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吸收式热泵对油田热污水的有效利用

文档作者：张兴陈阳阳严晗赵健文档来源：中国石油大学(华东)能源与动力工程系		点击数：	更新时间： 2024年06月15日
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2017年第2期
(总第413期)
节能
ENERGY CONSERVATl0N 一5l一
吸收式热泵对油田热污水的有效利用
张兴，陈阳阳，严晗。赵健
(中国石油大学(华东)能源与动力工程系，山东青岛266000)
摘要：为了合理利用油井伴生热水，应用吸收式热泵有效回收油田热污水的热量。将油田热污水作为
吸收式热泵的驱动力，借助Manab软件编程，分析出2类热泵COP的影响因素，并通过夹点分析研究
吸收式热泵，从而提出热泵系统内物流换热的优化建议，并最终提高热泵的工作效率，提升其环保效
益。
关键词：吸收式热泵；设计计算；夹点分析；换热网络优化
中图分类号：TKll+5；11三08文献标识码：A文章编号：l004—7948(2017)02—005l—05
doi：103969／j．issn．1004—7948．2017．02．014
1吸收式热泵设计
1．1第一类吸收式热泵设计
1．1．1物理模型
第一类吸收式热泵工艺流程如图1所示。与
普通第一类热泵不同的是：发生器外高温热源为饱
和蒸汽；吸收器和冷凝器外冷媒水串联；蒸发器外
低温热源为余热污水。
溶
图1第一类吸收式热泵工艺流程
1．1．2 CoP影响因素
文中采用控制变量法，其主要工艺参数如下：
岛=41℃、flo=32℃、fll=60℃、气=150℃、f13=
75℃、fc—f13=3℃、flo—fE=2℃。
为了将多条coP曲线合并在一个图中，故将
cOP作为横坐标，各影响因素为纵坐标。由图2
可知：余热污水温度越高，冷媒水进机温度越高，
COP值增大；冷媒水进出机温差越大，污水温降越
大，COP减小。
604 1 608 1．6l 2 1．616 1．320 1．624 1．628 1．632
CoP
图2第一类吸收式热泵影响因素
1．2第二类吸收式热泵设计
1．2．1物理模型
第二类吸收式热泵工艺流程如图3所示。与
普通第二类热泵不同的是：蒸发器和发生器外加热
热源为余热水，串联；吸收器外产生高温热水。
溶液
冷却水
图3第二类吸收式热泵工艺流程
水
万方数据
节能2017年第2期
一52一ENERGYcoNsERVAlIoN (总第413期)
1．2．2 CoP影响因素
文中采用控制变量法，其主要工艺参数如下：
岛=5℃、flo=12℃、f11=70℃、f16=80℃、‘一t5=
5℃、f11一f12=5℃、f13一f14=5℃。
由图4可知：余热水温越高，COP值增大，当
余热水温达到时，OOP基本稳定；溴化锂稀溶液在换
热器换热效果越好，c0P增大。供热水出机温度、冷
却水进机温度越高，余热水温降越大，c0P值减小。
2吸收式热泵系统夹点分析哺3
2．1第二类吸收式热泵系统夹点分析
物流数据，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
首先根据设计所得节点数据，找出系统内全部图4第二类吸收式热泵影响因素
表1第二类吸收式热泵系统的物流参数
根据问题表格法，当夹点温差为6℃时，找到
夹点：冷流温度62℃(1)，热流温度68℃(1)，对热
泵的换热网络进行优化分析，如图5所示。
82℃‘煎譬q确|62℃(g’瞢62℃(1)
7鬯堕i!L■65℃({；产7℃{犁5℃(1)
m趣盟!哆(舻掣5即’
^6⋯2℃⋯⋯⋯一l 5℃
62℃(g’奄i62℃(1)c1
65℃(浓)： 57℃f浓)
8紫：纛℃57攀q¨警c6 冷物赢：62℃ c4二：茜』
结合过程系统能量回收最大化原则对原换热
网络进行分析，可发现原换热网络存在以下不合理
之处：
1)夹点之下(图5虚线右侧)存在需要加热的
冷物流C，、c3、C4、G。
2)夹点之上(图5虚线左侧)存在需要冷却的
热物流峨、地。
3)物流皿、c3跨越夹点传热。这将不利于系
统节能，应作出优化处理。
减小夹点温差有利于提高能量回收率，但换热
器的换热温差减小，需要更大的换热面积，改造成
本增加。结合能源、经济现状合理分析，选定调优
万方数据
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节能
ENERGY CONSERV≈rK)N 一53一
后的热泵系统夹点温差为6℃，此时夹点处冷热流
体的温度分别为62℃和68℃，最小公用工程加热、
冷却负荷分别为9323．3lkw、9326．22l州。具体优
化过程如下：
经分析换热网络，调整余热水在蒸发器和发生
器温降分配，重新进行设计计算。在夹点之下M』，
冷流c，和热流玩之间加一换热器，其热负荷为
491．949kw，可使冷流C．的温度升到目标温度
62℃，同时使热流瓯温度降低。
夹点之上，利用初始温度为73℃的污水(或利
用加热器将70℃污水将其加热到73℃)，先将热流
也与冷流c2、c’。进行匹配换热，将冷流从62℃
(1)升温到68℃(g)，再将热流也与冷流c4换热，
将冷流c4从62℃(1)升温到62℃(g)。优化后的
换热网络如图6所示。
冷物流：62℃
图6优化后的热泵系统换热网络
