光熱復(fù)合碟設(shè)備在長(zhǎng)慶油田站場(chǎng)的應(yīng)用分析

池坤，楊光，王榮敏，肖雪，耿奧

長(zhǎng)慶工程設(shè)計(jì)有限公司

0 引言

為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，中國(guó)大力推動(dòng)綠色能源發(fā)展，逐漸減少傳統(tǒng)化石能源的供應(yīng)［1-3］。太陽(yáng)能屬于綠色、可再生資源，合理利用太陽(yáng)能可有效緩解溫室效應(yīng)［4-5］。由于中國(guó)國(guó)內(nèi)原油蠟含量較高，為實(shí)現(xiàn)油品順利輸送需使用加熱爐加溫后輸送。中國(guó)大部分油田處于太陽(yáng)能資源二類、三類地區(qū)，為建設(shè)聚光型太陽(yáng)能光熱鍋爐提供了較好條件［6］。以長(zhǎng)慶油田為例，對(duì)國(guó)內(nèi)外3 種主要光熱集熱系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比分析，并對(duì)優(yōu)選的光熱設(shè)備在油田站場(chǎng)的應(yīng)用情況進(jìn)行了分析，以期為國(guó)內(nèi)油田站場(chǎng)利用光熱技術(shù)提供一定借鑒。

1 光熱設(shè)備在油田適用性分析

結(jié)合油田區(qū)塊太陽(yáng)能資源分布、建設(shè)現(xiàn)狀、用熱參數(shù)及替代潛力，選擇位于陜西省榆林市定邊縣的A 站場(chǎng)（脫水站）作為長(zhǎng)慶油田第一批光熱利用示范場(chǎng)地。該項(xiàng)目所在區(qū)域集合風(fēng)能、光能等多種自然資源，除光熱資源外，站外路邊空地還設(shè)有光伏發(fā)電。根據(jù)Solargis 數(shù)據(jù)庫(kù)資料，A 站場(chǎng)所處地區(qū)年總輻射量為5 127.8 MJ/m2，太陽(yáng)能資源豐富程度為B 級(jí)（很豐富）［7-9］。

1.1 光熱集熱系統(tǒng)

目前，國(guó)內(nèi)外主要有3 種光熱集熱系統(tǒng)，分別為槽式［10-11］、菲涅耳式［12］和碟式［13］。槽式和菲涅耳式光熱系統(tǒng)的聚光集熱方式均為線性聚焦，一般采用單軸跟蹤，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單；碟式為點(diǎn)式聚焦系統(tǒng)，聚光率高于線性聚焦，多采用雙軸跟蹤，控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。

1.1.1 槽式光熱系統(tǒng)

槽式光熱系統(tǒng)的聚光集熱方式為線性聚焦，系統(tǒng)由一系列的基本集熱單元組成（見(jiàn)圖1a），每個(gè)單元主要包含空間扭矩框式鋼結(jié)構(gòu)支架、反射鏡及真空集熱管（見(jiàn)圖1b）。12 個(gè)基本集熱單元組成一個(gè)長(zhǎng)約150 m 的集熱組件，單元間緊固連接防止移動(dòng)錯(cuò)位。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，槽式反射鏡將太陽(yáng)光匯聚在焦線處的集熱管上以進(jìn)行吸收。為提高聚光率，分別在集熱單元末端軸向及集熱組件間安裝轉(zhuǎn)動(dòng)軸承和液壓驅(qū)動(dòng)裝置。槽式光熱系統(tǒng)技術(shù)較為成熟，且結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，易大批量生產(chǎn)安裝，維護(hù)成本低。

圖1 槽式光熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理示意

1.1.2 菲涅耳式光熱系統(tǒng)

菲涅耳式光熱系統(tǒng)的聚光集熱方式也為線性聚焦，系統(tǒng)包括反射鏡、集熱管與二次聚光器（見(jiàn)圖2a）。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，反射鏡先將太陽(yáng)光投射到二次聚光器上，再匯聚到集熱管上進(jìn)行集熱發(fā)熱（見(jiàn)圖2b）。為加強(qiáng)聚光作用，設(shè)有全機(jī)械（非液壓）跟蹤驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)光。菲涅耳式光熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但菲涅耳式反射鏡只對(duì)一定范圍內(nèi)的光進(jìn)行反射或折射，導(dǎo)致其聚光能力差、集熱發(fā)熱效率低［14］。

圖2 菲涅耳式光熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理示意

1.1.3 碟式光熱系統(tǒng)

