申请日2017.03.13
公开(公告)日2017.07.07
IPC分类号F25B30/06; F04B35/00
摘要
本发明公开了一种油田污水源内燃发动机驱动压缩式热泵机组，该热泵机组包括压缩机、变速箱、内燃发动机、烟气锅炉、第一换热器、第二换热器、冷凝器、蒸发器、油分离器、油粗过滤器、油冷却器、油泵、油精过滤器、以及油分配座。本发明的热泵机组因地制宜，充分考虑到油田一般地处偏远，用电扩容困难，而含有大量原油和油田伴生气资源，利用油田采出含油污水作为低温热源，内燃发动机直接驱动的压缩式污水源热泵机组回收油田含油污水余热，通过热泵技术置换出高品位热源，取代常规加热设备，提高油田原油商品量，具有极大的经济效益和社会效益。
摘要附图
权利要求书
1.一种油田污水源内燃发动机驱动压缩式热泵机组，其特征在于：包括压缩机(1)、变速箱(2)、内燃发动机(3)、烟气锅炉(4)、第一换热器(5)、第二换热器(6)、冷凝器(7)、蒸发器(9)、油分离器(10)、油粗过滤器(11)、油冷却器(12)、油泵(13)、油精过滤器(14)、以及油分配座(15);
所述内燃发动机(3)上设置有燃料进口(3.1)，所述内燃发动机(3)的动力输出端通过变速箱(2)与所述压缩机(1)的动力输入端连接;所述压缩机(1)的油气出口(1.2)与所述油分离器(10)的油气进口(10.1)连接，所述油分离器(10)的工质气出口(10.2)与所述冷凝器(7)的第一工质进口(7.5)连接，所述冷凝器(7)的第一工质出口(7.9)与所述蒸发器(9)的蒸发器工质进口(9.3)连接，所述蒸发器(9)的工质蒸气出口(9.4)与所述压缩机(1)的工质蒸气进口(1.1)连接，所述蒸发器(9)上还设置有用于供油田回注水进入的高温水进口(9.1)、以及用于供热交换后的油田回注水流出的低温水出口(9.2);
所述油分离器(10)的润滑油出口(10.3)与所述油粗过滤器(11)的油进口连接，所述油粗过滤器(11)的油出口与所述油冷却器(12)的高温粗滤油进口(12.3)连接，所述油冷却器(12)的低温粗滤油出口(12.4)通过油泵(13)与所述油精过滤器(14)的油进口连接，所述油精过滤器(14)的油出口与所述油分配座(15)的油进口连接，所述油分配座(15)的油出口与所述压缩机(1)的润滑油进口(1.3)连接;
所述内燃发动机(3)的高温机油出口(3.3)与所述第一换热器(5)的高温机油进口(5.1)连接，所述第一换热器(5)的低温机油出口(5.2)与内燃发动机(3)的低温机油进口(3.4)连接;所述冷凝器(7)的第二工质出口(7.8)与第一换热器(5)的第一换热器工质进口(5.3)连接，所述第一换热器(5)的第一换热器工质出口(5.4)与冷凝器(7)的第二工质进口(7.4)连接;
所述内燃发动机(3)的高温缸套水出口(3.5)与所述第二换热器(6)的高温缸套水进口(6.1)连接，所述第二换热器(6)的低温缸套水出口(6.2)与所述内燃发动机(3)的低温缸套水进口(3.6)连接;所述冷凝器(7)的第三工质出口(7.7)与所述第二换热器(6)的第二换热器工质进口(6.3)连接，所述第二换热器(6)的第二换热器工质出口(6.4)与冷凝器(7)的第三工质进口(7.3)连接;
所述冷凝器(7)上还设置有供油田掺输水进入的热水进口(7.1)，所述冷凝器(7)的热水出口(7.2)与烟气锅炉(4)的锅炉水进口(4.3)连接，所述烟气锅炉(4)上设置有锅炉水出口(4.4);所述内燃发动机(3)的高温烟气出口(3.2)与所述烟气锅炉(4)的高温烟气进口(4.1)连接，所述烟气锅炉(4)上还设置有低温烟气出口(4.2)。
2.根据权利要求1所述的油田污水源内燃发动机驱动压缩式热泵机组，其特征在于：所述冷凝器(7)的第四工质出口(7.10)与所述油冷却器(12)的油冷却器工质进口(12.1)连接，所述油冷却器(12)的油冷却器工质出口(12.2)与冷凝器(7)的第四工质进口(7.6)连接。
3.根据权利要求2所述的油田 污水源内燃发动机驱动压缩式热泵机组，其特征在于：所述冷凝器(7)的第一工质出口(7.9)与蒸发器(9)的蒸发器工质进口(9.3)之间的管路上设置有节流阀(8)。
