太陽能輔助加熱技術(shù)在油田井組集輸中的應(yīng)用探討

鐘萍，馬云虎，尚利琴，王會(huì)軍，劉春林

（中國石油長慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川750006）

太陽能輔助加熱技術(shù)在油田井組集輸中的應(yīng)用探討

鐘萍，馬云虎，尚利琴，王會(huì)軍，劉春林

（中國石油長慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川750006）

受冬季氣溫低和原油品質(zhì)的影響，長慶油田原油的黏度大，流動(dòng)性差，在輸送過程中需要加熱與保溫。長慶油田具有豐富的太陽能資源，通過現(xiàn)場應(yīng)用橇裝式原油太陽能輔助加熱裝置有效保證了原油外輸溫度，杜絕了油井結(jié)蠟造成管線運(yùn)行不暢及凍堵現(xiàn)象的發(fā)生。太陽能實(shí)現(xiàn)了井組原油全年持續(xù)加熱，可直接節(jié)約電費(fèi)支出63.5萬元，降低了化石能源使用造成的環(huán)境污染，成為拓展長慶油田新能源應(yīng)用領(lǐng)域的重要舉措。

原油外輸；太陽能集熱；井組加熱；節(jié)能

長慶油田生產(chǎn)區(qū)域位于黃土高原，地形復(fù)雜，產(chǎn)出原油主要通過1 km～3 km長的單井管線匯集到各個(gè)增壓點(diǎn)站再集中外輸。原油黏度大，流動(dòng)性差，由于受冬季氣溫低和原油品質(zhì)的影響，原油中的蠟質(zhì)、膠質(zhì)物質(zhì)在低溫下會(huì)發(fā)生凝固或凝結(jié)，使原油的黏度增大，流動(dòng)性變差，造成單井輸油管線結(jié)蠟堵塞，不僅影響輸送效率；而且管線堵塞會(huì)使油井日回壓升高，抽油機(jī)負(fù)荷增大，嚴(yán)重影響原油產(chǎn)出并增加電機(jī)能耗。通常使用的解堵藥劑的添加和定期采用物理方法掃線的方法，不僅增加了材料和施工成本，而且增加了工作量。為了保證產(chǎn)區(qū)內(nèi)原油的正常生產(chǎn)和輸送，在輸送過程中必須對(duì)原油進(jìn)行加熱與保溫。

長期以來，油房莊油田采取燃燒套管氣、燒煤等方式，為井組原油加熱，提高輸送效率。受燃燒條件的影響，傳統(tǒng)加熱方式往往因?yàn)槿紵怀浞侄绊懠訜嵝Ч?，造成能源浪費(fèi)和環(huán)境污染。井場冬季晝夜點(diǎn)燃的加熱爐也為安全生產(chǎn)帶來隱患。

1　太陽能集熱技術(shù)應(yīng)用研究

1.1橇裝式原油太陽能輔助加熱系統(tǒng)簡介

1.1.1現(xiàn)場系統(tǒng)構(gòu)成現(xiàn)場系統(tǒng)由撬裝裝置（內(nèi)置換熱盤管保溫水箱、控制柜、循環(huán)泵組）、無機(jī)超導(dǎo)熱管集熱器陣列、連接管道三部分構(gòu)成（見圖1）。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　裝置遠(yuǎn)程拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

1.1.2遠(yuǎn)傳控制系統(tǒng)遠(yuǎn)傳控制系統(tǒng)由PLC控制柜、DTU（數(shù)據(jù)傳輸單元）、組態(tài)軟件、終端服務(wù)器構(gòu)成。撬裝式太陽能原油加熱控制系統(tǒng)通過對(duì)裝置的異地遠(yuǎn)程監(jiān)控、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)了設(shè)備現(xiàn)場無人值守、數(shù)字化平臺(tái)對(duì)接和廠商實(shí)時(shí)維護(hù)，形成了適合油田野外環(huán)境和數(shù)字化要求的高集成、高穩(wěn)定的自動(dòng)化控制系統(tǒng)（見圖2）。

