CN109114807A - 一种空气源热泵型原油加热*** - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种空气源热泵型原油加热***，属于原油加热器技术领域。包括主压缩机、辅助压缩机、冷凝器、中压气液分离器、蒸发器、高压储气罐、换热板以及多个电子膨胀阀；冷凝器内的循环工质采用跨临界循环的二氧化碳；主压缩机的出口和辅助压缩机的出口分别接入冷凝器进口，冷凝器出口分别通过电子膨胀阀和抽气调节阀接入中压气液分离器气液进口和高压储气罐进口，高压储气罐出口通过第二电子膨胀阀接入中压气液分离器进气口，中压气液分离器出气口通过压力调节阀接入辅助压缩机进口，中压气液分离器排液口通过电子膨胀阀接入蒸发器进口，蒸发器出口接入主压缩机进口；换热板位于高压储气罐和蒸发器之间。本***具有低能源消耗量、高能效比。

Description

一种空气源热泵型原油加热***

技术领域

本发明属于原油加热器技术领域，特别涉及一种空气源热泵型原油加热***。

背景技术

石油是现代工业的血脉，目前石油主要为从地底或者海底开采出的原油。稠油的沥青质和胶质所占比例较高、粘度较大，因此在原油资源中所占比例较大。在稠油开采过程中，原油从油井里被开采出，随后通过可长达上千公里的输油管道输往原油精炼厂。然而稠油的高粘度使其在输配过程中阻力大，输配能耗极高，并且容易发生堵塞问题。其中一种解决方法是利用稠油粘度随着温度升高快速下降的特点，在原油输配管道上设立中继站对稠油进行加热，使得稠油在输配过程中保持相对较高的温度，减小输配阻力，降低输配能耗。

目前主要使用的加热手段有电加热、燃烧锅炉加热、太阳能加热与热泵加热等。电加热属于高品位能源的低级利用，能耗较高。燃烧锅炉加热需要消耗大量的燃料，能源利用率不高，同时由于明火的存在还存在一定的火灾等危险。太阳能加热吸收太阳能对原油进行加热，然而该加热方式对天气依赖程度高，不稳定性强，而且在冬季需要极大面积的太阳能集热板与大体量蓄水罐才能满足加热要求，设备投资成本高，可以作为加热的辅助手段，但是作为加热的主要手段是不合适的。热泵技术使用电能从热源处提取热量至原油，能效比较高，因此应用越来越广泛，但当热源与原油的温差较大时，热泵的能效比会急剧下降乃至无法正常工作，因此需要选择合适的热源。

现对目前已公开的采用不同热源的几种热泵型原油加热***分别说明如下：

1、地热源：将地热能作为热泵的热源，地热能具有较强的潜力，夏季可以向地底排热，冬季可从地底取热。然而在原油全年需要加热的工况下，长时间从地底取热而不排热，会导致地底温度降低，热泵效率下降直至无法正常运行。如现有的一种石油输油管道的地热能加热装置(申请号：201721060270.7)，该装置包括地热能热泵、导热柱、固定法兰盘、支架、石油进管、控制柜；地热源热泵由地热源热泵机、地热换热器、地热循环水管、地热循环水箱与地热循环水泵构成。该装置运行时，地热循环水泵通过地热循环水管将循环水泵入地热换热器，低温的循环水在换热器中被地热加热，随后回到地热循环水箱，使地热循环水箱中的水维持在60℃以上，同时安装在地热循环水箱处的地热源热泵机将热量通过导热柱传递给隔热输油管道内部的石油，将石油加热到50℃以上。该装置的地热源热泵运行过程中抽取了地表浅层的热量，由于地表的隔热作用，被抽取的热量难以得到补充，因此在实际工程中往往是夏季通过地热循环水箱向地表浅层排热，冬季从地表浅层向地热循环水箱抽热，使热源处全年热量收支达到平衡。然而原油加热是全年性的，因此使用地热源热泵对原油进行加热，会使得热源处的热量不断被抽取，热源温度下降，使得装置的能效比下降直至无法正常工作。另一方面，直接由导热柱通入隔热输油管道对原油进行加热，换热面积小，换热效果不佳。

