太陽能熱電一體化技術在偏遠單井的應用

趙德銀　趙毅　邱海峰　崔偉（中國石油化工股份有限公司西北油田分公司）

太陽能熱電一體化技術在偏遠單井的應用

趙德銀趙毅邱海峰崔偉（中國石油化工股份有限公司西北油田分公司）

摘要：西北油田分公司塔河油田地處沙漠戈壁地區(qū)，日照時間長，太陽能利用潛能巨大，該區(qū)域偏遠單井電纜、燃氣管線等配套建設成本高。因此，在偏遠單井引進了太陽能熱電一體化技術，該技術是對太陽能發(fā)電和太陽能加熱原油技術的綜合利用，以解決單井用電及原油加熱問題?，F(xiàn)場應用表明，4—10月期間采用太陽能熱電一體化技術，11月至次年3月在采用太陽能熱電一體化技術基礎上，適量補充柴油發(fā)電和伴生氣加熱原油2部分能量，可滿足井場用電和原油加熱的用能需求。該應用每年可節(jié)約運行成本34.1萬元，減少CO2排放24.31 t，具有較好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

關鍵詞：偏遠單井；太陽能；熱電一體化；應用

1　引言

研究表明，新疆太陽能資源尤為豐富，年日照時數(shù)為2550～3500 h，比我國同緯度地區(qū)高5%～ 10%，比長江中下游地區(qū)高15%～25%[1]。西北油田分公司塔河油田地處新疆南部沙漠戈壁地區(qū)，太陽能利用潛能巨大。偏遠單井通常采用拉油流程，地面原油通過裝車泵裝車，需人工值守，在黏度較大的稠油井需對原油加熱；因此，在地面建設中需配套電纜、燃氣管線，建設周期長、投資大。西北油田分公司選取了典型偏遠單井應用太陽能熱電一體化技術。通過現(xiàn)場應用情況表明，采用太陽能熱電一體化技術可以有效地解決偏遠單井供電和原油加熱問題，為國內(nèi)其它油田偏遠單井太陽能綜合利用提供借鑒。

2　太陽能熱電一體化技術應用情況

示范單井（E101井）距最近的接轉站18 km。E101井平均產(chǎn)液50 t/d，產(chǎn)氣70 m3/d，黏度為1378 mm2/s，含蠟量為9.38%。單井采用拉油流程，由于原油含蠟量較高，黏度較大，為保障采出液在井口以及拉運過程保持較好的流動性和減少結蠟，春、秋、冬季需保持原油溫度大于45℃，夏季保持原油溫度大于35℃。

2.1太陽能發(fā)電技術應用

2.1.1單井用電情況

E101井用電主要包括生活和生產(chǎn)用電量2部分，最大功率不超過23 kW。示范井場用電負荷明細，見表1。

表1　示范井場用電負荷

2.1.2井場光伏發(fā)電系統(tǒng)

E101井場光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由多晶硅電池板陣列、3臺并網(wǎng)逆變器、6臺雙向逆變器、15 kW柴油發(fā)電機、并聯(lián)控制器、蓄電池組、通訊監(jiān)控系統(tǒng)等組成，設計總容量為41.4 kWp，光伏發(fā)電系統(tǒng)主要結構框架，見圖1。

光伏陣列主要將太陽能轉為電能。每個陣列由20塊多晶硅電池板組成，電池板功率為230 Wp，整個系統(tǒng)共180塊，合計41.4 kWp。并網(wǎng)逆變器主要將多晶硅電池板陣列產(chǎn)生直流電源轉變?yōu)?80/ 220 V的交流電源。雙向逆變器主要是當蓄電池組需充電時將交流電源轉化為直流電源，當蓄電池組需放電時可將直流電源轉化為交流電源。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)電機等各設備的運行狀態(tài)，達到為負載提供可靠電源的目的。柴油發(fā)電機主要為冬季或非常規(guī)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。蓄電池組主要作用為儲存太陽能發(fā)電的電能可隨時向負載供電，系統(tǒng)共建2組50 V、5000 Ah蓄電池組，總裝機容量為10 000 Ah。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。

圖1　光伏發(fā)電主要結構示意圖

2.1.3現(xiàn)場應用情況

E101井光伏發(fā)電系統(tǒng)自2014年4月正式投運，4—10月份期間，光伏發(fā)電電量能夠滿足井場用電負荷需求，11月至次年3月期間需使用柴油發(fā)電機發(fā)電補充光伏發(fā)電不足。光伏發(fā)電應用情況，見圖2、圖3。