碟式光熱系統(tǒng)的聚光集熱方式為點(diǎn)聚焦，采用多碟共焦塔式線性菲涅耳產(chǎn)品（簡(jiǎn)稱復(fù)合碟）收集熱能。該系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)有場(chǎng)地情況放置集熱回路單元，集熱回路單元間用主管網(wǎng)連接，并聯(lián)成循環(huán)集熱系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，太陽(yáng)光通過(guò)反射鏡匯聚到焦點(diǎn)上，通過(guò)光熱裝置進(jìn)行加熱（見(jiàn)圖3）。系統(tǒng)主架體采用主動(dòng)抗風(fēng)設(shè)計(jì)與低矮桁架結(jié)構(gòu)；聚光鏡片采用厚度4 mm、反射率大于85.5%的超白玻璃，鏡背保護(hù)漆為3 層氟碳漆，鏡片之間設(shè)計(jì)泄風(fēng)槽。追蹤控制模式為“光控+軌跡”雙軸，以光控為主，跟蹤精度為0.01°，自動(dòng)檢測(cè)光強(qiáng)值，可區(qū)分晴天、陰天、夜間等工況（參數(shù)可調(diào)節(jié)）［15-16］。碟式光熱系統(tǒng)安全性高、壽命長(zhǎng)，能利用中高溫太陽(yáng)光集熱，供熱穩(wěn)定且質(zhì)量高。相較于槽式、菲涅耳式系統(tǒng)的大范圍集熱發(fā)熱，碟式為獨(dú)立模塊就地進(jìn)行熱能轉(zhuǎn)換，聚光效率較高［17-18］。

圖3 碟式光熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 光熱集熱系統(tǒng)對(duì)比

結(jié)合A 站場(chǎng)的熱需求量，對(duì)以上3 種光熱集熱系統(tǒng)進(jìn)行綜合對(duì)比見(jiàn)表1。由表1可知，碟式光熱技術(shù)替代率高、占地小、后期維護(hù)簡(jiǎn)單且費(fèi)用較低，因此A 站場(chǎng)的光熱系統(tǒng)采用碟式光熱技術(shù)。

表1 3 種光熱集熱系統(tǒng)綜合對(duì)比

2 光熱復(fù)合碟設(shè)備在油田站場(chǎng)的應(yīng)用

長(zhǎng)慶油田站場(chǎng)共千余座［19］，由于小型站場(chǎng)熱量需求低，使用光熱復(fù)合碟設(shè)備經(jīng)濟(jì)性不高，因此光熱復(fù)合碟設(shè)備僅適合在設(shè)計(jì)規(guī)模600 m3/d 以上的大中型站場(chǎng)使用。目前，長(zhǎng)慶油田大中型站場(chǎng)共計(jì)293 座，年需求熱量為3.0×106GJ，需要碟式設(shè)備采光面積約81×104m2，占地面積超過(guò)240×104m2。為驗(yàn)證復(fù)合碟設(shè)備的實(shí)際供熱效果，選擇A 站場(chǎng)進(jìn)行先導(dǎo)性試驗(yàn)。

2.1 站場(chǎng)簡(jiǎn)介

A 站場(chǎng)的設(shè)計(jì)原油處理能力為1 500 m3/d，接收上游增壓點(diǎn)來(lái)液量1 100 m3/d、井場(chǎng)來(lái)液量100 m3/d，含水率78%。來(lái)液平均溫度16.8 ℃，加熱爐出口溫度55 ℃。站場(chǎng)主要功能包括原油升溫、油氣分離、原油脫水、凈化油外輸、采出水處理及回注等，主要設(shè)備情況見(jiàn)表2。A 站場(chǎng)天然氣消耗量為157.5×104m3/d。

表2 A 站場(chǎng)設(shè)備一覽

2.2 光熱系統(tǒng)與站場(chǎng)銜接

在陽(yáng)光充足條件下，光熱系統(tǒng)通過(guò)太陽(yáng)能加熱導(dǎo)熱油，對(duì)原油加熱爐進(jìn)行熱源補(bǔ)充。光熱系統(tǒng)與站場(chǎng)銜接流程：進(jìn)站來(lái)液在進(jìn)入三相分離器進(jìn)行一段脫水后先與光熱系統(tǒng)對(duì)接，再與原進(jìn)加熱爐的管道對(duì)接。集熱鏡場(chǎng)中每個(gè)復(fù)合碟并聯(lián)連接，當(dāng)太陽(yáng)光達(dá)到一定強(qiáng)度、碟內(nèi)管道的導(dǎo)熱油溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，下部電磁閥自動(dòng)打開(kāi)，導(dǎo)熱油進(jìn)入主管路開(kāi)始循環(huán)加熱，至導(dǎo)熱油罐內(nèi)，通過(guò)油油換熱器和油水換熱器為站內(nèi)含水油和保障點(diǎn)生活用水提供熱能。工藝流程見(jiàn)圖4。

圖4 A 站場(chǎng)工藝流程

光熱系統(tǒng)中，復(fù)合碟單臺(tái)獨(dú)立運(yùn)行，均設(shè)有一套循環(huán)管路，且設(shè)有溫度變送器，通過(guò)溫差控制該臺(tái)設(shè)備的循環(huán)閥開(kāi)啟或關(guān)閉。主循環(huán)管網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，始終保持管路壓力。復(fù)合碟分組循環(huán)，每組設(shè)有一套循環(huán)泵進(jìn)行控制，由該組的復(fù)合碟提供控制信號(hào)，晴天且溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)開(kāi)啟，將太陽(yáng)能設(shè)備收集的熱量傳輸至循環(huán)油箱。光熱系統(tǒng)工藝流程示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 光熱系統(tǒng)工藝流程示意

