太陽(yáng)能光電一體化技術(shù)在原油加熱系統(tǒng)中的應(yīng)用

李武平 武玉雙 李小永 胡俊平 趙曉龍 陳麗麗 胡占國(guó) 李淵

（1.中國(guó)石化石家莊煉化；2.華北油田公司第五采油廠）

我國(guó)太陽(yáng)能熱利用行業(yè)處在家用熱水向多領(lǐng)域供熱，特別是向“太陽(yáng)能熱利用+清潔供暖供熱”領(lǐng)域轉(zhuǎn)型升級(jí)。新疆塔克拉瑪依某油田通過(guò)采用太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)油井抽油機(jī)系統(tǒng)供電；遼河油田采用太陽(yáng)能加熱集輸工藝實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)油罐的保溫，同時(shí)研發(fā)出一套光熱系統(tǒng)，將太陽(yáng)能加熱產(chǎn)生的蒸汽注入地下，從而提高了油田的采收率[1-2]。因此如何充分利用取之不竭的太陽(yáng)能，用于石油建設(shè)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，是新時(shí)代賦予石油企業(yè)的歷史使命。

1 油田生產(chǎn)現(xiàn)狀

華北油田位于冀中南部地區(qū)，經(jīng)過(guò)四十多年的開(kāi)發(fā)，目前已進(jìn)入開(kāi)發(fā)后期，滾動(dòng)擴(kuò)邊井不僅油品物性差，而且產(chǎn)量較低，距離已建生產(chǎn)系統(tǒng)較遠(yuǎn)，無(wú)法通過(guò)管輸進(jìn)入系統(tǒng)生產(chǎn)，只能采用建設(shè)拉油點(diǎn)的方式將原油拉至集中處理站處理。為保證油井產(chǎn)液的順利拉運(yùn)，儲(chǔ)油罐必須伴熱，常規(guī)的伴熱方式有燃油或燃?xì)饧訜釥t、電加熱等方式，加熱爐極易造成環(huán)境污染，而一個(gè)單井拉油點(diǎn)的儲(chǔ)油罐一般為50 m3的鋼制保溫儲(chǔ)罐，通常配備30 kW的內(nèi)伸式電加熱棒，不僅能耗高，而且易損壞，當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)液位低時(shí)，儲(chǔ)罐空間內(nèi)充滿了混合性可燃?xì)怏w，易燃易爆，安全隱患大，因此，利用太陽(yáng)能集熱輔助電加熱加溫的裝置為油井提供熱量，可達(dá)到降低能耗減少污染的目的[3-4]。

2 太陽(yáng)能加熱裝置的組成

2.1 單井拉油點(diǎn)集油工藝

油田單井拉油點(diǎn)的工藝簡(jiǎn)單，油井產(chǎn)出液經(jīng)過(guò)單井集油管線進(jìn)入儲(chǔ)油罐，在儲(chǔ)油罐加熱升溫至凝固點(diǎn)以上裝車?yán)\(yùn)。熱力系統(tǒng)依靠?jī)?chǔ)油罐內(nèi)部的電加熱器或井口加熱爐提供的熱量加熱。拉油點(diǎn)集油和熱力系統(tǒng)工藝流程示意圖如圖1 所示。

圖1 拉油點(diǎn)集油和熱力系統(tǒng)工藝流程示意圖

2.2 太陽(yáng)能加熱方式優(yōu)選

采油五廠的單井拉油點(diǎn)多為滾動(dòng)擴(kuò)邊井，油井產(chǎn)量較低，原油物性較差，且不含伴生氣，根據(jù)這一實(shí)際情況，應(yīng)用太陽(yáng)能輔助電加熱節(jié)能技術(shù)，確保儲(chǔ)油罐溫度，保證原油拉運(yùn)順利進(jìn)行。

油田儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)利用太陽(yáng)能加熱原油，一般有直接加熱和間接加熱兩種方式，太陽(yáng)能加熱方式對(duì)比見(jiàn)表1，可見(jiàn)在應(yīng)用太陽(yáng)能為原油加熱時(shí)，優(yōu)選間接加熱方式。

表1 太陽(yáng)能加熱方式對(duì)比

2.3 系統(tǒng)組成及工作原理

太陽(yáng)能輔助電加熱儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)主要有熱力系統(tǒng)、儲(chǔ)油系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。

