一种基于地源热泵的油气田热能交换系统
阅读说明：本技术 一种基于地源热泵的油气田热能交换系统 (Oil-gas field heat energy exchange system based on ground source heat pump ) 是由 李姝璇 黄坤 陈利琼 常泰 彭瑀 张开 许铎 陆镜羊 于 2021-09-01 设计创作，主要内容包括：本发明涉及热能交换技术领域,尤其涉及一种基于地源热泵的油气田热能交换系统,系统包括压缩机热能储集模块和地源联合压缩机热能供热模块。地源联合压缩机热能供热模块包括集热端和释热端；集热端包括地源热源回路和压缩机热源回路；释热端包括储油罐加热回路和自定义使用端回路。本发明将油气田天然气压缩过程中产生的热量存储在地层中,或者用于油气田加热储油罐的加热工作,同时增加自定义使用端回路,用于满足油气田日常用热需求。充分利用油气田天然气压缩过程中产生的热量,系统的安装布局简单,换热器二亦可利用油气田已经开发的废弃油气井进行二次开发,实现油气田经济的最大开发,系统管线浅埋地层,安全可靠性高,拥有良好应用前景。(The invention relates to the technical field of heat energy exchange, in particular to an oil-gas field heat energy exchange system based on a ground source heat pump. The ground source combined compressor heat energy heat supply module comprises a heat collection end and a heat release end; the heat collection end comprises a ground source heat source loop and a compressor heat source loop; the heat release end comprises an oil storage tank heating loop and a user-defined using end loop. The invention stores the heat generated in the natural gas compression process of the oil and gas field in the stratum or is used for heating the oil storage tank heated by the oil and gas field, and meanwhile, a user-defined using end loop is added to meet the daily heat demand of the oil and gas field. The heat that produces among the make full use of oil gas field natural gas compression process, the installation overall arrangement of system is simple, and the heat exchanger II also can utilize the abandonment oil gas well that the oil gas field has been developed to carry out secondary development, realizes the biggest development of oil gas field economy, and the shallow stratum that buries of system's pipeline, fail safe nature is high, has good application prospect.)
技术领域
本发明涉及热能交换技术技术领域，尤其涉及一种基于地源热泵的油气田热能交换系统。
背景技术
随着我国石化工业的蓬勃发展，石化工业的能源消耗量与日俱增，伴随着我国工业体系进步的同时，发展与环境的冲突愈演愈烈，目前国际上所呼吁的“碳达峰”与“碳中和”两座大山更是对我国石化工业体系构成严峻的挑战，如何将低碳节能与高效生产良好结合是急需解决的问题。有关数据显示，我国油气田站场建筑能耗在油气工业总能耗中占到30％以上，而油库供热能耗占油气田站场建筑能耗的50％～70％。值得注意的是，油气田站场每年都会释放大量的热能，特别是在天然气压缩作业时，压缩膨胀气体释放大量热能，热能浪费极其严重。现有的油气田油库中油罐供热会消耗大量的能量，而现用供热、供暖、供冷装置大多存在能源利用效率低，浪费严重，以及存在安全隐患等问题，与此同时大量化石能源消耗会加重碳排放。
在能源与环境问题受到全球普遍关注的今天，传统的供能系统显然已无法满足要求。而建立利用可再生能源的清洁、高效、科学的供能系统是提高能源利用效率、节约能源、降低污染的有效途径。基于地源热泵的油气田热能交换系统被认为是目前较为合理的且可同时实现油罐供热、供冷及站场生活供能的有效途径。
