太陽能集熱技術(shù)在油田終端的應(yīng)用研究

李仁興（中海石油（中國）有限公司崖城作業(yè)公司）

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太陽能集熱技術(shù)在油田終端的應(yīng)用研究

李仁興（中海石油（中國）有限公司崖城作業(yè)公司）

基于目前海上油田終端利用天然氣加熱導(dǎo)熱油進(jìn)行換熱，能耗消耗巨大，而對(duì)于中國太陽能資源非常豐富，尤其在海南島，利用槽式太陽能集熱技術(shù)輔助加熱導(dǎo)熱油不僅節(jié)約能源，還能產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，值得研究推廣；同時(shí)太陽能集熱技術(shù)目前已比較成熟，高溫太陽能集熱技術(shù)的推廣應(yīng)用勢(shì)必成為一種趨勢(shì)。

油田終端；槽式太陽能集熱技術(shù)；導(dǎo)熱油；節(jié)約能源；高溫太陽能

1　現(xiàn)狀

近年來隨著熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，國外已經(jīng)將太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的鏡場集熱技術(shù)應(yīng)用于對(duì)稠油的加熱開采[1-2]。美國的BrightSource公司和Glasspoint公司分別采用塔式集熱技術(shù)和槽式集熱技術(shù)對(duì)美國早期部分油田增產(chǎn)。在國內(nèi)，冀東油田利用槽式太陽能聚集產(chǎn)熱系統(tǒng)為人工島提供溫度為50～350℃的熱水資源，結(jié)合相關(guān)技術(shù)廣泛應(yīng)用于生活熱水、冬季采暖、洗浴用水、海水淡化、伴熱管線等各種需要熱水和熱蒸汽的生產(chǎn)與生活領(lǐng)域[3]。西北塔河油田采油一廠TK-921對(duì)槽式太陽能集熱系統(tǒng)加熱原油進(jìn)行了試驗(yàn)，利用太陽能熱作為水套爐補(bǔ)充熱源的技術(shù)方案，為原油加熱運(yùn)輸、管線伴熱[4]。

中海石油（中國）有限公司崖城作業(yè)公司南山終端熱油系統(tǒng)一直采用天然氣燃燒加熱，能量消耗較大。若采用槽式太陽能集熱器直接加熱導(dǎo)熱油替代全部或部分熱油爐將大大降低能耗，南山終端熱油爐主要提供燃料氣加熱、和LPG生產(chǎn)系統(tǒng)脫乙烷塔、脫丁烷塔重沸爐的換熱。

2　太陽能集熱輔助加熱熱油技術(shù)

南山終端位于海南島西南隅，自然條件優(yōu)越，屬于我國太陽能輻射量的三類地區(qū)。年平均日照數(shù)2166 h，年平均輻射量4600～5800 MJ/m2。

經(jīng)查得22年來三亞太陽能輻射量平均數(shù)據(jù)見表1、表2。

表1　三亞太陽能月平均表面輻射量　[kWh/（m2·d）]

基于目前的槽式太陽能集熱技術(shù)，通過加熱導(dǎo)熱油與水在換熱器進(jìn)行換熱產(chǎn)生高溫高壓水蒸汽去加熱用戶的原理，直接采用太陽能加熱導(dǎo)熱油與凝析油、天然氣進(jìn)行換熱，熱能利用更充分。工藝流程在熱油進(jìn)熱油爐前增加1套槽式太陽能集熱器、儲(chǔ)能設(shè)備，讓槽式太陽能集熱器在天氣晴好的情況下替代熱油爐加熱熱油并將富余能量儲(chǔ)存于儲(chǔ)能設(shè)備中，而在陰天和夜晚利用儲(chǔ)能輔助加熱熱油。工藝流程圖如圖1所示，從加熱爐入口處引出管線，根據(jù)溫度需求將一定量熱油引入槽式太陽能集熱器進(jìn)行加熱，被加熱后的物流再回到管線，富余的熱量流過儲(chǔ)熱箱進(jìn)行儲(chǔ)存，既充分利用太陽能也大大降低熱油爐負(fù)荷達(dá)到節(jié)省天然氣的目的。圖2為一種典型的槽式太陽能聚集系統(tǒng)的示意圖和實(shí)物圖，槽式聚集系統(tǒng)根據(jù)所需熱量可以串聯(lián)在一起，圖2中的裝置的峰值熱功率可達(dá)21 kW。

圖1　槽式太陽能集熱器輔助加熱流程

圖2　槽式太陽能聚集系統(tǒng)

分析表明，通過簡單工藝管線改造，增加槽式太陽能集熱器陣列對(duì)熱油輔助加熱，在當(dāng)?shù)刭Y源、技術(shù)和安全上都是可以滿足的。

3　太陽能集熱器面積計(jì)算

熱油爐熱負(fù)荷1.05×106kJ/h（9.9MMBTU/HR），入口溫度204oC(400℉)，出口溫度260oC （500℉）。設(shè)計(jì)壓力/溫度：125 PSI/550℉，所用熱介質(zhì)為thermal 55型號(hào)熱油。正常生產(chǎn)時(shí)循環(huán)量500 GPM（113.55 m3/h）， 入 口 溫 度 227oC （440℉），出口溫度249oC（480℉），導(dǎo)熱油入口溫度440℉時(shí)密度為729 kg/m3，出口溫度480℉時(shí)密度為712 kg/m3，要達(dá)到同熱油爐等量的熱負(fù)荷，正常生產(chǎn)時(shí)以天然氣燃燒加熱所需熱量為

