撬裝式光熱裝置在油田中的應(yīng)用

李德純 李 震 李清萍

勝利石油管理局有限公司新能源開發(fā)中心 山東東營(yíng) 257000

1 應(yīng)用背景

為了實(shí)現(xiàn)化石能源潔凈化、生產(chǎn)過程低碳化,建設(shè)真正意義上的綠色油田,勝利油田對(duì)油氣生產(chǎn)過程中的傳統(tǒng)能源進(jìn)行代替。目前,勝利油田進(jìn)行先導(dǎo)試驗(yàn)及投產(chǎn)運(yùn)行太陽能加熱裝置共計(jì)有63套,年供熱20 000 GJ,年可節(jié)電1 250 000 kWh,年可節(jié)氣650 000 m3。從2020年開始,新能源開發(fā)中心為稠油井口和單井儲(chǔ)油罐投產(chǎn)37套撬裝式光熱裝置,如圖1所示。筆者對(duì)已投產(chǎn)的37套撬裝式光熱裝置運(yùn)行效果進(jìn)行分析,為油田下一步選擇油氣開采、集輸過程中的傳統(tǒng)能源代替方式提供參考。

圖1 撬裝式光熱裝置

2 光熱裝置結(jié)構(gòu)和原理

目前,國(guó)內(nèi)常用的原油井口加熱方式主要有三種,分別為天然氣加熱、電加熱、太陽能自控加熱。

采用天然氣加熱,采油井場(chǎng)安裝天然氣加熱爐,通過燃燒天然氣將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能。

采用電加熱,原油井口安裝電加熱器,將電能轉(zhuǎn)換為熱能,為原油加熱。

太陽能自控加熱通過超導(dǎo)真空集熱器,將太陽能能轉(zhuǎn)換為熱能。太陽能自控加熱可以依托兩種熱源,分別為太陽光和電。與其它加熱方式相比,太陽能自控加熱具有較高的可靠性和較低的運(yùn)行費(fèi)用。

油田許多油井原油黏度高,流動(dòng)性差,液量低,需要依靠井口摻水加熱來降低回壓,保證正常生產(chǎn)。目前通常采用天然氣加熱或電加熱方式,能耗高,污染大。根據(jù)勝利油田綠色企業(yè)行動(dòng)實(shí)施方案中的要求,采用太陽能自控加熱方式代替原有加熱方式,可以達(dá)到節(jié)能減排的目的。

太陽能加熱效果的好壞主要取決于集熱器的性能。目前主要有平板型、全玻璃真空管、真空熱管三種太陽能集熱器,各種太陽能集熱器各有優(yōu)缺點(diǎn),用途、適用地區(qū)、性價(jià)比也有所不同。

平板型太陽能集熱器由透光玻璃板、保溫層、外框、進(jìn)出水管等組成,如圖2所示。當(dāng)太陽光透過透光玻璃板照在平板集熱板上時(shí),平板集熱板內(nèi)的水被加熱升溫。由于熱水的密度小,冷水的密度大,使平板集熱板內(nèi)的熱水自動(dòng)上升到處于高位的儲(chǔ)水箱內(nèi),儲(chǔ)水箱內(nèi)的冷水則會(huì)自動(dòng)流入處于低位的平板集熱板內(nèi)。由此,在太陽光照射下,平板集熱板內(nèi)的水和儲(chǔ)水箱內(nèi)的水不斷循環(huán),儲(chǔ)水箱內(nèi)的水被加熱。也可以將大水箱放置在低處,通過水泵與平板型太陽能集熱器強(qiáng)制循環(huán),組成強(qiáng)制循環(huán)平板太陽能熱水系統(tǒng)。平板型太陽能集熱器是應(yīng)用較早的一種太陽能集熱器,一直以來也是世界太陽能市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品,廣泛應(yīng)用于各種低溫?zé)崴訜犷I(lǐng)域。因防凍問題,以及集熱性能受季節(jié)和環(huán)境影響較大,平板型太陽能集熱器目前主要在南方冬季氣溫較高的地區(qū)應(yīng)用,在北方寒冷地區(qū)冬季運(yùn)行效果欠佳。

