太陽能熱利用在稠油輸送及開采中的應(yīng)用現(xiàn)狀*

李石棟，葉家萬，莫才頌，蘇楚然

（1.廣東石油化工學(xué)院機電工程學(xué)院，廣東茂名525000；2.廣東石油化工學(xué)院石油工程學(xué)院，廣東茂名525000）

太陽能熱利用在稠油輸送及開采中的應(yīng)用現(xiàn)狀*

李石棟1，葉家萬1，莫才頌1，蘇楚然2

（1.廣東石油化工學(xué)院機電工程學(xué)院，廣東茂名525000；2.廣東石油化工學(xué)院石油工程學(xué)院，廣東茂名525000）

太陽能熱利用在稠油輸送及開采中能起到節(jié)省能源的作用。目前國內(nèi)的太陽能低溫?zé)嵯到y(tǒng)在油氣田中能起到很好的節(jié)能效果。在國外，高溫太陽能光熱系統(tǒng)已經(jīng)在稠油開采方面成功進(jìn)行了商業(yè)應(yīng)用，而我國目前還沒有商業(yè)化工程應(yīng)用。介紹了我國低溫太陽能熱利用系統(tǒng)和高溫聚光太陽能熱利用技術(shù)在稠油輸送及開采中的應(yīng)用情況，特別對適用在稠油開采的塔式系統(tǒng)、槽式系統(tǒng)、菲涅耳系統(tǒng)等高溫太陽能熱利用技術(shù)進(jìn)行了綜述。

太陽能；稠油；提高稠油采收率

目前，在我國的12個盆地發(fā)現(xiàn)了70多個稠油油田［1］，稠油資源約占石油總資源量的20%～30%，國內(nèi)稠油年產(chǎn)量約占全國石油年產(chǎn)量的10%左右［2］。由于稠油的黏度和凝固點高，其開采主要通過降低黏度實現(xiàn)，因此需要利用二次采油或三次采油技術(shù)來進(jìn)行開采。稠油加熱降黏法主要有蒸汽吞吐采油、蒸汽驅(qū)采油、蒸汽輔助重力驅(qū)油、熱水驅(qū)采油、火燒油層采油、電磁加熱等，其中注蒸汽熱力采油已經(jīng)成為稠油的主要開采方式［3］。

我國的稠油資源儲藏大部分位于太陽能資源十分豐富的區(qū)域，太陽能低溫?zé)嵯到y(tǒng)在國內(nèi)的油氣田中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但目前太陽能高溫光熱系統(tǒng)在國內(nèi)尚沒有得到商業(yè)化工程應(yīng)用。如何充分利用太陽能，尤其是太陽能高溫光熱技術(shù)，在稠油輸送及開采中節(jié)約、替代不可再生資源，已成為亟待解決的問題。本文綜述了我國在稠油輸送及開采中的太陽能熱利用研究現(xiàn)狀，特別是對應(yīng)用于稠油開采的高溫聚光太陽能熱利用技術(shù)進(jìn)行了介紹。

1 低溫太陽能熱利用在稠油輸送中的輔助應(yīng)用

太陽能熱利用技術(shù)是通過集熱器將太陽輻射能收集起來，與傳熱工質(zhì)轉(zhuǎn)換成熱能并加以利用。根據(jù)工作溫度的不同，太陽能光熱技術(shù)可分為低溫、中溫和高溫三類，其中低溫太陽能熱利用的溫度一般在100℃以下，中高溫太陽能熱利用則需要通過聚光集熱器才能實現(xiàn)。