2、污水热源：利用油井开采原油产生的污水作为热泵的热源，通过该热源既回收了油井处污水的废热，又解决了热泵的热源问题，同时污水的高温使得热泵的能效比保持在一个高数值。然而由于在原油输配管路上的中继站没有对应的污水热源，因此污水热源只适用于油井处，限制了该热源的大面积使用。

3、空气源：空气是稳定且在油井与中继站都易获得的热源，可满足热泵型原油加热***对热源的要求。但目前空气源热泵主要的问题在于冬季室外气温可达-20℃，原油需要被加热至50℃，温差大，常规工质如R134a的物性无法满足大温差相变要求。

二氧化碳跨临界循环主要应用于热水热泵、汽车空调技术领域，具有如下优点：原料采用二氧化碳，清洁环保，可减少温室气体排放；适用于大温差换热，可从低品位热取热，节约能源。但目前暂未见将二氧化碳跨临界循环应用于原油加热***的报道。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种空气源热泵型原油加热***。该加热***可以解决热泵原油加热技术的热源选择问题，使用无处不在的空气源对原油进行加热，替代电加热、燃烧锅炉加热，减少能源消耗量；此外，相对于地热源，可提高原油的换热效果，进而提高本加热***的能效比。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种空气源热泵型原油加热***，其特征在于，该***包括主压缩机(6)、辅助压缩机(11)、冷凝器(1)、中压气液分离器(3)、蒸发器(5)、高压储气罐(8)、换热板(12)以及多个电子膨胀阀；其中，所述冷凝器(1)与原油输送管道相连，该冷凝器(1)内的循环工质采用跨临界循环的二氧化碳；所述主压缩机(6)的出口和所述辅助压缩机(11)的出口分别通过管道共同接入所述冷凝器(1)的进口，该冷凝器(1)出口分别通过设有第一电子膨胀阀(2)的管道和设有抽气调节阀(7)的管道接入所述中压气液分离器(3)的气液进口和所述高压储气罐(8)的进口，该高压储气罐(8)的出口通过设有第二电子膨胀阀(9)的管道接入所述中压气液分离器(3)的进气口，该中压气液分离器(3)的出气口通过设有压力调节阀(10)的管道接入所述辅助压缩机(11)的进口，所述中压气液分离器(3)的排液口通过设有第三电子膨胀阀(4)的管道接入所述蒸发器(5)的进口，该蒸发器(5)的出口接入所述主压缩机(6)的进口；所述换热板(12)位于所述高压储气罐(8)和所述蒸发器(5)之间。

优选地，所述冷凝器(1)采用螺旋折流板换热器、壳管式换热器或板式换热器中的任意一种。

优选地，所述蒸发器(5)采用风冷式换热器。

优选地，所述换热板(12)为风机盘管。

本发明的特点及有益效果：

(1)选择二氧化碳作为循环工质，二氧化碳跨临界循环为热泵循环，使得使得本原油加热***可以使用稳定且易获得的空气作为热源，且由主压缩机、冷凝器、膨胀阀、中压气液分离器、膨胀阀、蒸发器构成的热泵装置在冬季工况下可以正常运行，仍有较高的能效比。此外，由于采用空气作为热源，因此，本加热***即可安装在中继站处，也可安装在油井处，不受安装位置的限制。

(2)利用中压气液分离器分离气态与液态的循环工质，气态循环工质通过压力调节阀、辅助压缩机回到冷凝器，减少了主压缩机的负荷，提高了本加热***能效。

(3)冷凝器选用螺旋折流板换热器，减小原油管道内的流动阻力，增强换热效果，减少输配能耗与设备体积，同时换热方向为逆流换热，换热效果充分，减少了火积损失，提高了本加热***能效比。

(4)由抽气调节阀、高压储气罐、第二电子膨胀阀和换热板构成的除霜装置，使得本加热***可以连续不停机除霜，避免因结霜导致蒸发器效率降低。

附图说明

图1为本发明实施例空气源热泵型原油加热***的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明技术方案做进一步说明。

