油田集輸站場槽式聚焦太陽能加熱技術研究與應用

劉宏亮 李靜靜 高中顯 張憲珍

（1.勝利油田新能源開發(fā)中心；2.勝利油田運輸分公司；3.勝利油田東勝集團股份公司）

聯(lián)合站、接轉站等集輸站場作為油田生產關鍵環(huán)節(jié)，同時也是主要耗熱點之一。加熱法是油田主要集輸處理工藝，通過加熱促進乳狀液油水分離、對外輸原油降黏輸送，以及稠油井回摻采出水升溫等。目前勝利油田各聯(lián)合站、接轉站熱源主要有天然氣、電廠蒸汽余熱、“采出水余熱+熱泵” 等。當前環(huán)保形勢日趨嚴峻，部分加熱爐排放不達標，外購天然氣成本高，亟需開展地熱、余熱、太陽能等清潔能源替代項目，利用太陽能替代集輸站場加熱爐燃氣節(jié)能環(huán)保潛力較大。

1 區(qū)域太陽能資源優(yōu)勢

勝利油田東部油區(qū)主要位于山東省東營市，該地區(qū)年平均太陽總輻射量為5 199 MJ/m2，即1 441 kWh/m2， 年平均日照時數(shù)2 712.5 h；水平面上的年平均峰值日照時數(shù)為4.29 h，即年峰值日照時數(shù)為1 390 kWh/m2左右，為太陽能資源三類地區(qū)，接近資源較豐富的二類地區(qū)[1]。利用太陽能替代天然氣、電能等大量常規(guī)能源，可減少環(huán)境污染，實現(xiàn)節(jié)能減排，提高企業(yè)的經濟效益和社會效益。

2 “太陽能+”利用技術研究

2.1 確定“太陽能+”多能協(xié)同利用方向

由于太陽能利用受晝夜、季節(jié)、氣候以及晴、陰、云、雨等隨機因素影響大，且季節(jié)性變化呈現(xiàn)一定規(guī)律，造成單獨利用效率低，配套蓄熱裝置成本高。而油田油氣生產需要連續(xù)性和可靠性，完全依靠太陽能不具備適用條件。因此，可通過對太陽能、天然氣能源進行優(yōu)化組合配置，實現(xiàn)多能互補協(xié)同利用，提升太陽能等間歇性可再生能源的消納能力[2]。結合油田生產實際，確定了“太陽能+”主要利用方向：“太陽能光熱+電能”應用于油田單井拉油儲罐加熱；“太陽能光熱+天然氣”、 “太陽能光伏+余熱”應用于油田集輸站場生產用熱；“太陽能光熱+余熱”應用于油田辦公區(qū)和生活區(qū)冬季供暖。

2.2 太陽能集熱系統(tǒng)最優(yōu)設計負荷研究計算

由于太陽能的不連續(xù)性，集熱裝置吸收熱量時間有限，如何確定太陽能加熱系統(tǒng)最優(yōu)設計負荷，確保項目投資收益的最大化，為此開展了太陽能集熱系統(tǒng)設計能力經濟性研究。以勝利油田某單井拉油電加熱儲罐為例，該井日產液量為13.6 t，油量為5.2 t，含水率61.8%，井場建有30 m3電加熱儲油罐1 座，平均每天拉油1 次，耗電量為596 kWh/d。經測算，太陽能集熱系統(tǒng)設計負荷為油井采出液加熱需求負荷的50%～60%時，項目建設投資的收益率最高。

2.3 不同類型太陽能集熱器的優(yōu)選對比

國內使用的太陽能集熱器類型主要有平板型太陽能集熱器、真空管太陽能集熱器、熱管真空管太陽能集熱器和槽式聚焦太陽能集熱器等。其中，后3 種集熱器均已在勝利油田單井拉油儲罐加熱中推廣應用[3]，現(xiàn)對其優(yōu)缺點進行對比分析，如表1所示。

表1 三種不同形式的太陽能集熱器優(yōu)缺點對比

表2 接轉站加熱運行數(shù)據(jù)

通過對以上現(xiàn)場調研及分析，三種集熱器均可實現(xiàn)太陽能光熱轉換功能。其中，槽式熱管式集熱器聚光面積大，運用了熱管和真空管技術，同時具備太陽光自動追蹤功能，在瞬變的太陽輻照條件下可提高集熱器輸出能量；由于集熱管數(shù)量少、熱管的熱二極效應，當太陽輻照較低時可減少被加熱工質向周圍環(huán)境散熱。該裝置光熱轉換效率高，較適用于油田集輸站場等場地受限區(qū)域[4]。

