。與
普通第一類熱泵不同的是：發(fā)生器外高溫?zé)嵩礊轱?
和蒸汽；吸收器和冷凝器外冷媒水串聯(lián)；蒸發(fā)器外
低溫?zé)嵩礊橛酂嵛鬯?
溶
圖1第一類吸收式熱泵工藝流程
1．1．2 CoP影響因素
文中采用控制變量法，其主要工藝參數(shù)如下：
島=41℃、flo=32℃、fll=60℃、氣=150℃、f13=
75℃、fc—f13=3℃、flo—fE=2℃。
為了將多條coP曲線合并在一個圖中，故將
cOP作為橫坐標(biāo)，各影響因素為縱坐標(biāo)。由圖2
可知：余熱污水溫度越高，冷媒水進機溫度越高，
COP值增大；冷媒水進出機溫差越大，污水溫降越
大，COP減小。
604 1 608 1．6l 2 1．616 1．320 1．624 1．628 1．632
CoP
圖2第一類吸收式熱泵影響因素
1．2第二類吸收式熱泵設(shè)計
1．2．1物理模型
第二類吸收式熱泵工藝流程如圖3所示。與
普通第二類熱泵不同的是：蒸發(fā)器和發(fā)生器外加熱
熱源為余熱水，串聯(lián)；吸收器外產(chǎn)生高溫?zé)崴?
溶液
冷卻水
圖3第二類吸收式熱泵工藝流程
水
萬方數(shù)據(jù)
節(jié)能2017年第2期
一52一ENERGYcoNsERVAlIoN (總第413期)
1．2．2 CoP影響因素
文中采用控制變量法，其主要工藝參數(shù)如下：
島=5℃、flo=12℃、f11=70℃、f16=80℃、‘一t5=
5℃、f11一f12=5℃、f13一f14=5℃。
由圖4可知：余熱水溫越高，COP值增大，當(dāng)
余熱水溫達到時，OOP基本穩(wěn)定；溴化鋰稀溶液在換
熱器換熱效果越好，c0P增大。供熱水出機溫度、冷
卻水進機溫度越高，余熱水溫降越大，c0P值減小。
2吸收式熱泵系統(tǒng)夾點分析哺3
2．1第二類吸收式熱泵系統(tǒng)夾點分析
物流數(shù)據(jù)，如表1所示。
0．494
0 492
O．490
0．488
0．486
山O．484
8 o．482
0．480
0．478
0．476
0 474
0．472
首先根據(jù)設(shè)計所得節(jié)點數(shù)據(jù)，找出系統(tǒng)內(nèi)全部圖4第二類吸收式熱泵影響因素
表1第二類吸收式熱泵系統(tǒng)的物流參數(shù)
根據(jù)問題表格法，當(dāng)夾點溫差為6℃時，找到
夾點：冷流溫度62℃(1)，熱流溫度68℃(1)，對熱
泵的換熱網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化分析，如圖5所示。
82℃‘煎譬q確|62℃(g’瞢62℃(1)
7鬯墮i!L■65℃({；產(chǎn)7℃{犁5℃(1)
m趣盟!哆(艫掣5即’
^6?2℃???一l 5℃
62℃(g’奄i62℃(1)c1
65℃(濃)： 57℃f濃)
8紫：纛℃57攀q¨警c6 冷物贏：62℃ c4二：茜』
結(jié)合過程系統(tǒng)能量回收最大化原則對原換熱
網(wǎng)絡(luò)進行分析，可發(fā)現(xiàn)原換熱網(wǎng)絡(luò)存在以下不合理
之處：
1)夾點之下(圖5虛線右側(cè))存在需要加熱的
冷物流C，、c3、C4、G。
2)夾點之上(圖5虛線左側(cè))存在需要冷卻的
熱物流峨、地。
3)物流皿、c3跨越夾點傳熱。這將不利于系
統(tǒng)節(jié)能，應(yīng)作出優(yōu)化處理。
減小夾點溫差有利于提高能量回收率，但換熱
器的換熱溫差減小，需要更大的換熱面積，改造成
本增加。結(jié)合能源、經(jīng)濟現(xiàn)狀合理分析，選定調(diào)優(yōu)
萬方數(shù)據(jù)
2017年第2期
(總第4t3期)
節(jié)能
ENERGY CONSERV≈rK)N 一53一
后的熱泵系統(tǒng)夾點溫差為6℃，此時夾點處冷熱流
體的溫度分別為62℃和68℃，最小公用工程加熱、