参见图1，为本发明实施例的一种空气源热泵型原油加热***的结构示意图。该加热***包括主压缩机6、辅助压缩机11、冷凝器1、中压(1.6～3.0Mpa左右)气液分离器3、蒸发器5、高压(1.4Mpa以上)储气罐8、换热板12(为风机盘管)以及多个电子膨胀阀；主压缩机6、冷凝器1、电子膨胀阀2、中压气液分离器3、电子膨胀阀4、蒸发器5依次连接构成热泵装置；其中，冷凝器1与原油输送管道0相连，冷凝器1内的循环工质采用跨临界循环的二氧化碳；主压缩机6的出口和辅助压缩机11的出口分别通过管道共同接入冷凝器1进口，冷凝器1出口分别通过设有第一电子膨胀阀2的管道和设有抽气调节阀7的管道接入中压气液分离器3的气液进口和高压储气罐8的进口，高压储气罐8的出口通过设有第二电子膨胀阀9的管道接入中压气液分离器3的进气口，中压气液分离器3的出气口通过设有压力调节阀10的管道接入辅助压缩机11的进口，中压气液分离器3的排液口通过设有第三电子膨胀阀4的管道接入蒸发器5进口，蒸发器5出口通过管道接入主压缩机6进口；换热板12位于高压储气罐8和蒸发器5之间。

本发明实施例中各组成器件均为常规产品。其中，抽气调节阀7、高压储气罐8、第二电子膨胀阀9和换热板12共同构成除霜装置，使得本加热***可以连续不停机除霜，避免因结霜导致蒸发器效率降低。冷凝器1采用螺旋折流板换热器、壳管式换热器或板式换热器中的任意一种；优选地，冷凝器1采用螺旋折流板换热器，对工质与原油进行逆流换热，提高加热效果，减少输配阻力。蒸发器5采用风冷式换热器。

本发明加热***的工作原理为：

蒸发器5处二氧化碳相变为气态从空气中取热，被主压缩机6压缩后进入冷凝器1中冷凝，原油从原油输送管道0中进入冷凝器1与循环工质(二氧化碳跨临界循环)进行换热，对原油进行加热，达到目标温度后从冷凝器回到原油输配管道。冷凝器1出口的循环工质一部分通过抽气调节阀7被抽出进入高压储气罐8，通过换热板12与蒸发器5表面换热进行不停机除霜，防止蒸发器表面结霜使得***无法正常运行，随后通过第二电子膨胀阀9进入中压气液分离器3；剩余部分通过第一电子膨胀阀2进入中压气液分离器3，在中压气液分离器3中，循环工质进行气液分离，气体部分依次通过压力调节阀10与辅助压缩机11回到冷凝器1中继续冷凝，减少主压缩机6的功耗；液体部分通过第三电子膨胀阀4进入蒸发器5完成主循环。

当气温降低时，根据当地工况增大蒸发器处的风量，同时改变抽气调节阀7的大小，增加抽气比例。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含的本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种空气源热泵型原油加热***，其特征在于，该***包括主压缩机(6)、辅助压缩机(11)、冷凝器(1)、中压气液分离器(3)、蒸发器(5)、高压储气罐(8)、换热板(12)以及多个电子膨胀阀；其中，所述冷凝器(1)与原油输送管道相连，该冷凝器(1)内的循环工质采用跨临界循环的二氧化碳；所述主压缩机(6)的出口和所述辅助压缩机(11)的出口分别通过管道共同接入所述冷凝器(1)的进口，该冷凝器(1)出口分别通过设有第一电子膨胀阀(2)的管道和设有抽气调节阀(7)的管道接入所述中压气液分离器(3)的气液进口和所述高压储气罐(8)的进口，该高压储气罐(8)的出口通过设有第二电子膨胀阀(9)的管道接入所述中压气液分离器(3)的进气口，该中压气液分离器(3)的出气口通过设有压力调节阀(10)的管道接入所述辅助压缩机(11)的进口，所述中压气液分离器(3)的排液口通过设有第三电子膨胀阀(4)的管道接入所述蒸发器(5)的进口，该蒸发器(5)的出口接入所述主压缩机(6)的进口；所述换热板(12)位于所述高压储气罐(8)和所述蒸发器(5)之间。

2.根据权利要求1所述的空气源热泵型原油加热***，其特征在于，所述冷凝器(1)采用螺旋折流板换热器、壳管式换热器或板式换热器中的任意一种。

3.根据权利要求1或2所述的空气源热泵型原油加热***，其特征在于，所述蒸发器(5)采用风冷式换热器。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的空气源热泵型原油加热***，其特征在于，所述换热板(12)为风机盘管。