地源热泵系统利用地球表面浅层地热资源(通常小于400米深)作为冷热源，进行能量转换并供热，属可再生能源利用技术，以其高效、清洁环保和利用可再生能源的优点在近年来得到迅速发展。地表浅层地热资源(地能)是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了约47％的太阳能量，超过人类每年利用能量的500倍，且不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。且地源热泵系统起步较晚，特别是在石化工业领域还没有得到实质性的应用，为此基于地源热泵技术的油气田热能交换系统前景非常可观。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，提出一种基于地源热泵的油气田热能交换系统。本发明将油气田天然气压缩过程中产生的热量存储在地层中，或者用于油气田加热储油罐的加热工作，同时增加自定义使用端回路，用于满足油气田日常用热需求。充分利用油气田天然气压缩过程中产生的热量，系统的安装布局简单，换热器二亦可利用油气田已经开发的废弃油气井进行二次开发，实现油气田经济的最大开发，系统管线大多浅埋地层，安全可靠性高，拥有良好的应用前景。
本发明提出一种基于地源热泵的油气田热能交换系统，系统包括压缩机热能储集模块和地源联合压缩机热能供热模块。压缩机热能储集模块包括天然气压缩机组、加压水泵一、控制阀一、换热器一、控制阀二、加压水泵二、控制阀三、加压水泵三、1号地源热泵机组、控制阀四、控制阀五、加压水泵四和换热器二；换热器一的出口与控制阀一、加压水泵一以及天然气压缩机组的入口通过管路顺次连接；天然气压缩机组的出口与换热器一的入口通过管路连接形成回路；1号地源热泵机组的蒸发端由换热器一、加压水泵三、控制阀三、控制阀二以及加压水泵二通过管路顺次连接形成蒸发回路；1号地源热泵机组的冷凝端由换热器二、控制阀四、控制阀五以及加压水泵四通过管路顺次连接形成冷凝回路。地源联合压缩机热能供热模块包括集热端和释热端；集热端包括地源热源回路和压缩机热源回路；释热端包括储油罐加热回路和自定义使用端回路。地源热源回路由换热器二、控制阀六、2号地源热泵机组、控制阀七和加压水泵五通过管路顺次连接组成。压缩机热源回路由换热器一、加压水泵三、控制阀六、2号地源热泵机组、加压水泵六、控制阀二和加压水泵二通过管路顺次连接组成。储油罐加热回路由储油罐加热罐组、控制阀八、2号地源热泵机组、控制阀九、加压水泵七、控制阀十、控制阀十一、控制阀十二、加压水泵八、加压水泵九和加压水泵十通过管路顺次连接组成。自定义使用端回路由自定义使用端、控制阀八、2号地源热泵机组、控制阀九、加压水泵七、控制阀十三和加压水泵十一通过管路顺次连接组成。自定义使用端回路可用于油气田现场的多种热能需要，例如热水的使用，将热能的使用多样化，可满足油气田现场工作日常用热需求。
优选的，储油罐加热罐组由若干加热储油罐组成，具体数量根据油气田储油量决定。
优选的，储油罐加热罐组包含1号加热储油罐、2号加热储油罐和3号加热储油罐，为并联结构。
优选的，储油罐加热罐组的管路铺设为回型结构，充分将管线中水的热能与储油罐加热罐组交换，达到保温储油的作用。
优选的，压缩机热能储集模块以管线中的水为介质，将天然气压缩机组产生的热能转移到换热器一中，再通过1号地源热泵机组中液态工质的蒸发与冷凝，以管线中的水为介质，将热能输送到换热器二，并将热能储集在地层中备用，节约热能资源。
优选的，换热器二埋于地层，采用垂直结构充分与地层接触，可充分利用油气田已经开发的废弃油气井，进行二次开发为换热器二，埋地管线数量可由天然气压缩机组产生的热能决定，避免热能的浪费。
优选的，1号地源热泵机组和2号地源热泵机组均由压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀四部分组成，通过让液态工质(制冷剂或冷媒)完成蒸发、压缩、冷凝、节流、再蒸发的不断循环，从而将环境里的热量转移到水中，将天然气压缩过程中产生的热量存储在地层，或者用于油气田加热储油罐与日常用热。
优选的，管线采用浅埋地层的线路布置方案，管线的安全可靠性与使用寿命显著提升，亦可减少外部环境对管线及管线内部传热介质的干扰。
与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：
本发明将油气田天然气压缩过程中产生的热量存储在地层中，或者用于油气田加热储油罐的加热工作，同时增加自定义使用端回路，用于满足油气田日常用热需求。充分利用油气田天然气压缩过程中产生的热量，系统的安装布局简单，换热器二亦可利用油气田已经开发的废弃油气井进行二次开发，实现油气田经济的最大开发，系统管线大多浅埋地层，安全可靠性高，拥有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明一种实施例的结构框图；
图2为本发明一种实施例中管线的结构示意图。
附图标记：1、换热器二；3、换热器一；4、天然气压缩机组；5、自定义使用端；6、储油罐加热罐组；61、1号加热储油罐；62、2号加热储油罐；63、 3号加热储油罐；10、加压水泵十一；14、控制阀十三；15、控制阀一；21、1 号地源热泵机组；22、2号地源热泵机组；83、加压水泵一；114、控制阀二； 82、加压水泵二；113、控制阀三；81、加压水泵三；111、控制阀四；112、控制阀五；71、加压水泵四；121、控制阀六；122、控制阀七；72、加压水泵五； 81、加压水泵三；121、控制阀六；84、加压水泵六；114、控制阀二；82、加压水泵二；123、控制阀八；124、控制阀九；91、加压水泵七；131、控制阀十； 132、控制阀十一；133、控制阀十二；92、加压水泵八；93、加压水泵九；94、加压水泵十；123、控制阀八；124、控制阀九；91、加压水泵七。