熱力系統(tǒng)主要包括太陽(yáng)能集熱（光電一體太陽(yáng)能集熱器）、水循環(huán)、熱水存儲(chǔ)、電加熱補(bǔ)充和自動(dòng)控制，太陽(yáng)能供熱流程見(jiàn)圖2。

圖2 太陽(yáng)能供熱流程

2.4 集熱器的選擇

根據(jù)集熱方式的不同，太陽(yáng)能集熱器可分為聚光式和非聚光式兩類。非聚光式主要在低溫系統(tǒng)中使用，而聚光式則在中高溫系統(tǒng)中用熱。

目前集熱器主要有全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器和槽式聚光太陽(yáng)能集熱器兩種形式。

平板型太陽(yáng)集熱板結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，它可以采集太陽(yáng)直射輻射和散射輻射，集熱器與環(huán)境間溫差不大時(shí)熱效率較高而且成本較低，但它防凍抗凍能力差，不適合在寒冷地區(qū)使用。

全玻璃真空管集熱器具有保溫性能好、熱效率高和抗冰雹等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著運(yùn)行不安全、密封不可靠、結(jié)垢、不承壓、集熱器壽命短等缺點(diǎn)。

全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器：太陽(yáng)能透過(guò)外玻璃照射到內(nèi)管表面吸熱體上轉(zhuǎn)換為熱能，然后加熱玻璃內(nèi)的傳熱工質(zhì)，使其氣化并將熱量傳送到熱管的頂端，加熱傳熱介質(zhì)(通常是水)，同時(shí)使工質(zhì)凝結(jié)，流回?zé)峁艿南露?加熱端)，如此不斷循環(huán)。熱管式真空管集熱器具有以下優(yōu)點(diǎn):熱管工質(zhì)熱容量小，啟動(dòng)快；真空集熱管內(nèi)沒(méi)有水，耐冰凍；真空集熱管內(nèi)沒(méi)有水，耐熱沖擊；有效降低了向周圍環(huán)境散失的熱損失，可提高集熱效率[5-6]，全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器結(jié)構(gòu)

槽式聚光太陽(yáng)能集熱器：太陽(yáng)光透過(guò)大氣層入射到地球表面，會(huì)產(chǎn)生較低熱流密度的輻射能，直接利用會(huì)影響其經(jīng)濟(jì)性，只有將低熱流密度的輻射能通過(guò)聚集，才會(huì)轉(zhuǎn)化為高熱流密度的輻射能。從光學(xué)理論分析可知，拋物線聚光是唯一一種可以把一束平行光匯聚到一點(diǎn)的線型。

太陽(yáng)能槽式集熱器就充分利用了拋物面聚光原理，集熱器在輻射能源和能量吸收體之間加入了聚光元件，將大面積的低能量匯聚成小面積上的高能量，能夠獲得更高的集熱溫度，聚光比越大，集熱溫度越高。這種聚熱方式目前在太陽(yáng)能利用系統(tǒng)中占據(jù)主導(dǎo)地位，它為系統(tǒng)提供熱源，其效率和投資成本會(huì)影響到整個(gè)集熱系統(tǒng)的效率和經(jīng)濟(jì)性[7-9]，槽式聚光太陽(yáng)能集熱器集熱原理示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 槽式聚光太陽(yáng)能集熱器集熱原理示意圖

圖6 兩種集熱器集熱效率的比較

2.5 太陽(yáng)能集熱技術(shù)對(duì)比

兩種集熱器的太陽(yáng)能集熱技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表2，兩種集熱器集熱效率的比較見(jiàn)圖6。

表2 太陽(yáng)能集熱技術(shù)對(duì)比

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

虎8單井拉油點(diǎn)有2口油井，日產(chǎn)液32 m3，日產(chǎn)油30 t。建有2具50 m3高架儲(chǔ)油罐，原油物性見(jiàn)表3。

表3 原油物性

環(huán)境數(shù)據(jù)：按冬季環(huán)境溫度-10 ℃設(shè)計(jì)，原油進(jìn)罐溫度20 ℃，需要保持油罐內(nèi)原油40 m3溫度45 ℃左右，可以裝車?yán)汀?/p>

3.2 利用方案

3.2.1 流程設(shè)計(jì)

根據(jù)拉油點(diǎn)生產(chǎn)實(shí)際，太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)生產(chǎn)的熱水進(jìn)入保溫水箱為油井生產(chǎn)和拉油點(diǎn)生活用熱，拉油點(diǎn)太陽(yáng)能供熱流程示意圖如圖7所示。