1.1.3系統(tǒng)功能系統(tǒng)通過對(duì)傳感器信號(hào)的采集完成對(duì)撬裝式集熱水箱，循環(huán)泵，集熱器等硬件設(shè)備的自動(dòng)控制。該系統(tǒng)采用強(qiáng)制集熱循環(huán)方式將太陽能量以熱水方式保存至集熱水箱，實(shí)現(xiàn)對(duì)外輸原油的加熱。通過設(shè)置水箱溫度范圍，使原油溫度保持在一定溫度。

（1）加熱功能：系統(tǒng)全天候自動(dòng)保持水箱溫度在設(shè)定范圍內(nèi)，完成對(duì)原油的持續(xù)可控加溫。

（2）具有防凍功能和防過熱保護(hù)功能：保證系統(tǒng)在低溫環(huán)境中正常運(yùn)行，防止系統(tǒng)過熱，增加系統(tǒng)壽命。

（3）保護(hù)功能：設(shè)備故障自動(dòng)切換。當(dāng)水泵、電加熱等主要設(shè)備和傳感器故障時(shí)完成自動(dòng)切換和保護(hù)運(yùn)行。

（4）報(bào)警功能：系統(tǒng)運(yùn)行過程中對(duì)各個(gè)傳感器及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行自檢，及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，報(bào)警類型包括傳感器故障報(bào)警、低溫報(bào)警、過熱報(bào)警、低水位報(bào)警、泵故障報(bào)警。報(bào)警信息通過控制柜聲光報(bào)警和觸摸屏頁面提示蜂蜜器報(bào)警，并以短信形式通知設(shè)備管理人員。關(guān)鍵設(shè)備發(fā)生故障后系統(tǒng)在發(fā)出報(bào)警信息的同時(shí)采用自動(dòng)切換模式保障系統(tǒng)運(yùn)行，特殊情況下維護(hù)人員可通過遠(yuǎn)程對(duì)設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)控制，保證系統(tǒng)異常得到及時(shí)處理。

（5）手動(dòng)/自動(dòng)切換：系統(tǒng)各功能除均備有手動(dòng)控制方式，可以通過遠(yuǎn)程方式、控制柜上旋轉(zhuǎn)開關(guān)或者觸摸屏上的手動(dòng)/自動(dòng)按鈕來控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，手動(dòng)狀態(tài)下可以通過旋轉(zhuǎn)開關(guān)或者按鈕來控制設(shè)備的啟動(dòng)與停止。

1.2現(xiàn)場試驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，2011年-2013年在采油三廠油坊莊作業(yè)區(qū)8個(gè)井場完成了8套橇裝式原油太陽能輔助加熱裝置的設(shè)計(jì)安裝。

現(xiàn)場安裝的8臺(tái)橇裝式原油太陽能輔助加熱裝置基本配置2 100 mm×60 mm無機(jī)超導(dǎo)集熱管576支，理論上單日冬季集熱能力為1 135 MJ，為確保系統(tǒng)在最不利天氣狀態(tài)下的日產(chǎn)熱能力，采用了12 kW×4組（3用1備）輔助電加熱。

經(jīng)過夏季和冬季的連續(xù)測試，目前6臺(tái)設(shè)備運(yùn)行正常，集熱和原油加熱效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求，節(jié)能效果突出?，F(xiàn)場測試研究表明使用撬裝式太陽能輔助原油加熱裝置對(duì)外輸原油進(jìn)行全天候加溫，使冬季原油輸出溫度可保持在40℃以上，所需能源由太陽能集熱系統(tǒng)及輔助電加熱提供，系統(tǒng)達(dá)到高效配制，長效運(yùn)行，而全年不間斷的加熱輸油減小了管線的結(jié)蠟可能性和后端增壓加溫輸油的能源消耗，相應(yīng)提高原油產(chǎn)量，間接效益也較為明顯。

表1　太陽能集熱裝置安裝明細(xì)

2　效果評(píng)價(jià)

2.1理論計(jì)算

2.1.1監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)加熱爐測試及計(jì)算方法依據(jù)SY/T 6381-2008《加熱爐熱工測定》，太陽能輔助電加熱裝置效率按以下公式計(jì)算：

式中：ηT－太陽能集熱器效率，%；ΔQy－太陽能輔助電加熱裝置有效輸出熱能；QT－太陽輻射熱能。

2.1.2節(jié)能計(jì)算節(jié)能計(jì)算執(zhí)行SY/T 6422-2008《石油企業(yè)節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果測定》，節(jié)能率計(jì)算方法按以下公式計(jì)算：