圖2 平板型太陽能集熱器

全玻璃真空管太陽能集熱器外形像拉長(zhǎng)了的暖水瓶,由內(nèi)外兩根直徑不同、單端開口的同心圓玻璃管組成,如圖3所示。開口端內(nèi)外管燒熔成環(huán)行密封,不開口端內(nèi)外管之間用金屬卡子固定。內(nèi)管外壁鍍選擇性吸收涂層,外管為透明玻璃。內(nèi)外管之間抽為真空。由于真空保溫和選擇性吸收涂層的作用,理論上,在空曬情況下,全玻璃真空管太陽能集熱器內(nèi)溫度可達(dá)200 ℃以上。全玻璃真空管太陽能集熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,生產(chǎn)技術(shù)可靠,成本較低,熱效率高,適合在冬天氣溫為0～20 ℃的地區(qū)使用。全玻璃真空管太陽能集熱器的缺點(diǎn)是不能承壓,使用時(shí)不能缺水空曬,否則玻璃管容易爆裂,存在一定的安全隱患。

圖3 全玻璃真空管太陽能集熱器

熱管真空管太陽能集熱器如圖4所示。熱管是一種高效導(dǎo)熱元件,安裝在全玻璃真空管中。熱管和全玻璃真空管之間設(shè)有與二者緊密接觸的金屬翅片,將玻璃管轉(zhuǎn)換的太陽能熱量傳導(dǎo)給熱管蒸發(fā)段。熱管再利用內(nèi)部真空狀態(tài)下工質(zhì)的蒸發(fā)吸熱和放熱冷凝,將熱量傳導(dǎo)至被加熱流體中。這樣既實(shí)現(xiàn)了全玻璃真空管不直接接觸被加熱流體,解決了全玻璃真空管太陽能集熱器的缺點(diǎn),又保留了全玻璃真空管在低溫環(huán)境中散熱少,加熱工質(zhì)溫度高的優(yōu)點(diǎn)。熱管真空管太陽能集熱器有很強(qiáng)的抗凍能力,適用于-40 ℃左右的地區(qū);可承壓,耐空曬,不易爆管;熱容量小,啟動(dòng)快,可用于產(chǎn)高溫?zé)崴㈤_水。熱管真空管太陽能集熱器效率高,系統(tǒng)較成熟,無安全隱患,缺點(diǎn)是造價(jià)較高。

圖4 熱管真空管太陽能集熱器

根據(jù)油田單井加熱的現(xiàn)狀,選擇金屬超導(dǎo)熱管真空管太陽能集熱器進(jìn)行加熱。

撬裝式光熱裝置通過超導(dǎo)熱管真空管太陽能集熱器,將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能。太陽光透過全玻璃真空管,照射在全玻璃真空管內(nèi)的吸熱翅片上。吸熱翅片上的吸收膜將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為熱能,通過導(dǎo)熱銅帶傳遞至內(nèi)置熱管。連續(xù)吸收太陽輻射能,通過高效換熱器,為原油提供熱能。為確保非標(biāo)準(zhǔn)日狀態(tài)下系統(tǒng)正常產(chǎn)熱能力,增設(shè)電輔助加熱復(fù)合系統(tǒng)。電輔助加熱復(fù)合系統(tǒng)采用輔助爐,與熱媒貯蓄熱水箱形成密閉循環(huán),采用泵循環(huán)方式,自動(dòng)溫控調(diào)節(jié)循環(huán)復(fù)合介質(zhì)專用液溫度,以復(fù)合介質(zhì)專用液做傳熱媒介,滿足加熱需求。撬裝式光熱裝置原理如圖5所示,現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。

圖5 撬裝式光熱裝置原理

圖6 撬裝式光熱裝置現(xiàn)場(chǎng)

3 技術(shù)特點(diǎn)

(1) 高效節(jié)能。最大效率利用太陽能,全年可節(jié)約能源50%以上。采用智能化控制,還可以明顯降低運(yùn)行成本和管理費(fèi)用。

(2) 安全可靠。太陽能沒有常規(guī)能源存在的易燃易爆、斷路、電擊等危險(xiǎn),是最安全、最可靠的供熱源。

(3) 綠色環(huán)保。采用太陽能潔凈綠色能源,避免礦物燃料對(duì)環(huán)境的污染,符合國(guó)家環(huán)保政策,利國(guó)利民。