圖7 拉油點(diǎn)太陽(yáng)能供熱流程示意圖

3.2.2 集熱面積計(jì)算

集熱面積計(jì)算參數(shù)依據(jù)國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集06SS128《太陽(yáng)能集中熱水系統(tǒng)選用與安裝》中北京市氣象參數(shù)作為參考[10-12]，北京市海拔高度31.3 m，緯度39°48＇，經(jīng)度116°28＇，每月及年總輻射數(shù)據(jù)，北京市各月設(shè)計(jì)用氣象參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 北京市各月設(shè)計(jì)用氣象參數(shù)

根據(jù)式（1）計(jì)算集熱器的總采光面積：

式中：Ac為直接系統(tǒng)集熱器采光面積，m2；Q為所需熱量，kJ；Jt為當(dāng)?shù)卮悍只蚯锓炙谠录療崞魇軣崦嫔显戮蛰椪樟?，此處取冬季平均日輻照量，kJ/m2；f為太陽(yáng)能保證率，無(wú)量綱；ηcd為集熱器全日集熱效率，國(guó)標(biāo)經(jīng)驗(yàn)值取0.40～0.55；ηL為管路及儲(chǔ)水箱熱損失率，無(wú)量綱。

通過(guò)計(jì)算，選擇采光面積為55.4 m2的系統(tǒng)集熱器，因此在拉油點(diǎn)安裝了10組太陽(yáng)能。

3.2.3 控制系統(tǒng)

安裝了智控系統(tǒng)控制柜一套，主要應(yīng)用其水溫顯示、溫差循環(huán)、防凍循環(huán)、輔助加熱等功能。

3.3 應(yīng)用效果

2019年7月27日該系統(tǒng)投產(chǎn)。在夏季晴好天氣情況下，太陽(yáng)光照時(shí)間8 h，維持溫度時(shí)間2～4 h，即有效利用時(shí)間10～12 h，集熱器溫度平均在70 ℃左右，循環(huán)水溫度50 ℃，循環(huán)回水溫度45 ℃，儲(chǔ)罐外壁測(cè)溫45 ℃。薄云天氣集熱器溫度平均在60 ℃左右，循環(huán)水溫度47 ℃，循環(huán)回水溫度40 ℃，儲(chǔ)罐外壁測(cè)溫41 ℃。陰天和夜間則需要電輔助加熱，電輔助加熱器功率32 kW（安裝在循環(huán)水箱4 根電加熱棒，8 kW/根），循環(huán)水箱電加熱溫度最高達(dá)到60 ℃。2019 年11 月5 日在薄云天氣情況下，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定集熱器溫度57 ℃，循環(huán)水溫度40 ℃，回水溫度33 ℃，井口原油溫度27 ℃，儲(chǔ)罐外壁測(cè)溫34 ℃。

存在的問(wèn)題：在夏季晴好天氣情況下，太陽(yáng)能加電輔助加熱基本能夠滿足原油儲(chǔ)罐加熱需要。冬季運(yùn)行可能存在熱量不足，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)和電輔加熱應(yīng)同時(shí)運(yùn)行[13]。

3.4 效益分析

單井拉油點(diǎn)應(yīng)用太陽(yáng)能輔助電加熱系統(tǒng)替代加熱爐供熱后，可使原油采出液溫度升高17～20 ℃，每年可節(jié)省天然氣4.8×104m3，可節(jié)約燃料費(fèi)15 萬(wàn) 元/a，減少 CO2排放 85 t，減少 SO2排放 13 t、減少NOx排放5.5 t，具有較好的節(jié)能減排效果。

4 結(jié)論與建議

太陽(yáng)能光熱技術(shù)在油氣田節(jié)能應(yīng)用方面已取得了初步的進(jìn)展，從能源利用和現(xiàn)有的技術(shù)來(lái)看，太陽(yáng)能光熱技術(shù)用于原油熱采或儲(chǔ)油預(yù)熱，提高原油的管輸能力是石油企業(yè)現(xiàn)實(shí)可行的利用太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)油氣田節(jié)能的技術(shù)方案。在原油加熱過(guò)程中，如何保證太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定地工作，是太陽(yáng)能光熱技術(shù)在油氣田節(jié)能應(yīng)用中的一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題，因此集熱和蓄熱的有機(jī)結(jié)合，才可以保證整個(gè)系統(tǒng)熱量的平穩(wěn)輸出，同時(shí)起到削峰填谷的作用。