式中：Q——每小時(shí)天然氣加熱所需總能量，kJ；

M——每小時(shí)導(dǎo)熱油質(zhì)量流量，kg；

ΔT——導(dǎo)熱油加熱前后溫差，oC；

C——平均溫度下導(dǎo)熱油比熱容，J/(kg·℃)；

ρ——導(dǎo)熱油密度，kg/m3；

V——每小時(shí)導(dǎo)熱油體積流量，m3。

密度由平均溫度下得到，用對(duì)數(shù)平均溫差求取平均溫度：

式中：t——導(dǎo)熱油平均溫度，oC；

t1——導(dǎo)熱油加熱后溫度，oC；

t2——導(dǎo)熱油加熱前溫度，oC。

求得平均溫度為238oC（460℉）時(shí)查熱油密度為721 kg/m3，經(jīng)計(jì)算得到槽式太陽能集熱器所需提供熱量為4.83×106kJ/h。

根據(jù)表1、表2得出1月份三亞日照時(shí)太陽能天平均為13.86×103kJ/m2約1.25×103kJ/(m2·h)。

根據(jù)表1、表2計(jì)算得到每月日均所需太陽能集熱器面積，以1月份為例考慮傳熱效率和熱損失情況下槽式太陽能集熱器面積計(jì)算結(jié)果：

式中：Q——每月日均加熱所需總能量，kJ；

Q1——每月日均太陽能每平米輻射量，kJ；

M——每月日均加熱所需太陽能集熱器面積，m2；

η1——槽式太陽能集熱器光熱轉(zhuǎn)化效率，取0.8；

φ——熱損失，取0.1。

根據(jù)計(jì)算，求得全年每月日均所需太陽能集熱器面積（表3）。

表3　每月日均所需太陽能集熱器面積?。╩2/d）

4　經(jīng)濟(jì)效益分析

擬選擇槽式太陽能集熱系統(tǒng)，集熱器面積5500 m2（55 m×100 m）。則在天氣晴好的情況下，每天有日照的時(shí)間內(nèi)，在1—11月5500 m2的太陽能集熱系統(tǒng)均能滿足熱油的加熱需求。通過增加儲(chǔ)熱設(shè)備，使1天中太陽能輻射熱量的變化得到均化，將白天過剩的熱量儲(chǔ)存到下午日照較弱時(shí)和夜間一段時(shí)間內(nèi)使用。在考慮儲(chǔ)熱系統(tǒng)熱量損失的情況下，全年平均日照時(shí)間大于11 h，5500 m2的太陽能集熱系統(tǒng)可以滿足對(duì)物流的加熱需求，日照時(shí)可以完全替代加熱爐。

目前終端正常處理能力下，2014年每月熱油爐燃料氣消耗，見表4。

表4　2014年南山終端每月熱油爐燃料氣消耗 （104m2）

通過對(duì)現(xiàn)有流程的改造增加1套槽式集熱器和儲(chǔ)能設(shè)備，充分利用太陽能加熱熱油，以2014年為例，可以計(jì)算出增加5500 m2太陽能槽式集熱器后每月減少燃料氣的消耗量近似取5500 m2太陽能槽式集熱器供熱量（表5）。

表5　增加槽式集熱器后每月燃料氣少消耗量　（104m2）

全年可減少燃料氣消耗量95.55×104m2，減少CO2排放約1800 t，具有非常高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

槽式聚光自動(dòng)跟蹤太陽能集熱器價(jià)格約在1000 元/m2，使用壽命在10年以上。若以1000元/m2價(jià)格計(jì)算，5500 m2槽式太陽能集熱器成本約為550萬元，天然氣價(jià)格以1元/m2計(jì)算，1年可節(jié)約96萬元左右，可在5—6年收回成本投資，同時(shí)大大減少熱油爐熱負(fù)荷、降低故障率和安全風(fēng)險(xiǎn)。以10年使用壽命計(jì)算，則在壽命期內(nèi)共可減少燃料氣消耗約960×104m2，經(jīng)濟(jì)效益價(jià)值達(dá)960萬元并減少CO2排放超過18 000 t。

5　結(jié)論

采用槽式太陽能集熱技術(shù)直接接觸式加熱導(dǎo)熱油，在日照時(shí)間內(nèi)可以節(jié)約可觀的天然氣資源服務(wù)于社會(huì)，同時(shí)富余的能量通過儲(chǔ)能設(shè)備可以在夜晚或者日照差時(shí)提供預(yù)熱，大大降低了熱油爐負(fù)荷。隨著技術(shù)的突破和新型材料的誕生，太陽能利用也將會(huì)更加經(jīng)濟(jì)和成熟，中高溫太陽能技術(shù)在生產(chǎn)中勢(shì)必得到更多的應(yīng)用推廣。

[1]王學(xué)忠.太陽能輔助采油技術(shù)及其可行性[J].中外能源，2009，14（1）：104-107.

[2]何梓年.太陽能熱利用[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2009：435-468.

[3]曹喜承，劉曉燕，王志國.太陽能在冀東油田勘探開發(fā)中應(yīng)用[J].節(jié)能技術(shù)，2009，27（3）：280-283.

[4]關(guān)俊玲.太陽能高溫?zé)嵩谖鞅庇吞飭尉畱?yīng)用的可行性分析[J].石油石化節(jié)能與減排，2013，3（5）：36-41.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.03.018

2015-11-11）

（編輯沙力妮）

李仁興，2013年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院(石油工程專業(yè))，從事海洋油氣生產(chǎn)集輸工作，E-mail：lirx8866@163.com，地址：廣東省深圳市南山區(qū)太子路22號(hào)金融中心17樓，518067。