論太陽能原油加熱系統(tǒng)在油田的應(yīng)用推廣

解建輝 王海鵬

（1.青海油田公司地面集輸工程公司；2.青海油田公司環(huán)保處）

青海省是全國太陽能最豐富的地區(qū)之一，太陽輻射強(qiáng)度大，日照時(shí)間長，尤其是柴達(dá)木盆地，海拔高，大氣稀薄，大氣削弱作用小，大氣透明度好，對太陽輻射反射少，到達(dá)地面的太陽輻射強(qiáng)[1]。柴達(dá)木盆地年日照時(shí)數(shù)達(dá)3200～3300h，年總輻射量達(dá)6690～8400MJ/m2，有可用于光伏發(fā)電或太陽能光熱建設(shè)的荒漠化土地10×104km2，公認(rèn)為是發(fā)展太陽能產(chǎn)業(yè)的理想之地。而原油在集油儲油過程中必須進(jìn)行加熱與保溫，以保持良好的流動(dòng)性[2]，目前原油加熱設(shè)備存在耗能高、排放高、效率低的缺點(diǎn)。隨著油田開采進(jìn)入中后期，含水上升導(dǎo)致開采成本、能耗上升的問題日益突出。因此，有效利用太陽能，減少不可再生能源的消耗，是降低開采成本，實(shí)現(xiàn)油田企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要舉措。

1 利用太陽能原油加熱的背景

油田供熱主要包括原油輸送系統(tǒng)的加熱和冬季生活區(qū)采暖兩部分，分別需加熱至40～70℃和80℃左右，均為低品位熱用戶，各供熱環(huán)節(jié)采用加熱爐加熱。原油加熱爐存在多種腐蝕情況，主要包括燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣對爐管外壁及爐內(nèi)件的高溫氧化，爐管內(nèi)被加熱介質(zhì)對管路系統(tǒng)的沖蝕、碳化、硫化、氫損傷、開停工不穩(wěn)定工況引起的熱沖擊等。此外，煙中含有水蒸CO2以及剩余O2，燃燒過程中，大量水蒸氣凝結(jié)在低于煙氣露點(diǎn)的低溫受熱交換器面上，再溶解CO2和O2會(huì)腐蝕金屬內(nèi)表面[3]。同時(shí)由此可見，原油加熱爐不僅消耗大量的一次能源，而且存在很多其他問題及安全隱患。加熱爐內(nèi)溫度分布不均會(huì)引起熱應(yīng)力腐蝕，嚴(yán)重時(shí)可誘發(fā)爆炸。

隨著青海油田采油難度的不斷增加，總體呈現(xiàn)出多井、低產(chǎn)、高耗能、采油成本較高、管理困難等難題。如果能有針對性地開發(fā)利用太陽能，利用太陽能加熱原油或供暖（熱），雖然一次投資較高，但運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用較低，還可消除設(shè)備腐蝕及明火易爆等安全隱患，同時(shí)，還具備節(jié)能減排的社會(huì)效益，符合國家新能源發(fā)展扶持政策。

2 太陽能原油加熱原理

太陽能原油加熱系統(tǒng)原理見圖1，通過采用太陽能集熱+保溫水箱儲熱的方式，以求最大化利用太陽能。

圖1 太陽能原油加熱系統(tǒng)原理

在白天光照條件下，通過控制器使太陽能系統(tǒng)自動(dòng)溫差循環(huán)。當(dāng)太陽能集熱器水溫高于集熱水箱的水溫時(shí)（一般為10℃，可設(shè)置），控制系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)太陽能循環(huán)水泵，將集熱水箱內(nèi)較低溫度的水送入太陽能集熱器進(jìn)行加熱，同時(shí)將太陽集熱器內(nèi)較高溫度的熱水頂出集熱器，流回集熱水箱；當(dāng)太陽能集熱器水溫低于集熱水箱的水溫時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)停止太陽能循環(huán)水泵，太陽能集熱器繼續(xù)吸熱[4]。通過使集熱水箱水溫升高的方法儲存集熱器吸收的熱量。當(dāng)遇到陰雨天，太陽能系統(tǒng)無法滿足供熱要求，控制系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)輔助能源，最大化節(jié)省能源。