我國在2000年左右才開始進(jìn)行太陽能光熱技術(shù)在油氣田中的節(jié)能應(yīng)用。賈慶仲［4］在2002年完成了對遼河油田應(yīng)用低溫太陽能的可行性報告、太陽能加熱系統(tǒng)及相應(yīng)管輸系統(tǒng)的初步方案設(shè)計。王學(xué)生等［5－6］以遼河油田為實例，設(shè)計了一套間接加熱的太陽能加熱原油輸送系統(tǒng)，并研究了該系統(tǒng)的新型換熱器。2004年，遼河油田興隆臺采油廠完成了油田地面集輸太陽能加熱技術(shù)的工程實施，運行良好，天然氣節(jié)省率達(dá)40.23%［7］。據(jù)不完全統(tǒng)計，遼河油田［4－7］、長慶油田［8］、淮建油田［9］、河南油田［10］、羊三木和孔店油田［11］等都有不同規(guī)模的低溫太陽能熱利用以輔助稠油加熱輸送或開采。應(yīng)用在稠油輸送的低溫太陽能熱利用系統(tǒng)一般由太陽能集熱器、水/原油換熱器、儲熱水箱、水路裝置、輸油裝置和控制裝置等部分組成［12］。系統(tǒng)主要具有兩個循環(huán)回路，一個是儲熱箱的水在循環(huán)泵動力下，連續(xù)反復(fù)經(jīng)過太陽能集熱器進(jìn)行加熱，最終升溫到集輸系統(tǒng)所需溫度；另一個是蓄熱水箱的熱水再次通過熱水循環(huán)泵給儲油罐的加熱盤管和集輸伴熱管線加熱，受熱的伴熱管通過熱傳遞給原油加熱和集輸管線伴熱［9］。徐芬［13］對太陽能集熱系統(tǒng)中儲熱油罐容量實行了優(yōu)化，進(jìn)行了極值搜尋研究。周硯凱等［14］利用低溫太陽能熱利用技術(shù)，替換板76－12井的儲罐電加熱棒系統(tǒng)，改變了單井原油儲存加熱過程中電加熱棒能耗高的現(xiàn)狀，滿足了集輸管道液體加熱要求，達(dá)到了液體穩(wěn)定流暢集輸?shù)哪康?，全年可?jié)約能源50%以上。由于不少油田的冬天處于嚴(yán)寒天氣，太陽能集熱器需要具有很好的抗凍能力，因此可以根據(jù)運行期內(nèi)最低環(huán)境溫度等因素來選用太陽能集熱器［15］。熱泵技術(shù)已經(jīng)在遼河油田稠油熱采中得到應(yīng)用，通過提取在生產(chǎn)過程中含油污水中的熱量來解決進(jìn)站液一次加熱問題，改善了余熱資源的浪費［16］。隨著技術(shù)的發(fā)展，越來越多低溫太陽能熱利用技術(shù)如太陽能熱泵［17］等應(yīng)用于稠油開采及輸送中。

2 高溫太陽能熱利用在提高稠油采收率中的應(yīng)用

高溫太陽能熱利用的溫度范圍一般在250℃以上，聚熱場一般需要采用聚光方式才能達(dá)到這樣高的溫度。聚光方式一般有點聚焦和線聚焦兩種，點聚焦包括碟式系統(tǒng)和塔式系統(tǒng)，而線聚焦系統(tǒng)則包括拋物面槽式系統(tǒng)和菲涅耳式系統(tǒng)。

中國科學(xué)院電工研究所進(jìn)行了大量關(guān)于高溫太陽能熱利用的應(yīng)用基礎(chǔ)研究工作?！鞍宋濉逼陂g，中國科學(xué)院電工研究所研制了槽式線聚焦裝置，并對拋物面槽式集熱系統(tǒng)進(jìn)行了研究［18］。從2001年起，中國科學(xué)院電工所已經(jīng)完成了1 kW碟式－特林機熱發(fā)電系統(tǒng)的研制和運行測試。2007年，河海大學(xué)在張耀明院士的主持下建成了國內(nèi)首座塔式70 kW太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)［19］。2012年，北京延慶塔式太陽能熱發(fā)電站首次發(fā)電成功，標(biāo)志著我國成為第一個具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的MW級太陽能熱發(fā)電站全線貫通的國家，掌握了大型太陽能熱發(fā)電站集成調(diào)試和運行技術(shù)［20］。目前，我國對太陽能熱發(fā)電站的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于西班牙、美國、德國等發(fā)達(dá)國家。

2011年，美國Brightsource公司利用塔式集熱技術(shù)在加州科林加為雪佛龍公司建成了一座29 MW的塔式蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，直接將產(chǎn)生的高溫、高壓蒸汽注入地下儲油層進(jìn)行加熱，提高儲油層的壓力并降低油的黏性。該項目占地404 686m2，共有定日鏡裝置3 822套［21－22］。