冷卻負(fù)荷分別為9323．3lkw、9326．22l州。具體優(yōu)
化過程如下：
經(jīng)分析換熱網(wǎng)絡(luò)，調(diào)整余熱水在蒸發(fā)器和發(fā)生
器溫降分配，重新進行設(shè)計計算。在夾點之下M』，
冷流c，和熱流玩之間加一換熱器，其熱負(fù)荷為
491．949kw，可使冷流C．的溫度升到目標(biāo)溫度
62℃，同時使熱流甌溫度降低。
夾點之上，利用初始溫度為73℃的污水(或利
用加熱器將70℃污水將其加熱到73℃)，先將熱流
也與冷流c2、c’。進行匹配換熱，將冷流從62℃
(1)升溫到68℃(g)，再將熱流也與冷流c4換熱，
將冷流c4從62℃(1)升溫到62℃(g)。優(yōu)化后的
換熱網(wǎng)絡(luò)如圖6所示。
冷物流：62℃
圖6優(yōu)化后的熱泵系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)
2．2第一類吸收式熱泵系統(tǒng)夾點分析
根據(jù)前面的吸收式熱泵熱力設(shè)計得到的節(jié)點
數(shù)據(jù)，找出系統(tǒng)內(nèi)全部物流數(shù)據(jù)，如表2所示。
表2第一類吸收式熱泵系統(tǒng)的物流參數(shù)
根據(jù)問題表格法，當(dāng)夾點溫差為4℃時，找到
夾點：冷流溫度30℃(1)，熱流溫度34℃(1)，對熱
泵的換熱網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化分析，如圖7所示。
對原換熱網(wǎng)絡(luò)進行分析，可發(fā)現(xiàn)原換熱網(wǎng)絡(luò)存
在以下不合理之處：
1)夾點之上，存在需要冷卻的熱物流日，、％、
颶、日4；
2)物流域跨越夾點傳熱。結(jié)合能源、經(jīng)濟現(xiàn)狀
合理分析，選定調(diào)優(yōu)后的熱泵系統(tǒng)夾點溫差為12℃，
此時夾點處冷熱流體的溫度分別為30℃和42℃，最小
公用工程加熱、冷卻負(fù)荷分別為1377．79kw、
咝墅辨島爿等衛(wèi)
124．58q曲善酈一“3；
，!124-(濃)——百r 80℃(濃)
150℃(鮑—一50℃(囂2
H1
．一30℃(g)—_—■30℃(1)
113．44℃(稀) 65℃衙)一c4：
、?
萬方數(shù)據(jù)
節(jié)能
ENERGY CONSERVA，n0N
2017年第2期
(總第413期)
1375．18kW。具體優(yōu)化過程如下：
夾點之下，熱物流風(fēng)和哦各加一個冷凝器
c1和c2，功率分別為：33．12kw和1471．96kw。
由此可見，污水域物流可以帶來巨大的熱
量，如果能升高污水溫度讓其變到夾點之上能夠產(chǎn)
生較好的收益。
夾點之上，在馬和G之間，c2和颶、峨之
間，日，和c，之間分別加一個換熱器，三者均能完
全匹配換熱；馬由99．36kW冷凝器冷卻，c4由
1603．6kw加熱器加熱。由此可見，C4所需熱量較
大，如果能與夾點之下的日6物流進行換熱，可以
節(jié)省部分投資。優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò)如圖8所示。
熱物流：i42?！?，釋蚴 H6 V
cl
冷物流：30℃
圖8優(yōu)化后的熱泵系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)
3換熱溫差對熱泵夾點溫度的影響分析
3．1第二類吸收式熱泵系統(tǒng)夾點溫度隨溫差的依
變關(guān)系
取夾點溫差的范圍為到，每間隔2℃取一個溫
差，求取各溫差下夾點位置"J，將各溫差下求得的
夾點參數(shù)匯總，結(jié)果如表3所示。
夾點溫度和公用工程負(fù)荷隨夾點溫差的變化
如圖9所示。
3．2第一類吸收式熱泵系統(tǒng)夾點溫度隨溫差的依
變關(guān)系