為保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定，使加熱原油的進(jìn)口熱水溫度不受太陽輻照瞬時(shí)變化的直接影響，太陽能集熱器出口的熱水首先進(jìn)入蓄熱水箱，再由蓄熱水箱進(jìn)入加熱原油換熱器。設(shè)置的蓄熱水箱主要功能是用來儲存多余的熱能，將太陽輻射高峰時(shí)暫時(shí)用不了的能量以熱水的形式儲存起來，以備在無太陽能輻射時(shí)使用，實(shí)現(xiàn)對外輸原油進(jìn)行不間斷加熱，每年4—10月在不使用其他能源加熱的條件下，原油外輸溫度可保持在32～52℃。裝置運(yùn)行所需能源可由太陽能提供，只有在冬季夜晚或連續(xù)陰天太陽光強(qiáng)度較弱時(shí)，可以點(diǎn)燃燃?xì)饧訜釥t，燃?xì)饧訜釥t可以小火運(yùn)行，補(bǔ)償太陽能加熱功率的不足。兩種加熱系統(tǒng)互相配合，由PLC智能控制系統(tǒng)來控制燃?xì)饧訜釥t的介入時(shí)間，盡可能充分利用太陽能輻射能量，達(dá)到最佳節(jié)氣運(yùn)行的目的。太陽能原油加熱系統(tǒng)在保證原油溫度的同時(shí)盡可能利用綠色能源低成本運(yùn)行，可有效減少藥劑投加及清障掃線的工作量及費(fèi)用；可滿足管線冬季對外輸原油溫度的要求，防止原油脫蠟造成的管線運(yùn)行不暢、凍堵等現(xiàn)象的發(fā)生。

3 太陽能原油加熱裝置的優(yōu)化

太陽能原油加熱裝置優(yōu)化為內(nèi)置換熱盤管保溫水箱，通過水箱內(nèi)部的原油換熱盤管實(shí)現(xiàn)對外輸原油的加熱，根據(jù)現(xiàn)場需求設(shè)置水箱溫度，使原油輸送溫度保持在一定溫度范圍，太陽能原油加熱優(yōu)化布置見圖2。蓄熱水箱采用與泵、閥及換熱器一體式化設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)簡單、換熱效率高、保溫性好、安全可靠、拖運(yùn)方便，便于現(xiàn)場安裝和檢修等優(yōu)勢[5]。太陽能原油加熱系統(tǒng)平面布置見圖3。

圖2 太陽能原油加熱優(yōu)化布置

圖3 太陽能原油加熱系統(tǒng)平面布置

太陽能原油加熱裝置優(yōu)化后，將換熱盤管內(nèi)置保溫水箱與控制柜、循環(huán)泵組集成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)橇裝結(jié)構(gòu)，每個(gè)橇裝單元對應(yīng)一個(gè)加熱單元，橇裝部分可一次吊裝安放完成。為了使設(shè)備能夠適應(yīng)各種惡劣環(huán)境，提高穩(wěn)定性，并能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控，系統(tǒng)采用組態(tài)軟件和GPRS網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)為太陽能原油加熱系統(tǒng)的大腦，控制系統(tǒng)的優(yōu)劣決定著整個(gè)系統(tǒng)的先進(jìn)與落后。

3.1 控制系統(tǒng)主要功能

控制系統(tǒng)主要功能為：溫差循環(huán)功能；水溫顯示功能；水箱水量定時(shí)檢測自動(dòng)補(bǔ)充功能；現(xiàn)場手動(dòng)控制功能；液晶屏顯示功能；太陽能加熱系統(tǒng)各種保護(hù)功能；冬季自動(dòng)啟動(dòng)管道防凍保護(hù)；其它漏電內(nèi)部保護(hù)功能。