Glass Point公司于2011年在美國加州建成世界第一個商業(yè)化槽式太陽能EOR（Enhanced Oil Recovery，提高稠油采收率）項目，占地面積198m2。到2013年，Glass Point公司又在中東建成一個較美國加州項目大27倍的槽式太陽能EOR項目［23－24］。該項目的核心采用封閉槽式集熱技術(shù)，在96m×180m×6m的玻璃溫室內(nèi)建立槽式系統(tǒng)，生成干度為80%、壓力為10 MPa、溫度為312℃的蒸汽［23］。羅瑋瑋等［25］對Glass Point公司的封閉槽式集熱技術(shù)在新疆油田的應(yīng)用進(jìn)行了可行性分析，結(jié)果表明封閉槽裝置的占地面積較傳統(tǒng)槽裝置縮減了5/6，運行30年的總成本僅為傳統(tǒng)槽的1/3，因此，太陽能稠油熱采技術(shù)在新疆油田的應(yīng)用具有可行性。我國目前還沒有高溫太陽能EOR項目的商業(yè)化實際應(yīng)用，而國外相關(guān)項目在稠油開采方面的成功應(yīng)用已經(jīng)引起了國內(nèi)很多同行的研究關(guān)注［21－23］。目前合適應(yīng)用在稠油開采的高溫太陽能熱利用技術(shù)有以下三個方面。

2.1 塔式系統(tǒng)

塔式系統(tǒng)利用定日鏡來跟蹤太陽，將陽光聚集到固定在塔頂部的接收器（集熱器）直接產(chǎn)生蒸汽，或間接通過加熱傳熱介質(zhì)如熔融鹽、空氣等來換熱產(chǎn)生蒸汽。

早在20世紀(jì)80年代，西班牙、美國、俄羅斯等國家建立了很多塔式實驗系統(tǒng)來驗證和示范其可行性，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化階段。CESA－1、Solar One、Solar Two、Solar Tres、PA10/20是塔式電站技術(shù)的代表，此外還有接收器在地面上的二次反射塔式系統(tǒng)和多塔模塊化塔式系統(tǒng)等。二次反射塔式系統(tǒng)的概念是由Rabl提出來的，以色列魏茨曼科學(xué)研究所據(jù)此作了進(jìn)一步的深入研究［26］。日本的Hiroshi等［27］分析和設(shè)計了100 MW二次反射塔式系統(tǒng)，其中CPC接收器采用融鹽作為傳熱介質(zhì)。

2.2 槽式系統(tǒng)

槽式系統(tǒng)主要有間接蒸汽系統(tǒng)和直接蒸汽系統(tǒng)，是利用拋物面把平行光聚焦到拋物面聚點上的原理來聚光加熱，實現(xiàn)間接或直接產(chǎn)生蒸汽。槽式系統(tǒng)主要由拋物面槽式聚光器、換熱/蒸汽發(fā)生系統(tǒng)等組成，拋物面槽式聚光器由拋物面鏡面、支架、真空集熱管、連接等組成。槽式系統(tǒng)早在1870年就開始進(jìn)行實踐應(yīng)用，并于20世紀(jì)80年代進(jìn)入商業(yè)化。目前商業(yè)化項目采用的都是導(dǎo)熱油間接系統(tǒng)技術(shù)。Luz公司在1984年到1990年間建了九座拋物槽SEGS電站（Solar Electric Generating Station，太陽能熱發(fā)電站），共354 MW。關(guān)俊嶺［28］通過對塔河油田采油一廠TK－921井場進(jìn)行調(diào)研，提出了太陽能熱作為水套爐補充熱源的技術(shù)方案（如圖1所示），由拋物面槽式聚光器獲得熱量，通過換熱器與加熱爐中水進(jìn)行換熱，從而達(dá)到減少天然氣消耗的目的。

圖1 太陽能加熱原油系統(tǒng)平面布置

槽式直接產(chǎn)生蒸汽技術(shù)在最早期和20世紀(jì)80年代也進(jìn)行過研究，但受到吸熱管中水的汽液兩相流動存在不確定因素和潛在問題的制約，還沒有投入商業(yè)化應(yīng)用。相對于間接蒸汽系統(tǒng)，槽式直接產(chǎn)生蒸汽技術(shù)也有其顯著的優(yōu)點，例如沒油污風(fēng)險，不受導(dǎo)熱油400℃溫度使用的限制，系統(tǒng)相對簡化等。