2.3 復(fù)合碟數(shù)量計(jì)算

對(duì)導(dǎo)熱油與凈化水功能性、適用性等方面進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)表3）。由表3可知，相較于凈化水，導(dǎo)熱油的費(fèi)用雖然較高，但其適用溫度范圍大、熱效率高、使用期限長(zhǎng)、操作簡(jiǎn)單，更適合作為熱媒。不同季節(jié)的站場(chǎng)相關(guān)參數(shù)計(jì)算見(jiàn)表4。根據(jù)GB 50364—2018《民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中的公式確定集熱面積：

表3 光熱設(shè)備中換熱介質(zhì)對(duì)比

表4 不同季節(jié)站場(chǎng)計(jì)算所需的相關(guān)參數(shù)

式中：AC——集熱器面積，m2；QW——導(dǎo)熱油用量，kg；CW——導(dǎo)熱油比熱容，kJ/（kg·℃）；tend——貯油箱內(nèi)導(dǎo)熱油的設(shè)計(jì)溫度，℃；t0——導(dǎo)熱油的初始溫度，℃；f——太陽(yáng)能保證率，取50%；JT——當(dāng)?shù)丶療崞鞑晒饷嫔系哪昶骄仗?yáng)輻照量，kJ·m2；ηcd——集熱器年平均即熱效率，經(jīng)驗(yàn)值為0.55；ηL——貯油箱和管路的熱損失率，經(jīng)驗(yàn)值為0.25。

經(jīng)計(jì)算，AC=2 900 m2。根據(jù)單臺(tái)復(fù)合碟產(chǎn)品參數(shù)：太陽(yáng)能集熱面積為100 m2；占地面積為12 m×11 m×10 m（可架高，底座占地1 m×1 m）。A 站場(chǎng)需29 個(gè)復(fù)合碟代替站內(nèi)加熱爐，占地約8 000 m2。

2.4 平面布置

A 站場(chǎng)西側(cè)為保障點(diǎn)，東側(cè)在用井場(chǎng)的南側(cè)有一處廢棄井場(chǎng)可拆除廢舊設(shè)施，北側(cè)有一處空地（見(jiàn)圖6a），占地約9 334 m2，可新建光熱設(shè)備進(jìn)行供熱。光熱系統(tǒng)包含集熱鏡場(chǎng)、循環(huán)油泵、集熱循環(huán)油泵、保障點(diǎn)熱水儲(chǔ)水箱、油油換熱器、油水換熱器、循環(huán)水泵、控制箱等。鏡場(chǎng)分為兩個(gè)部分，南、北兩側(cè)區(qū)域分別設(shè)立復(fù)合碟區(qū)（見(jiàn)圖6b），擺放17 臺(tái)、12 臺(tái)復(fù)合碟。每個(gè)鏡場(chǎng)各串聯(lián)一組集熱單元回路，兩回路間用主管網(wǎng)連接，并聯(lián)成一個(gè)循環(huán)集熱系統(tǒng)。導(dǎo)熱油罐、油油換熱器、油水換熱器、生活熱水換熱器、保障點(diǎn)熱水儲(chǔ)水箱均設(shè)置在站場(chǎng)東側(cè)井場(chǎng)空地，光熱管網(wǎng)埋地敷設(shè)。

圖6 A 站場(chǎng)平面布置及鏡場(chǎng)布置示意

2.5 節(jié)能效果

光熱替代率是指光熱系統(tǒng)為站場(chǎng)提供熱能后節(jié)約的燃?xì)馀c原站場(chǎng)消耗燃?xì)饬康谋戎?，光熱設(shè)備提供的熱量越多，燃?xì)獾南牧吭缴?，替代率越高。A站場(chǎng)的節(jié)能效果計(jì)算情況見(jiàn)表5。站場(chǎng)采用光熱系統(tǒng)后，耗費(fèi)燃?xì)饬繙p少，費(fèi)用降低，A 站場(chǎng)的光熱系統(tǒng)替代率為30.2%。

表5 不同季節(jié)光熱對(duì)燃?xì)獾奶娲闆r

3 結(jié)論

相較槽式、菲涅耳式光熱系統(tǒng)，碟式光熱設(shè)備占地小，適用于站場(chǎng)征地困難、場(chǎng)地受限的情況，因此，長(zhǎng)慶油田A 站場(chǎng)擬選用復(fù)合碟式共焦光熱系統(tǒng)進(jìn)行光熱利用。

經(jīng)計(jì)算，采用光熱系統(tǒng)能提高站場(chǎng)加熱效率、節(jié)約燃?xì)?，具有較好的節(jié)能效果。油田的光熱利用尚處于起步探索階段，在具體應(yīng)用中，需結(jié)合油田光熱資源條件、用熱負(fù)荷、可用地等情況，統(tǒng)籌考慮投資費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用等進(jìn)行綜合論證，選取適合本油田資源、負(fù)荷特點(diǎn)的光熱技術(shù)，助力節(jié)能減碳、綠色發(fā)展。