由于系統(tǒng)運(yùn)行在原油開采集輸環(huán)節(jié)，處于易燃易爆工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，因此系統(tǒng)還具備安全應(yīng)急處理功能，能在緊急故障發(fā)生時(shí)進(jìn)入應(yīng)急處理狀態(tài)，自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)識別、進(jìn)行安全狀態(tài)切換；系統(tǒng)具有自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種模式，可以在緊急情況或用戶需要時(shí)方便地切換控制方式；并具有聲光報(bào)警子系統(tǒng)，用于管路中溫度的極限情況報(bào)警，或管路堵塞等其他危險(xiǎn)情況發(fā)生時(shí)的報(bào)警[6]?？刂葡到y(tǒng)通過在PLC中的多種參數(shù)設(shè)定可實(shí)現(xiàn)對原油外輸溫度的控制和集約化管理；通過采用GPRS遠(yuǎn)傳模塊和組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，并且工況參數(shù)實(shí)時(shí)進(jìn)行記錄、傳輸和儲存，報(bào)警信息及時(shí)短信通知，在增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)為與油田數(shù)字化平臺對接建立了條件。

3.2 太陽能原油加熱優(yōu)勢

1）節(jié)能降耗。一次性投入，節(jié)約大量后期維護(hù)費(fèi)用。同時(shí)只要有陽光的地方便可直接使用太陽能，顯著地減少了天然氣消耗及從發(fā)電廠傳送及分配電力相關(guān)的投資成本。

2）利用太陽能集熱器代替天然氣加熱電加熱可以解決部分計(jì)量站和轉(zhuǎn)油站的冬季采暖問題。適當(dāng)利用太陽能供熱就可以節(jié)約大量的天然氣資源，降低能耗及生產(chǎn)成本。

3）清潔環(huán)保。太陽能作為最清潔的能源之一，利用其發(fā)電或供熱時(shí)不會(huì)排放廢氣、廢水、廢棄物，沒有噪聲[7]。

4）可靠性和耐用性強(qiáng)。太陽能集熱系統(tǒng)無需移動(dòng)部件，（除循環(huán)泵外）無需定期維護(hù)，優(yōu)質(zhì)的太陽能組件可在未經(jīng)任何大修的情況下運(yùn)行15～20年。

5）可降低對傳統(tǒng)能源的依賴。太陽能不會(huì)面臨燃料價(jià)格波動(dòng)或供應(yīng)短缺的限制，適當(dāng)尺寸及規(guī)格的太陽能加熱系統(tǒng)可低成本長期運(yùn)作及成本固定的情況下可靠運(yùn)行。

天然氣鍋爐耗氣量計(jì)算公式為：燃?xì)忮仩t耗氣量(每小時(shí))=燃?xì)忮仩t功率×?xí)r間/燃料熱值/熱效率。如燃?xì)忮仩t功率為100kW即0.1MW天然氣鍋爐，天然氣燃料的熱值為35.53MJ/m3，假設(shè)燃?xì)忮仩t熱效率為88%。100kW每小時(shí)耗氣量為11.51m3/h。

每天24小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)則耗費(fèi)天然氣276.335m3。由于鍋爐不是24h滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)際運(yùn)行耗氣量低于理論值，而太陽能原油加熱系統(tǒng)通常是按30%～80%的供熱，不是滿負(fù)荷供熱故我們可以按熱能值折算成天然氣耗氣量來計(jì)算天然氣節(jié)約值。如100kW加熱爐一個(gè)小時(shí)理論耗天然氣11.51m3左右，每天耗能為383.97元，每年天然氣費(fèi)用為14.015萬元。利用70%的太陽能每年可節(jié)能9.8105萬元。利用50%的太陽能每年可節(jié)能7.025萬元。以太陽能利用30%來計(jì)算，每年可節(jié)能4.215萬元。