式中：ξL－應(yīng)用節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能率，%；B1-應(yīng)用節(jié)能產(chǎn)品前的有效輸出熱量單耗；B2-應(yīng)用節(jié)能產(chǎn)品后的有效輸出熱量單耗。

2.2測試結(jié)果

節(jié)能量計(jì)算詳見綜合計(jì)算表，表中數(shù)據(jù)計(jì)算條件如下：

（1）橇裝式原油太陽能輔助加熱裝置設(shè)置成自動(dòng)模式下進(jìn)行測試。

（2）測試期間白天平均風(fēng)速為7 m/s，白天平均氣溫5℃，冬季太陽光照時(shí)間按8 h/d，夏季太陽光照時(shí)間按12 h/d計(jì)算。

（3）該裝置原油進(jìn)出口溫度以遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)采集為準(zhǔn)，井場產(chǎn)液量及含水以現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

表2　綜合數(shù)據(jù)計(jì)算表

表3　撬裝式原油太陽能輔助電加熱裝置

（4）冬季時(shí)間以5個(gè)月計(jì)算，夏季時(shí)間以7個(gè)月計(jì)算；1 kW·h電量以0.404 kg標(biāo)煤計(jì)算。

將裝置設(shè)置成自動(dòng)模式下，測試了現(xiàn)場6個(gè)正常運(yùn)行中的橇裝式原油太陽能輔助加熱裝置，6臺(tái)裝置運(yùn)行時(shí)出口原油平均溫度達(dá)到49.3℃，平均加熱效率38.1%，平均日節(jié)電量為450 kW·h，計(jì)算結(jié)果平均日節(jié)省標(biāo)煤181.76 kg，年平均節(jié)省標(biāo)煤66.34 t。其中清華陽光安裝的2臺(tái)裝置年平均節(jié)省標(biāo)煤65.07 t，長慶油田油氣院安裝的4臺(tái)裝置年平均節(jié)省標(biāo)煤66.98 t。

按照1 kW·h工業(yè)電費(fèi)0.645元計(jì)算，6臺(tái)裝置日節(jié)約電費(fèi)1 741元，相比原來的加熱方式，橇裝式原油太陽能輔助加熱裝置全年可直接節(jié)約電費(fèi)支出63.5萬元。達(dá)到了很好的節(jié)能效果。

3　結(jié)論

（1）長慶油氣區(qū)太陽能資源豐富，且對(duì)清潔能源的需求緊迫，太陽能技術(shù)成熟度高，推廣應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)是可行的。

（2）太陽能輔助加熱系統(tǒng)在低成本條件下實(shí)現(xiàn)了對(duì)井組外輸原油的全年持續(xù)加熱，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了異地遠(yuǎn)程監(jiān)控、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場無人執(zhí)守，是適應(yīng)油田野外環(huán)境應(yīng)用的高集成、高穩(wěn)定性系統(tǒng)。

（3）太陽能輔助加熱技術(shù)的應(yīng)用是油田降低能源消耗、提高經(jīng)濟(jì)效益的可行性舉措，該技術(shù)可進(jìn)一步降低常規(guī)能源消耗，減少碳排放，為長慶油田低碳綠色發(fā)展開辟了一條新途徑。

（4）該加熱系統(tǒng)可有效防止油管結(jié)蠟，與傳統(tǒng)加藥和電加熱油管相比，成本低廉，操作簡單，具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］范玉平.太陽能節(jié)能技術(shù)在油田的應(yīng)用［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)，2005，27（3）：568-569.

［2］賈慶仲.太陽能在石油輸送中的應(yīng)用研究［J］.太陽能學(xué)報(bào)，2004，25（4）：483－487.

［3］楊會(huì)豐.太陽能集熱技術(shù)在油田井組集輸系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗(yàn)分析［J］.石油石化節(jié)能，2012，（2）：45-49.

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.06.015

TE832.4

B

1673-5285（2015）06-0052-04

2015－04-07

鐘萍（1988－），2010年畢業(yè)于西南石油大學(xué)，油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，現(xiàn)為長慶油田采油三廠油房莊作業(yè)區(qū)技術(shù)室工程技術(shù)員，助理工程師。