4.根据权利要求3所述的油田污水源内燃发动机驱动压缩式热泵机组，其特征在于：所述冷凝器(7)的第二工质出口(7.8)与第一换热器(5)的第一换热器工质进口(5.3)的管路上设置有第一流量调节阀(16);所述冷凝器(7)的第三工质出口(7.7)与所述第二换热器(6)的第二换热器工质进口(6.3)之间的管路上设置有第二流量调节阀(17);所述冷凝器(7)的第四工质出口(7.10)与所述油冷却器(12)的油冷却器工质进口(12.1)之间的管路上设置有第三流量调节阀(18)。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的油田污水源内燃发动机驱动压缩式热泵机组，其特征在于：所述内燃发动机(3)的燃料进口(3.1)输入的燃料为油田伴生气、天然气或原油中的一种。
6.根据权利要求1或2或3或4所述的油田污水源内燃发动机驱动压缩式热泵机组，其特征在于：所述冷凝器(7)为管壳式冷凝器，所述冷凝器(7)的换热管材为不锈钢、双相不锈钢、钛或者镍铜中的一种。
7.根据权利要求6所述的油田污水源内燃发动机驱动压缩式热泵机组，其特征在于：所述蒸发器(9)为管壳式蒸发器，所述蒸发器(9)的换热管材为不锈钢、双相不锈钢、钛或者镍铜中的一种。
8.根据权利要求1或2或3或4所述的油田污水源内燃发动机驱动压缩式热泵机组，其特征在于：所述第一换热器(5)和第二换热器(6)均为板式换热器。
9.根据权利要求1或2或3或4所述的油田污水源内燃发动机驱动压缩式热泵机组，其特征在于：所述油冷却器(12)为板式冷却器。
说明书
油田污水源内燃发动机驱动压缩式热泵机组
技术领域
本发明涉及油田含油污水余热回收领域，具体地指一种油田污水源内燃发动机驱动压缩式热泵机组。
背景技术
目前我国各油田基本都采用注水开采的方式，且大部分都已进入开采的中后期，采出液的含油率仅为10%～30%，而含水率则达到70%～90%，甚至更高。合格原油允许含水率为0.5%以下，因此油田原油在外输或外运之前要求必须将水脱出，这样在油田生产过程中就产生了大量的30～60℃的低温含油污水。
一方面，据测算“十二五”期间油田采出水量约13.6×108m3，按照10×108m3采出水、温度平均下降10℃、回收利用效率80%计算，那么可回收利用的热能约为115万吨标准煤，但目前这些污水余热资源绝大部分都没能被回收利用。
另一方面，原油生产、外输以及站区生活供热等都需要大量的热能，目前主要的加热方式为燃油燃气水套加热炉的形式。截止2013年，仅中国石油用于油田工艺和采暖加热的锅炉就达到1800余台、加热炉12000台左右，这些加热设备每年热力消耗需要的能源超过800万吨标煤。燃油燃气水套加热炉是采用燃烧高品位一次能源获得低品位热能，能源利用效率低80%左右、运行成本高、安全问题严重，同时还产生大气污染和温室气体排放。
因此，以原油集输处理、管线伴热等生产用热和站内采暖辅助用热为实施对象，利用油田采出含油污水作为低温热源，通过热泵技术置换出高品位热源，取代常规加热设备，节约原油、天然气等常规化石燃料消耗，提高油田原油商品量，具有极大的经济效益和社会效益。
现有的技术主要存在如下不足：(1)采用电驱动热泵，油田通常地处偏远，电力容量有限，额外扩容增加输配电网投资;(2)采用吸收式热泵，其能效比一般不超过2，经济效益不高;(3)采用中间循环清水换热，这增加了换热器和循环泵，使系统变得复杂，增加系统成本和占地面积，且存在中间换热温差，降低了机组综合效率。因此充分考虑油田现有条件，采用更简洁、更经济、更高效的技术方案回收大量油田含油污水余热，是我国建设节能社会减少碳排放所急需的。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种油田污水源内燃发动机驱动压缩式热泵机组，该热泵机组利用内燃发动机直接驱动压缩机，并高效回收发动机烟气、缸套水、机油余热，构成独立分布式能源系统，高效经济的回收我国大量油田含油污水余热，极大提高一次能源利用效率。
为实现上述目的，本发明所设计的油田污水源内燃发动机驱动压缩式热泵机组，包括压缩机、变速箱、内燃发动机、烟气锅炉、第一换热器、第二换热器、冷凝器、蒸发器、油分离器、油粗过滤器、油冷却器、油泵、油精过滤器、以及油分配座;
所述内燃发动机上设置有燃料进口，所述内燃发动机的动力输出端通过变速箱与所述压缩机的动力输入端连接;所述压缩机的油气出口与所述油分离器的油气进口连接，所述油分离器的工质气出口与所述冷凝器的第一工质进口连接，所述冷凝器的第一工质出口与所述蒸发器的蒸发器工质进口连接，所述蒸发器的工质蒸气出口与所述压缩机的工质蒸气进口连接，所述蒸发器上还设置有用于供油田回注水进入的高温水进口、以及用于供热交换后的油田回注水流出的低温水出口;