3 槽式聚焦太陽能加熱技術的應用

下面以勝利油田某接轉站為例，介紹槽式聚焦太陽能加熱工藝方案，以及經濟和社會效益等情況。

3.1 加熱負荷計算

該接轉站采用“熱化學沉降”集輸處理工藝，現(xiàn)有加熱節(jié)點2 處：進站采出液加熱；接轉站覆蓋區(qū)域油井回摻伴輸采出水加熱。根據(jù)接轉站處理液量、含水率及加熱溫度等參數(shù)，通過下述公式，測算出加熱負荷。

系統(tǒng)熱負荷[5]的計算式為

其中

式中： Q 為系統(tǒng)熱負荷，kW； q 為原油、采出水流量，m3/s； ρ 為原油的密度，kg/m3； cp為原油的比定壓熱容，kJ/(kg·K)； Δt 為原油進出口溫差，℃； ρw為 水 的 密 度， kg/m3； α 為 含 水率，%； ρo為油的密度，kg/m3； cp,w為水的比定壓熱容，取4.2 kJ/(kg·K)； cp,o為油的比定壓熱容，取2.01 kJ/(kg·K)。

經計算，外輸含水原油加熱負荷為872 kW，外輸回摻采出水加熱負荷為1 505 kW，合計加熱負荷為2 377 kW，如表2 所示。

通過分析，一方面由于接轉站加熱負荷較大，可利用場地面積為1 900 m2，按照70%的有效利用面積、太陽能單位面積接收功率0.8 kW/m2計算，太陽能供熱負荷最大為1 064 kW；另一方面考慮太陽能的不連續(xù)性，單獨建設太陽能加熱系統(tǒng)或配套儲熱系統(tǒng)均不能完全替代燃氣加熱爐負荷。因此，本方案將太陽能集熱裝置作為燃氣加熱爐前預加熱系統(tǒng)實施應用，根據(jù)太陽能提供能量的變化反饋控制加熱爐燃燒器，即：燃氣加熱爐根據(jù)預熱溫度變化實時控制燃氣量，調整燃氣供熱負荷，實現(xiàn)“太陽能+天然氣”互補協(xié)同利用。

3.2 工藝方案

太陽能加熱系統(tǒng)由太陽能集熱器、儲油罐、循環(huán)泵，以及配套電氣、自控系統(tǒng)等組成。主要加熱過程：導熱油吸收太陽能集熱器匯集的太陽能熱量后，進入儲油罐；高溫導熱油通過循環(huán)泵進入板式換熱器與接轉站來液進行熱交換；換熱后的低溫導熱油再進入太陽能集熱器循環(huán)加熱，接轉站來液被加熱后進入燃氣加熱爐系統(tǒng)進行二次加熱，最終滿足工藝要求。太陽能加熱系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

3.3 集熱能力測算

太陽能集熱量可由下式求得：

其中

式中： Qs為太陽能集熱系統(tǒng)承擔的熱負荷，W； A為集熱面積，m2； Qc為集熱器單位面積集熱量，W/m2； E 為 太 陽 輻 照 度，W/m2； αc為 集 熱 效率，%。

圖1 太陽能加熱系統(tǒng)工藝流程示意圖

接轉站現(xiàn)有可利用土地面積2 000 m2（集熱部分1 900 m2，換熱部分100 m2），可新建集熱器83組，占地面積1 850 m2，有效集熱面積1 258 m2，其他配套設備建設面積150 m2。 按照集熱能力12.2 kW/ 組、 光 照 時 數(shù) 7.16 h/d 、 光 照 時間2 505.6 h/a 計算，總集熱能力為1 012.6 kW，年供熱量為9 133.9 GJ/a。

3.4 經濟和社會效益

項目實施后年可節(jié)省天然氣36.47×104m3，按照外購天然氣價3.26 元/m3計算，年收入為118.9 萬元。應用太陽能加熱系統(tǒng)可減少天然氣資源的消耗，經測算，可節(jié)約折標煤476.6 t/a，減排二氧化碳1 187.8 t/a。

4 結論

1） 利用太陽能改進集輸站場在用加熱工藝，推廣空間大。勝利油田共有聯(lián)合站62 座，其中輕質油聯(lián)合站3 座，中質油聯(lián)合站24 座，重質油聯(lián)合站23 座， 稠油聯(lián)合站12 座。 年處理液量為34 000×104t，年處理油量為3 600×104t，平均綜合能耗為8.0 kgce/t（千克標準煤/噸），是油田的主要耗熱點之一。

2）“太陽能+”多能互聯(lián)提升可再生能源利用效率。集輸站場用熱以燃燒天然氣為主，動力系統(tǒng)以用電為主。以油田伴生氣作為燃氣資源，油田回注采出水余熱作為熱能資源，利用各集輸站庫具有一定的閑置場地，實施“太陽能+余熱+天然氣”多能互補具有廣闊的應用前景。