歐洲對槽式直接產(chǎn)生蒸汽技術(shù)在20世紀(jì)80年代進(jìn)行了第一階段的論證研究，90年代初進(jìn)行了第二階段的實驗室級研究，90年代后期20世紀(jì)初比較有代表性的是DISS項目和INDITEP項目，并進(jìn)行了第三階段的大型現(xiàn)場條件下運行研究。目前處于第四階段，就是槽式直接產(chǎn)生蒸汽電站的設(shè)計、建設(shè)和示范階段。圖2所示是DISS項目的三種槽式直接產(chǎn)生蒸汽的基本模型［29］。

2.3 菲涅耳系統(tǒng)

圖2 DISS項目三種直接產(chǎn)生蒸汽模式

菲涅耳系統(tǒng)是一種十分適合在稠油開采中應(yīng)用的技術(shù)，是由悉尼大學(xué)于1993年提出的［30］，通過多面反射鏡組成菲涅耳發(fā)射系統(tǒng)，實現(xiàn)線聚光并產(chǎn)生蒸汽。菲涅耳系統(tǒng)的反射聚光器是平板鏡子，造價比較便宜，排列比較緊密，占地面積小，風(fēng)荷載也比較小，吸熱管不需要真空技術(shù)和金屬玻璃接頭。2008年西班牙建成了世界上第一個熱功率為1.4 MW的真正意義上的菲涅耳系統(tǒng)，2009年又建成了一個30 MW菲涅耳系統(tǒng)。

3 結(jié)語

太陽能光熱技術(shù)在稠油輸送及開采的應(yīng)用越來越受到人們的重視。低溫太陽能熱利用在國內(nèi)外稠油輸送應(yīng)用上已經(jīng)比較普遍。在國外，塔式和槽式等太陽能高溫?zé)崂眉夹g(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到稠油熱采上。到目前為止，我國還沒有高溫太陽能EOR項目的商業(yè)化實際應(yīng)用，但已經(jīng)引起國內(nèi)很多同行的研究關(guān)注。本文對合適應(yīng)用在稠油開采的塔式系統(tǒng)、槽式系統(tǒng)、菲涅耳系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，希望促進(jìn)我國把高溫太陽能熱利用技術(shù)投入到稠油開采的商業(yè)化應(yīng)用中。

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The State－of－art of Solar Thermal Application to Heavy Oil Transportation and Mining

LI Shidong1，YE Jiawan1，MO Caisong1，SU Churan2
（1.College of Machinery and Electronic Engineering，Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming 525000，China；2.College of Petroleum Engineering，Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming 525000，China）

Solar energy thermal utilization in heavy oil transportation and itsmining can play a role in saving energy.the current domestic low－temperature solar thermal system applied in the oil and gas fields also does well in energy saving.At abroad，high－temperature solar thermal system has been commercially applied，but not yet in our country.In this paper，The State of art of low－temperature solar thermal system and high temperature solar thermal utilization technology in heavy oil transportation andmining are reviewed，especially the hightemperature concentrated solar heat utilization technology，such as recovery tower，trough system，fresnel system.

Solar energy；Heavy oil；Enhanced Oil Recovery

TK513

A

2095－2562（2016）01－0048－04

（責(zé)任編輯：駱磊）

2015－12－06；

2016－01－05

廣東省自然科學(xué)基金博士啟動項目（2014A030310376）；廣東省普通高校青年創(chuàng)新人才項目（631051）；廣東省公益研究與能力建設(shè)專項（2015A030401102）；廣東石油化工學(xué)院人才引進(jìn)項目（513090）；2015年廣東石油化工學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)校級培育計劃項目（2015pyC033）；廣東省本科高校教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程立項建設(shè)項目（粵教高函［2015］133號）

李石棟（1983—），男，廣東廉江人，博士后，講師，內(nèi)聘副教授，主要從事太陽能熱利用及儲熱研究。