所述油分离器的润滑油出口与所述油粗过滤器的油进口连接，所述油粗过滤器的油出口与所述油冷却器的高温粗滤油进口连接，所述油冷却器的低温粗滤油出口通过油泵与所述油精过滤器的油进口连接，所述油精过滤器的油出口与所述油分配座的油进口连接，所述油分配座的油出口与所述压缩机的润滑油进口连接;
所述内燃发动机的高温机油出口与所述第一换热器的高温机油进口连接，所述第一换热器的低温机油出口与内燃发动机的低温机油进口连接;所述冷凝器的第二工质出口与第一换热器的第一换热器工质进口连接，所述第一换热器的第一换热器工质出口与冷凝器的第二工质进口连接;
所述内燃发动机的高温缸套水出口与所述第二换热器的高温缸套水进口连接，所述第二换热器的低温缸套水出口与所述内燃发动机的低温缸套水进口连接;所述冷凝器的第三工质出口与所述第二换热器的第二换热器工质进口连接，所述第二换热器的第二换热器工质出口与冷凝器的第三工质进口连接;
所述冷凝器上还设置有供油田掺输水进入的热水进口，所述冷凝器的热水出口与烟气锅炉的锅炉水进口连接，所述烟气锅炉上设置有锅炉水出口;所述内燃发动机的高温烟气出口与所述烟气锅炉的高温烟气进口连接，所述烟气锅炉上还设置有低温烟气出口。
进一步地，所述冷凝器的第四工质出口与所述油冷却器的油冷却器工质进口连接，所述油冷却器的油冷却器工质出口与冷凝器的第四工质进口连接。
进一步地，所述冷凝器的第一工质出口与蒸发器的蒸发器工质进口之间的管路上设置有节流阀，这样可以通过节流阀调节回路工质流量来控制工质温度满蒸发器的要求，实现工质的主循环利用。
进一步地，所述冷凝器的第二工质出口与第一换热器的第一换热器工质进口的管路上设置有第一流量调节阀，这样可以通过第一流量调节阀调节回路工质流量来控制机油温度满足发动机要求，实现发动机机油余热的回收。
进一步地，所述冷凝器的第三工质出口与所述第二换热器的第二换热器工质进口之间的管路上设置有第二流量调节阀，这样可以通过第二流量调节阀调节回路工质流量来控制缸套水温度满足发动机要求，实现发动机缸套水余热的回收。
进一步地，所述冷凝器的第四工质出口与所述油冷却器的油冷却器工质进口之间的管路上设置有第三流量调节阀，这样可以通过第三流量调节阀调节回路工质流量来控制润滑油温度满足压缩机要求，实现压缩机润滑油余热的回收。
进一步地，所述内燃发动机的燃料进口输入的燃料为油田伴生气、天然气或原油中的一种。这样，因地制宜，充分考虑到油田一般地处偏远，用电扩容困难，而含有大量原油和油田伴生气资源，充分考虑了油田现有条件，使得资源利用最大化。
进一步地，所述冷凝器为管壳式冷凝器，所述冷凝器的换热管材为不锈钢、双相不锈钢、钛或者镍铜中的一种。这样，选用耐腐蚀换热材料，使含油污水直接进入蒸发器换热，避免中间换热，使机组更加简洁、经济。
进一步地，所述蒸发器为管壳式蒸发器，所述蒸发器的换热管材为不锈钢、双相不锈钢、钛或者镍铜中的一种。这样，选用耐腐蚀换热材料，使含油污水直接进入蒸发器换热，避免中间换热，使机组更加简洁、经济，热泵机组综合能效比达到5以上。
再进一步地，所述第一换热器和第二换热器均为板式换热器。这是因为板式换热器具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、应用广泛、使用寿命长等优点，热回收率可高达90%以上。
更进一步地，所述油冷却器为板式冷却器。这是因为板式冷却器是由具有一定波纹形状的金属片叠装而成的高效换热器，各种板片之间形成薄矩形通道，通过板片进行热量交换，它与常规的管壳式换热器相比，在相同的流动阻力和泵功率消耗情况下，其传热系数要高。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
其一，本发明的热泵机组因地制宜，充分考虑到油田一般地处偏远，用电扩容困难，而含有大量原油和油田伴生气资源，利用油田采出含油污水作为低温热源，内燃发动机直接驱动的压缩式污水源热泵机组回收油田含油污水余热，通过热泵技术置换出高品位热源，取代常规加热设备，提高油田原油商品量，具有极大的经济效益和社会效益。
其二，本发明的热泵机组通过设计了发动机机油余热回收系统、发动机烟气余热回收系统、发动机缸套水余热回收系统，回收了机油余热和烟气余热、发动机缸套水，并选用耐腐蚀换热材料，使含油污水直接进入蒸发器、冷凝器换热，避免中间换热，使机组更加简洁、经济，热泵机组综合能效比达到5以上。
其三，本发明的热泵机组设计了压缩机润滑油循环回路系统和压缩机润滑油余热回收系统，回收了润滑油的余热，进一步提高了热泵机组的能源回收利用。