一二類熱泵的分析方法”1相同，經(jīng)試算，與第
二類熱泵選取相同的夾點溫差范圍不合適，于是將
夾點溫差調(diào)整到O一30℃，每間隔4℃取一個計算
點，這時結(jié)果趨于正常，將各溫差下求得的夾點參
數(shù)匯總，結(jié)果如表4所示。
表3夾點參數(shù)匯總
+夾點溫度與夾點溫差關(guān)系
夾點溫差，℃
圖9夾點溫度、最小公用工程負(fù)荷隨夾點
溫差的變化關(guān)系
表4夾點參數(shù)匯總
≥
芒
框
斌
群
H
々
嘣
夾點溫度和公用工程負(fù)荷隨夾點溫差的變化
規(guī)律如圖lo所示。
萬方數(shù)據(jù)
2017年第2期
(總第413期)
節(jié)能
ENERGY CONSERVATl0N
+夾點溫差與夾點溫度關(guān)系
+夾點溫與最小工程負(fù)荷的關(guān)系
圖10夾點溫度與最小公用工程負(fù)荷隨夾點
溫差的變化關(guān)系
由圖可知，對于第一類吸收式熱泵，隨夾點溫
差的加大，夾點處冷流溫度不變而熱流溫度逐漸升
高，因此夾點溫度逐漸升高。
分析兩類熱泵夾點溫度隨夾點溫差改變表現(xiàn)
出不同變化規(guī)律的原因，兩類熱泵的基本原理一
致，即工作在高低溫?zé)嵩粗g，但第一類熱泵工作
的溫度區(qū)間要比第二類熱泵大得多，高溫和低溫的
值都比第二類更高或更低，夾點位置處的冷熱流溫
差也比第二類大得多，這些都可能導(dǎo)致兩類熱泵表
現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。
分析兩類熱泵最小公用工程負(fù)荷的曲線可知，
隨夾點溫差的增大，二者均有上升的趨勢，這一結(jié)
果符合常識：夾點溫差增大代表著換熱器的換熱溫
差加大：一方面使得系統(tǒng)中可以換熱的物流減少，
即回收利用的熱量減少；另一方面換熱過程中的損
失也將加大，同樣使得公用工程負(fù)荷增加。
4結(jié)語
吸收式熱泵系統(tǒng)的熱力設(shè)計主要為了求取系
統(tǒng)內(nèi)四大換熱部件的熱負(fù)荷和各節(jié)點的工質(zhì)參數(shù)，
為后面的夾點分析做準(zhǔn)備。夾點分析的目的在于
優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)的物流換熱，減小公用工程負(fù)荷，從而
達到節(jié)約能源、提高熱泵效率的目的。
在吸收式熱泵系統(tǒng)的熱力設(shè)計中，通過Matlab
軟件編程和作圖分析出cOP影響因素。第一類吸
收式熱泵CoP影響因素包括：冷媒水進機溫度及
溫升、污水進機溫度及溫降；第二類吸收式熱泵
coP影響因素包括：供熱水出機溫度、冷卻水溫、
溴化鋰稀溶液在換熱器的溫降、余熱水溫度及溫
降。
夾點分析可以對熱泵系統(tǒng)的節(jié)能改造提出有
價值的建議，優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)的物流換熱。在不同夾點
溫差下，對系統(tǒng)進行夾點分析能發(fā)現(xiàn)：夾點溫差的
選取對整個夾點分析起著至關(guān)重要的作用，選取合
適的夾點溫差能使經(jīng)濟性指標(biāo)最優(yōu)化。夾點溫差
的選取時要根據(jù)系統(tǒng)自身屬性，結(jié)合經(jīng)驗確定大致
的溫差范圍，也可編程求取最合適的夾點溫差。
參考文獻
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作者簡介：張興(1994一)，男，山東蓬萊人，本科在讀，專業(yè)
方向：能源與動力工程。
指導(dǎo)教師：王照亮(1971一)，男，山東單縣人，博士，教授，
博士生導(dǎo)師，研究方向：能源與動力工程。
收稿日期：2016—11—09；修回日期：2017一01—06

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