圖2　E101井光伏發(fā)電應用情況

由圖3可知，在4—10月份期間，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)除滿足當日需求外，還能補給受沙塵暴、陰雨天帶來的影響，7—9月可滿足后續(xù)供電高達50 h以上。

2.2太陽能加熱原油技術

2.2.1工作原理

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。由于菲涅爾式迎風面小，抗風沙能力強，更適合戈壁地區(qū)，因此選用菲涅爾式集熱器[2]。E101原油加熱采用天然氣加熱與太陽能加熱相結合的方式，其主要原理（圖4）是通過太陽能集熱系統(tǒng)將導熱油加熱，加熱后的導熱油通過換熱器與原油換熱，換熱后的原油進入高架罐儲存。當夜間、陰雨天或冬季導熱油溫度不高時開啟燃氣加熱爐，補充熱量，以達到節(jié)約天然氣的目的；當導熱油熱量富裕量較多時，部分導熱油進入導熱油儲油器，供夜間使用。

圖3　光伏發(fā)電次日持續(xù)時間

圖4　導熱油加熱原油工藝原理圖

2.2.2太陽能加熱原油系統(tǒng)設計

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（表2）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?shù)靥柲苊科矫纵椪樟浚?/p>

kJ/m2；

ηT——線性菲涅爾式太陽能集熱器光熱轉換效

率，取0.5；

ηE——換熱器效率，取0.85；

?——管路損失，取0.1。

由表2可知，不同季節(jié)所需太陽能集熱面積差異較大，其范圍為159～955 m2，結合投資和熱量需求綜合考慮，E101井安裝太陽能集熱面積為500 m2。

表2　日均太陽能集熱面積計算表

2.2.3現(xiàn)場應用情況

2014年4月，該技術在西北油田分公司示范單井運行。4—10月期間僅依靠太陽能滿足加熱需求；11月至次年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　效益分析

3.1經(jīng)濟效益

光伏發(fā)電年發(fā)電量為56 280 kWh，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改為15 kW，減少柴油機租賃費用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可節(jié)約天然氣量為

式中：N——太陽能加熱原油可節(jié)約天然氣量（標

況），m3/a；

ΔQsave——太陽能年節(jié)約能量，MJ/a；

AC——系統(tǒng)太陽能集熱面積，m2；

JT——當?shù)氐哪攴ㄏ嘀鄙漭椪樟?，MJ/m2；

ηcd——集熱器年均集熱效率，%；

ηc——管路損失率，%；

qL——單位體積天然氣產(chǎn)生的有效能量，MJ/m3。

式（3）中，AC=500 m2，JT=6000 MJ/m2，ηc=0.1，ηcd=0.5，換熱效率為85%，年節(jié)約天然氣量為6×104m3。天然氣價格為1.2元/m3，可增加效益7.2萬元。

3.2環(huán)境效益

根據(jù)相關資料，1 L柴油約發(fā)電9.98 kWh，1 kg柴油完全燃燒排放CO2質(zhì)量為3.19 kg[3]。由于光伏發(fā)電可節(jié)約電量為56 280 kWh/a，節(jié)約柴油約為5639 L，即可減少CO2排放12 952 kg/a。按1 m3天然氣燃燒產(chǎn)生1.8 kg CO2計算[4]，節(jié)約天然氣6×104m3，可減少CO2排放11 280 kg/a。因此，E101井采用太陽能熱電一體化技術每年可產(chǎn)生效益34.1萬元，減少CO2排放24.31 t。

3.3投資回收期分析

E101井太陽能熱電一體化裝置總投資為300萬元，按目前效益為34.1萬元/a計算，投資回收期約為8.8年。雖目前投資回收期較長，但隨著該技術的推廣，設備批量生產(chǎn)后，建設成本將進一步降低。若推廣至接轉站，替代功率更大的加熱爐，效益將進一步提高。

4　結論

太陽能熱電一體化技術可有效解決偏遠單井用電、原油加熱難題，且具有較好的經(jīng)濟與環(huán)境效益。該技術為分公司油田或國內(nèi)其它油田偏遠單井地面配套建設提供參考，促進綠色油田建設。

參考文獻：

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[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，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，2010.

（編輯賈洪來）

DOI:10.3969/j.issn.2095-1493.2016.01.017

第一作者簡介：趙德銀，工程師，2012年畢業(yè)于西南石油大學（化學工藝專業(yè)），從事油氣集輸處理技術研究工作，E-mail：251132670@qq. com，地址：新疆烏魯木齊市長春南路466號西北石油局石油工程技術研究院，830011。

收稿日期2015-11-11