2．2第一类吸收式热泵系统夹点分析
根据前面的吸收式热泵热力设计得到的节点
数据，找出系统内全部物流数据，如表2所示。
表2第一类吸收式热泵系统的物流参数
根据问题表格法，当夹点温差为4℃时，找到
夹点：冷流温度30℃(1)，热流温度34℃(1)，对热
泵的换热网络进行优化分析，如图7所示。
对原换热网络进行分析，可发现原换热网络存
在以下不合理之处：
1)夹点之上，存在需要冷却的热物流日，、％、
飓、日4；
2)物流域跨越夹点传热。结合能源、经济现状
合理分析，选定调优后的热泵系统夹点温差为12℃，
此时夹点处冷热流体的温度分别为30℃和42℃，最小
公用工程加热、冷却负荷分别为1377．79kw、
咝墅辨岛爿等卫
124．58q曲善郦一“3；
，!124-(浓)——百r 80℃(浓)
150℃(鲍—一50℃(嚣2
H1
．一30℃(g)—_—■30℃(1)
113．44℃(稀) 65℃衙)一c4：
、⋯
万方数据
节能
ENERGY CONSERVA，n0N
2017年第2期
(总第413期)
1375．18kW。具体优化过程如下：
夹点之下，热物流风和哦各加一个冷凝器
c1和c2，功率分别为：33．12kw和1471．96kw。
由此可见，污水域物流可以带来巨大的热
量，如果能升高污水温度让其变到夹点之上能够产
生较好的收益。
夹点之上，在马和G之间，c2和飓、峨之
间，日，和c，之间分别加一个换热器，三者均能完
全匹配换热；马由99．36kW冷凝器冷却，c4由
1603．6kw加热器加热。由此可见，C4所需热量较
大，如果能与夹点之下的日6物流进行换热，可以
节省部分投资。优化后的换热网络如图8所示。
热物流：i42。℃ ，释蚴 H6 V
cl
冷物流：30℃
图8优化后的热泵系统换热网络
3换热温差对热泵夹点温度的影响分析
3．1第二类吸收式热泵系统夹点温度随温差的依
变关系
取夹点温差的范围为到，每间隔2℃取一个温
差，求取各温差下夹点位置"J，将各温差下求得的
夹点参数汇总，结果如表3所示。
夹点温度和公用工程负荷随夹点温差的变化
如图9所示。
3．2第一类吸收式热泵系统夹点温度随温差的依
变关系
一二类热泵的分析方法”1相同，经试算，与第
二类热泵选取相同的夹点温差范围不合适，于是将
夹点温差调整到O一30℃，每间隔4℃取一个计算
点，这时结果趋于正常，将各温差下求得的夹点参
数汇总，结果如表4所示。
表3夹点参数汇总
+夹点温度与夹点温差关系
夹点温差，℃
图9夹点温度、最小公用工程负荷随夹点
温差的变化关系
表4夹点参数汇总
≥
芒
框
斌
群
H
々
嘣
夹点温度和公用工程负荷随夹点温差的变化
规律如图lo所示。
万方数据
2017年第2期
(总第413期)
节能
ENERGY CONSERVATl0N
+夹点温差与夹点温度关系
+夹点温与最小工程负荷的关系
图10夹点温度与最小公用工程负荷随夹点
温差的变化关系
由图可知，对于第一类吸收式热泵，随夹点温
差的加大，夹点处冷流温度不变而热流温度逐渐升
高，因此夹点温度逐渐升高。
分析两类热泵夹点温度随夹点温差改变表现
出不同变化规律的原因，两类热泵的基本原理一
致，即工作在高低温热源之间，但第一类热泵工作
的温度区间要比第二类热泵大得多，高温和低温的
值都比第二类更高或更低，夹点位置处的冷热流温
差也比第二类大得多，这些都可能导致两类热泵表
现出不同的变化规律。
分析两类热泵最小公用工程负荷的曲线可知，
随夹点温差的增大，二者均有上升的趋势，这一结
果符合常识：夹点温差增大代表着换热器的换热温
差加大：一方面使得系统中可以换热的物流减少，
即回收利用的热量减少；另一方面换热过程中的损
失也将加大，同样使得公用工程负荷增加。
4结语
吸收式热泵系统的热力设计主要为了求取系
统内四大换热部件的热负荷和各节点的工质参数，
为后面的夹点分析做准备。夹点分析的目的在于
优化系统内的物流换热，减小公用工程负荷，从而
达到节约能源、提高热泵效率的目的。
在吸收式热泵系统的热力设计中，通过Matlab
软件编程和作图分析出cOP影响因素。第一类吸
收式热泵CoP影响因素包括：冷媒水进机温度及
温升、污水进机温度及温降；第二类吸收式热泵
coP影响因素包括：供热水出机温度、冷却水温、
溴化锂稀溶液在换热器的温降、余热水温度及温
降。
夹点分析可以对热泵系统的节能改造提出有
价值的建议，优化系统内的物流换热。在不同夹点
温差下，对系统进行夹点分析能发现：夹点温差的
选取对整个夹点分析起着至关重要的作用，选取合
适的夹点温差能使经济性指标最优化。夹点温差
的选取时要根据系统自身属性，结合经验确定大致
的温差范围，也可编程求取最合适的夹点温差。
参考文献
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2012．
[2]陈东，谢继红．热泵技术及其应用[M]．北京：化学工业
出版社，2005．
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作者简介：张兴(1994一)，男，山东蓬莱人，本科在读，专业
方向：能源与动力工程。
指导教师：王照亮(1971一)，男，山东单县人，博士，教授，
博士生导师，研究方向：能源与动力工程。
收稿日期：2016—11—09；修回日期：2017一01—06

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