偏遠單井太陽能綜合利用技術(shù)應(yīng)用

趙德銀（中國石化西北油田分公司）

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偏遠單井太陽能綜合利用技術(shù)應(yīng)用

趙德銀（中國石化西北油田分公司）

西北油田分公司塔河油田地處戈壁地區(qū)，偏遠單井地面配套建設(shè)難度大。西北油田分公司首次在偏遠單井提出了太陽能綜合利用技術(shù)。通過現(xiàn)場應(yīng)用表明，在2014年4—10月井場光伏發(fā)電系統(tǒng)和原油加熱系統(tǒng)可滿足井場用電及原油加熱需求，2013年11月—2015年3月，在光伏發(fā)電和柴油發(fā)電互補以及太陽能加熱原油和天然氣加熱原油互補的情況下可滿足井場用電及原油加熱需求。

太陽能加熱原油發(fā)電單井綜合利用

新疆太陽能資源尤為豐富，全年日照時數(shù)為2550～3500 h，年輻射照度總量比我國同緯度地區(qū)高10%～5%，比長江中下游地區(qū)高15%～25%。全年日照大于6 h的有250～325天，日照氣溫高于10℃的普遍在150天以上。新疆荒漠戈壁的土地面積每年接受的太陽輻射能相當(dāng)于4000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤［1］。因此，西北油田分公司根據(jù)偏遠單井所處地區(qū)地理位置、光照強度，提出了單井太陽能發(fā)電-加熱原油綜合利用技術(shù)。

1　單井生產(chǎn)情況

示范單井（簡稱為P1井），位于塔河阿探片區(qū)，距塔河油田采油一廠52 km，周邊沒有電網(wǎng)，離塔河電網(wǎng)或地方電網(wǎng)最近距離約為18 km。

2014年，P1井平均產(chǎn)液50 t/d，產(chǎn)氣700 m3/d，具體物性見表1。

表1　P1井原油物性

由于P1井離周邊接轉(zhuǎn)站輸送距離大于15 m，單井采用拉油流程，由于原油含蠟量較高，黏度較大，為保障采出液在拉運過程保持較好的流動性和減少結(jié)蠟，春、冬季加熱爐出口溫度為45℃，夏、秋季加熱爐出口溫度為35℃。

2　技術(shù)原理與應(yīng)用

2.1太陽能發(fā)電技術(shù)

2.1.1單井用電情況

示范井場用電主要包括生產(chǎn)和生活用電2部分，最大功率不超過23 kW。用電負荷明細見表2。

2.1.2井場光伏發(fā)電系統(tǒng)

P1井場光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由多晶硅電池板陣列、并網(wǎng)逆變器、雙向逆變器、15 kW柴油發(fā)電機、并聯(lián)控制器、蓄電池組、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、通訊監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成（圖1）。

光伏陣列主要將太陽能轉(zhuǎn)為電能，輸出為680 V直流電源。每個陣列由20塊多晶硅電池板組成，每塊電池板功率為230 Wp，整個系統(tǒng)共180塊，共計41.4 kWp。

表2　示范井場用電負荷

圖1　光伏發(fā)電主要結(jié)構(gòu)

并網(wǎng)逆變器主要將多晶硅電池板陣列產(chǎn)生直流電源轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯庸┴撦d使用的380/220 V交流電源。

雙向逆變器主要作用是當(dāng)蓄電池組需充電時將交流電源轉(zhuǎn)化為直流電源，當(dāng)蓄電池組需放電時可將直流電源轉(zhuǎn)化為交流電源。

并聯(lián)控制器主要作用為檢測并自動控制多晶硅電池板、蓄電池組、柴油發(fā)電機等各設(shè)備的運行狀態(tài)，達到為負載提供可靠電源的目的。

小型柴油發(fā)電機主要為在冬季或天氣光照條件不足時作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的補充備用電源。

蓄電池組主要作用儲存太陽能電池方陣受光照時所發(fā)出的電能并可隨時向負載供電，系統(tǒng)共建2組50 V、5000 Ah蓄電池組，總裝機容量為10 000 Ah。

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測太陽能輻射量、環(huán)境溫度、風(fēng)速等運行環(huán)境狀況；通訊監(jiān)控系統(tǒng)主要將系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)上傳至管理中心或?qū)崿F(xiàn)遠程遙控功能。

2.1.3現(xiàn)場應(yīng)用情況

P1井光伏發(fā)電系統(tǒng)自2014年3月8日正式投運以來，整個系統(tǒng)運行比較正常，4—10月，光伏發(fā)電量滿足井場用電負荷需求，2014年11月至2015年3月需使用柴油發(fā)電機發(fā)電補充光伏發(fā)電不足，見圖2，圖3。

圖2　P1井光伏發(fā)電應(yīng)用情況

圖3　光伏發(fā)電次日持續(xù)時間

由上圖可知，在4—10月份間，由于日照時間相對較長，環(huán)境溫度較高，光伏發(fā)電系統(tǒng)除滿足當(dāng)日需求外，還能補給受沙塵暴、陰雨天帶來的影響，7、8、9月可滿足后續(xù)供電高達50 h以上。

2.2太陽能加熱原油綜合技術(shù)

2.2.1原理介紹

目前聚光型太陽能集熱系統(tǒng)主要有槽式、塔式、蝶式、菲涅爾式，目前工業(yè)化應(yīng)用的主要是槽式、塔式、菲涅爾式。由于菲涅爾式部分迎風(fēng)面小，抗風(fēng)沙能力強，更適合于戈壁地區(qū)，因此選用菲涅爾式集熱器［2］。