(4) 控制先進(jìn)。采用先進(jìn)的智能化控制技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。接入遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái),具備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控功能,實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、設(shè)備遠(yuǎn)程啟停、遠(yuǎn)程參數(shù)調(diào)整,使用非常方便。

(5) 使用壽命長(zhǎng)。在正常情況下,使用壽命可達(dá)到15 a以上。

(6) 運(yùn)行穩(wěn)定可靠。運(yùn)行穩(wěn)定,安全可靠,配置的全玻璃真空管可抗擊直徑2.5 cm的冰雹,同時(shí)具有自清洗功能。

所應(yīng)用的光照裝置為橇裝式整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),滿足主體整體吊裝要求,并與地面預(yù)埋體固定,占地僅為井口燃?xì)鉅t附近向陽面東西長(zhǎng)7 m、南北長(zhǎng)5 m,占地面積小,不會(huì)影響油井作業(yè)、洗井、原油拉運(yùn)等正常生產(chǎn)。

4 應(yīng)用情況

目前,新能源開發(fā)中心共為油田投產(chǎn)37套撬裝式光熱裝置,用于代替電加熱和水套爐,向井口和儲(chǔ)油罐加熱。

撬裝式光熱裝置主要分布在現(xiàn)河草西草東管理區(qū),以及孤島采油五區(qū)、九區(qū)、十區(qū)。2020年以來,設(shè)備運(yùn)行良好,油井生產(chǎn)平穩(wěn)。

13套撬裝式光熱裝置代替電加熱,投運(yùn)于孤島采油十區(qū)、現(xiàn)河草西草東管理區(qū),為地處偏遠(yuǎn)未進(jìn)行管線集輸?shù)膯尉畠?chǔ)油罐加熱,加熱溫度一般為70～80 ℃。

另外23套撬裝式光熱裝置代替水套爐,為孤島采油五區(qū)、九區(qū)原油黏度高、流動(dòng)性較差的油井井口加熱,以降低回壓,保證生產(chǎn)。對(duì)應(yīng)原油50℃時(shí)黏度為5 000 mPa·s左右。

37臺(tái)撬裝式光熱裝置均采用由新能源開發(fā)中心投資、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)的模式,目前這37套撬裝式光熱裝置均按設(shè)計(jì)要求正常運(yùn)行。

5 經(jīng)濟(jì)效益

通過項(xiàng)目實(shí)施,取得了一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。其中,孤島采油五區(qū)每年降低綜合能耗445.31 t標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量,減少二氧化碳排放1 095.47 t。孤島采油九區(qū)每年降低綜合能耗約838 t標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量,減少二氧化碳排放2 061.48 t。孤島采油十區(qū)每年降低電能消耗約783 200 kWh,減少二氧化硫排放8.37 t,減少氮氧化物排放1.97 t,減少二氧化碳排放601 t?，F(xiàn)河草西草東管理區(qū)每年降低電能消耗459 700 kWh,減少二氧化硫排放4.91 t,減少氮氧化物排放1.15 t,減少二氧化碳排放352.83 t。通過應(yīng)用撬裝式光熱裝置,實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗,綠色生產(chǎn)。

6 存在的問題

雖然目前取得了一定成績(jī)和效益,但是項(xiàng)目仍然存在一些問題需要解決。

第一,能量密度低,占地面積大。由于太陽能能量密度低,導(dǎo)致在陸地單位面積上能夠直接獲得的太陽能較少,使撬裝式光熱裝置的占地面積較大。

第二,受氣候、環(huán)境影響大,且只能在白天工作,需要配套儲(chǔ)能裝置。長(zhǎng)期雨雪天、陰天、霧天,以及云層變化都會(huì)影響集熱量,雜物遮擋也會(huì)嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)換效率。

第三,成本仍然很高。成本問題是制約光熱廣泛應(yīng)用的最主要因素,撬裝式光熱裝置成本高主要體現(xiàn)在太陽能集熱器上。隨著技術(shù)的更新迭代,降低成本是亟需解決的問題。