根據(jù)太陽能生產(chǎn)廠家的相關(guān)資料顯示，熱管集熱器的使用壽命在15年以上，熱管集熱器可在零下50℃條件下使用并能夠承壓運(yùn)行。以目前的市場價(jià)，以不同種類鍋爐加熱1t水溫升50℃所消耗的能源和成本為例，進(jìn)行對比可以看出太陽能熱管集熱系統(tǒng)的投資性優(yōu)于煤、電、天然氣和柴油加熱系統(tǒng)，傳統(tǒng)加熱方式投資效益分析見表1?？偟膩碚f，太陽能原油加熱系統(tǒng)是一次性投資大、但運(yùn)行費(fèi)用小的項(xiàng)目，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于油田常用的天然氣鍋爐加熱，并且隨著太陽能利用規(guī)模越大越能顯示規(guī)模效應(yīng)來。假如以年產(chǎn)240×104t原油來計(jì)算，原油由25～30℃提高至55℃左右，原油溫升25～30℃[8]；如果30%左右熱能利用太陽能，僅加熱原油（假設(shè)原油已脫水）則所需耗熱量為：

表1 加熱方式投資效益分析

式中：Q1為耗熱量，kcal；m為油的質(zhì)量（取240×104），kg；c為油的比 熱（取0.5），kcal/kg·℃；Δt為溫度差（取25），℃。

可計(jì)算出耗熱量為30×109kcal，節(jié)能30%則為9×109kcal，折合標(biāo)準(zhǔn)煤為1285.7t，折算成天然氣為96.67×104m3。而實(shí)際采油生產(chǎn)過程中原油含有大量的水，并且天然氣鍋爐熱效率不可能是100%，實(shí)際中可節(jié)約熱能是1285.7t(標(biāo)煤)的幾倍或幾十倍。根據(jù)2017年青海油田水套加熱爐改造的有關(guān)數(shù)據(jù)而知，青海油田加熱爐的平均熱效率由73.9%提高到81%，就實(shí)現(xiàn)年節(jié)氣698×104m3的節(jié)能指標(biāo)[9]，加熱爐熱效率比過去平均提高7.1%，就實(shí)現(xiàn)年可減排CO2為2.36×104t，那么用太陽能替代加熱爐所需30%的天然氣，則年可減排CO2為9.97×104t，節(jié)約天然氣可達(dá)2949.3×104m3。由此可見太陽能加熱原油在節(jié)能減排方面具有巨大的優(yōu)勢；在油田的采油、集輸?shù)冗^程中至少有20%能耗用于原油加熱與處理[10]。

4 結(jié)論

從能源與環(huán)境的角度看，太陽能光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)在降低油田能耗的應(yīng)用，主要包括原油預(yù)熱，將原油預(yù)熱并維持在50℃以上，以利于儲存（保持其流動(dòng)性）；原油加熱，降低原油的黏度，明顯提高原油管輸?shù)妮斔湍芰?；水的加熱，原油熱采通常要注入熱水或蒸汽，利用太陽能對水進(jìn)行加熱。而在以上3個(gè)方面太陽能原油加熱系統(tǒng)均可實(shí)現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換的功效。

1）如果太陽能原油加熱裝置能在油田大面積應(yīng)用，可利用遠(yuǎn)程系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示和控制整個(gè)生產(chǎn)工藝過程，一方面增強(qiáng)了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，可解決青海油田井場因分布地域廣泛，氣候和地形惡劣帶來的設(shè)備維護(hù)難題；另一方面通過各區(qū)域設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的連續(xù)記錄與分析，為生產(chǎn)環(huán)節(jié)的集約化管理提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2）利用太陽能加熱原油是油田降低能源消耗，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的可行性舉措。而且太陽能集熱技術(shù)的應(yīng)用，順應(yīng)了國家“低碳、綠色發(fā)展”的需求；合理利用太陽能可以減少能源浪費(fèi)，就能為碳中和、碳減排貢獻(xiàn)自己的力量。

3）大面積推廣太陽原油加熱，可為提升安全環(huán)保管控能力、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、降低員工勞動(dòng)強(qiáng)度提供有力支撐。并且可以消除原油加熱工過程中因設(shè)備腐蝕及鍋爐運(yùn)行而存在明火易引發(fā)爆炸等一系列不安全隱患。