具体实施方式
如图1-2所示，本发明提出的一种基于地源热泵的油气田热能交换系统，系统包括压缩机热能储集模块和地源联合压缩机热能供热模块。压缩机热能储集模块包括天然气压缩机组4、加压水泵一83、控制阀一15、换热器一3、控制阀二114、加压水泵二82、控制阀三113、加压水泵三81、1号地源热泵机组 21、控制阀四111、控制阀五112、加压水泵四71和换热器二1；换热器一3的出口与控制阀一15、加压水泵一83以及天然气压缩机组4的入口通过管路顺次连接；天然气压缩机组4的出口与换热器一3的入口通过管路连接形成回路；1 号地源热泵机组21的蒸发端由换热器一3、加压水泵三81、控制阀三113、控制阀二114以及加压水泵二82通过管路顺次连接形成蒸发回路；1号地源热泵机组21的冷凝端由换热器二1、控制阀四111、控制阀五112以及加压水泵四 71通过管路顺次连接形成冷凝回路。地源联合压缩机热能供热模块包括集热端和释热端；集热端包括地源热源回路和压缩机热源回路；释热端包括储油罐加热回路和自定义使用端回路。地源热源回路由换热器二1、控制阀六121、2号地源热泵机组22、控制阀七122和加压水泵五72通过管路顺次连接组成。压缩机热源回路由换热器一3、加压水泵三81、控制阀六121、2号地源热泵机组22、加压水泵六84、控制阀二114和加压水泵二82通过管路顺次连接组成。储油罐加热回路由储油罐加热罐组6、控制阀八123、2号地源热泵机组22、控制阀九124、加压水泵七91、控制阀十131、控制阀十一132、控制阀十二133、加压水泵八92、加压水泵九93和加压水泵十94通过管路顺次连接组成。自定义使用端回路由自定义使用端5、控制阀八123、2号地源热泵机组22、控制阀九124、加压水泵七91、控制阀十三14和加压水泵十一10通过管路顺次连接组成。自定义使用端回路可用于油气田现场的多种热能需要，例如热水的使用，将热能的使用多样化，可满足油气田现场工作日常用热需求。
进一步的，储油罐加热罐组6由若干加热储油罐组成，具体数量根据油气田储油量决定。
进一步的，储油罐加热罐组6包含1号加热储油罐61、2号加热储油罐62 和3号加热储油罐63，为并联结构。
进一步的，储油罐加热罐组6的管路铺设为回型结构，充分将管线中水的热能与储油罐加热罐组6交换，达到保温储油的作用。
进一步的，压缩机热能储集模块以管线中的水为介质，将天然气压缩机组4 产生的热能转移到换热器一3中，再通过1号地源热泵机组21中液态工质的蒸发与冷凝，以管线中的水为介质，将热能输送到换热器二1，并将热能储集在地层中备用，节约热能资源。
进一步的，换热器二1埋于地层，采用垂直结构充分与地层接触，可充分利用油气田已经开发的废弃油气井，进行二次开发为换热器二1，埋地管线数量可由天然气压缩机组4产生的热能决定，避免热能的浪费。
进一步的，1号地源热泵机组21和2号地源热泵机组22均由压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀四部分组成，通过让液态工质(制冷剂或冷媒)完成蒸发、压缩、冷凝、节流、再蒸发的不断循环，从而将环境里的热量转移到水中，将天然气压缩过程中产生的热量存储在地层，或者用于油气田加热储油罐与日常用热。
进一步的，管线采用浅埋地层的线路布置方案，管线的安全可靠性与使用寿命显著提升，亦可减少外部环境对管线及管线内部传热介质的干扰。
本发明中1号地源热泵机组21的主要作用是将天然气压缩机组4工作时产生大量热能，将多余的热能通过机组传入地层中储存，此时天然气压缩机组4的热能集中传递到换热器一3中换热，作为1号地源热泵机组21的高温热源。
本发明中2号地源热泵机组22的主要作用是将天然气压缩机组4工作时产生热能的一部分直接作为高温热源，设计为压缩机热源，由换热器一3、加压水泵三81、控制阀六121、2号地源热泵机组22、加压水泵六84、控制阀二 114和加压水泵二82通过管路顺次连接组成，将热能传递至储油罐加热端回路与自定义使用端回路。
本发明2号地源热泵机组22的另一个作用是，当天然气压缩机组4停止运作时，换热器一3不再充当2号地源热泵机22的高温热源，通过地源热源回路由换热器二1、控制阀六121、2号地源热泵机组22、控制阀七122和加压水泵五72顺次连接，将底层中的热能作为高温热源，此时地层是2号地源热泵机组 22的高温热源，设计为地源热源，最终将热能传递至储油罐加热端回路与自定义使用端回路。
本发明将油气田天然气压缩过程中产生的热量存储在地层中，或者用于油气田加热储油罐的加热工作，同时增加自定义使用端回路，用于满足油气田日常用热需求。充分利用油气田天然气压缩过程中产生的热量，系统的安装布局简单，换热器二1亦可利用油气田已经开发的废弃油气井进行二次开发，实现油气田经济的最大开发，系统管线大多浅埋地层，安全可靠性高，拥有良好的应用前景。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下还可以作出各种变化。
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