P1井原油加熱采用天然氣加熱與太陽能加熱相結(jié)合的方式，在5—10月份環(huán)境溫度較高時，采用太陽能加熱原油方式，11—3月份環(huán)境溫度較低需輔以天然氣加熱。其主要原理為：通過菲涅爾式太陽能集熱系統(tǒng)將導(dǎo)熱油加熱，加熱后的導(dǎo)熱油通過換熱器與原油換熱，換熱后的原油通過加熱爐流出，當(dāng)夜間、陰雨天或冬季導(dǎo)熱油溫度不高時開啟加熱爐，補充熱量，以達到節(jié)約天然氣的目的；當(dāng)導(dǎo)熱油熱量富裕量較多時，部分導(dǎo)熱油進入導(dǎo)熱油儲油器，供夜間使用。

2.2.2太陽能加熱原油系統(tǒng)設(shè)計

原油加熱所需熱量計算如下：

式中：

Q——每日加熱單井混合物所需總熱量，kJ；

MO、MW、MQ——原油、水、天然氣的日均產(chǎn)量，t/d；

CO、CW、CQ——原油、水、天然氣比熱容，J/（kg·℃）；

太陽能集熱面積計算如下：

式中：

Q——每月日均加熱所需總能量，kJ；

M——每月日均加熱所需太陽能集熱面積，m2；

QSM——每月日均當(dāng)?shù)靥柲苊科矫纵椪樟?，kJ；

ηT——線性菲涅爾式太陽能集熱器光熱轉(zhuǎn)換效

率，取0.5；

ηE——換熱器效率，取0.85；

φ——管路損失，取0.1。

所需太陽能集熱面積差異較大，P1井范圍為159～955 m2，結(jié)合投資和熱量需求綜合考慮，P1井安裝太陽能集熱面積為500 m2。

2.2.3現(xiàn)場應(yīng)用

2014年4月，該技術(shù)在西北油田分公司P1井成功運行，太陽能加熱導(dǎo)熱油溫度可達到120℃，4—10月僅依靠太陽能就能滿足加熱需求，2014年11月至2015年3月，依靠單井生產(chǎn)伴生氣作為單井燃料氣，滿足原油加熱要求。太陽能加熱原油系統(tǒng)運行情況見表3。

表3　太陽能加熱單井加熱原油運行情況

3　經(jīng)濟及環(huán)境效益分析

3.1經(jīng)濟效益分析

采用光伏發(fā)電可節(jié)約柴油機發(fā)電56 280 kWh/a，柴油機發(fā)電成本按3元/kWh計算，可節(jié)約發(fā)電費用16.9萬元/a，柴油發(fā)電機由30 kW改用為15 kW，減少租賃費用10萬元/a，即采用光伏發(fā)電可節(jié)約26.9萬元/a。

采用太陽能加熱原油年可節(jié)約天然氣60 000 m3。天然氣價格按1.2元/m3計，可增加效益7.2萬元。

3.2環(huán)境效益

1 L柴油約發(fā)電9.98 kWh［3］，由于光伏發(fā)電可節(jié)約柴油機發(fā)電56 280 kWh/a，因此節(jié)約柴油約為5639 L，即可減少二氧化碳排放4060 kg/a。按1 m3天然氣燃燒產(chǎn)生1.8 kg二氧化碳計算［4］，節(jié)約天然氣60 000 m3可減少二氧化碳排放11 280 kg/a。

因此，偏遠單井采用太陽能光伏發(fā)電-加熱原油綜合利用技術(shù)，可產(chǎn)生效益34.1萬元/a，減少二氧化碳排放15.34 t/a。

4　結(jié)論

1）采用光伏發(fā)電與柴油機發(fā)電互補的形式可以滿足單井井場用電需求，每年4—10月份光伏發(fā)電量滿足井場用電負荷需求，11月至次年3月份需使用柴油發(fā)電機發(fā)電補充光伏發(fā)電不足。

2）采用太陽能加熱原油與天然氣加熱原油互補方式可滿足單井井場加熱需求，每年4—10月僅依靠太陽能就能滿足加熱需求，11月至次年3月，依靠單井生產(chǎn)伴生氣做為單井燃料氣，滿足原油加熱要求。

3）偏遠單井采用太陽能光伏發(fā)電加熱原油綜合利用技術(shù)可產(chǎn)生效益34.1萬元/a，減少二氧化碳排放15.34 t/a，具有較好的經(jīng)濟與環(huán)境效益。

［1］孟月云，吳淑琴.淺談新疆資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化中的太陽能［J］.能源與節(jié)能，2011（5）：9-10.

［2］謝文韜.菲涅爾太陽能集熱器集熱性能研究與熱遷移因子分析［D］.上海：上海交通大學(xué)，2012.

［3］王志永.柴油機發(fā)電成本的分析及降低成本的措施［J］.機電工程技術(shù)，2001，30（6）：37-38.

［4］吳曉蔚.火電行業(yè)溫室氣體排放因子測算與排放量估算及減排對策［D］.南京：南京信息工程大學(xué)，2010.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.11.006

2015-07-22）

趙德銀，工程師，2012年畢業(yè)于西南石油大學(xué)（化學(xué)工藝專業(yè)），從事油氣集輸技術(shù)研究工作，E-mail:zdyjoe@126.com，地址：新疆烏魯木齊長春南路466號中國石化西北石油科研生產(chǎn)園區(qū)，830011。