劉宏亮 李靜靜 高中顯 張憲珍

（1.勝利油田新能源開(kāi)發(fā)中心；2.勝利油田運(yùn)輸分公司；3.勝利油田東勝集團(tuán)股份公司）

聯(lián)合站、接轉(zhuǎn)站等集輸站場(chǎng)作為油田生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時(shí)也是主要耗熱點(diǎn)之一。加熱法是油田主要集輸處理工藝，通過(guò)加熱促進(jìn)乳狀液油水分離、對(duì)外輸原油降黏輸送，以及稠油井回?fù)讲沙鏊郎氐?。目前勝利油田各?lián)合站、接轉(zhuǎn)站熱源主要有天然氣、電廠蒸汽余熱、“采出水余熱+熱泵” 等。當(dāng)前環(huán)保形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，部分加熱爐排放不達(dá)標(biāo)，外購(gòu)天然氣成本高，亟需開(kāi)展地?zé)?、余熱、太?yáng)能等清潔能源替代項(xiàng)目，利用太陽(yáng)能替代集輸站場(chǎng)加熱爐燃?xì)夤?jié)能環(huán)保潛力較大。

1 區(qū)域太陽(yáng)能資源優(yōu)勢(shì)

勝利油田東部油區(qū)主要位于山東省東營(yíng)市，該地區(qū)年平均太陽(yáng)總輻射量為5 199 MJ/m2，即1 441 kWh/m2， 年平均日照時(shí)數(shù)2 712.5 h；水平面上的年平均峰值日照時(shí)數(shù)為4.29 h，即年峰值日照時(shí)數(shù)為1 390 kWh/m2左右，為太陽(yáng)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(yáng)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(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2 “太陽(yáng)能+”利用技術(shù)研究

2.1 確定“太陽(yáng)能+”多能協(xié)同利用方向

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

2.2 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計(jì)負(fù)荷研究計(jì)算

由于太陽(yáng)能的不連續(xù)性，集熱裝置吸收熱量時(shí)間有限，如何確定太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計(jì)負(fù)荷，確保項(xiàng)目投資收益的最大化，為此開(kāi)展了太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力經(jīng)濟(jì)性研究。以勝利油田某單井拉油電加熱儲(chǔ)罐為例，該井日產(chǎn)液量為13.6 t，油量為5.2 t，含水率61.8%，井場(chǎng)建有30 m3電加熱儲(chǔ)油罐1 座，平均每天拉油1 次，耗電量為596 kWh/d。經(jīng)測(cè)算，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)荷為油井采出液加熱需求負(fù)荷的50%～60%時(shí)，項(xiàng)目建設(shè)投資的收益率最高。

2.3 不同類型太陽(yáng)能集熱器的優(yōu)選對(duì)比

國(guó)內(nèi)使用的太陽(yáng)能集熱器類型主要有平板型太陽(yáng)能集熱器、真空管太陽(yáng)能集熱器、熱管真空管太陽(yáng)能集熱器和槽式聚焦太陽(yáng)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(chǔ)罐加熱中推廣應(yīng)用[3]，現(xiàn)對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，如表1所示。

表1 三種不同形式的太陽(yáng)能集熱器優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

表2 接轉(zhuǎn)站加熱運(yùn)行數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)以上現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及分析，三種集熱器均可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換功能。其中，槽式熱管式集熱器聚光面積大，運(yùn)用了熱管和真空管技術(shù)，同時(shí)具備太陽(yáng)光自動(dòng)追蹤功能，在瞬變的太陽(yáng)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(yīng)，當(dāng)太陽(yáng)輻照較低時(shí)可減少被加熱工質(zhì)向周圍環(huán)境散熱。該裝置光熱轉(zhuǎn)換效率高，較適用于油田集輸站場(chǎng)等場(chǎng)地受限區(qū)域[4]。

3 槽式聚焦太陽(yáng)能加熱技術(shù)的應(yīng)用

下面以勝利油田某接轉(zhuǎn)站為例，介紹槽式聚焦太陽(yáng)能加熱工藝方案，以及經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益等情況。

3.1 加熱負(fù)荷計(jì)算

該接轉(zhuǎn)站采用“熱化學(xué)沉降”集輸處理工藝，現(xiàn)有加熱節(jié)點(diǎn)2 處：進(jìn)站采出液加熱；接轉(zhuǎn)站覆蓋區(qū)域油井回?fù)桨檩敳沙鏊訜?。根?jù)接轉(zhuǎn)站處理液量、含水率及加熱溫度等參數(shù)，通過(guò)下述公式，測(cè)算出加熱負(fù)荷。

系統(tǒng)熱負(fù)荷[5]的計(jì)算式為

其中

式中： Q 為系統(tǒng)熱負(fù)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(jìn)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(jīng)計(jì)算，外輸含水原油加熱負(fù)荷為872 kW，外輸回?fù)讲沙鏊訜嶝?fù)荷為1 505 kW，合計(jì)加熱負(fù)荷為2 377 kW，如表2 所示。

通過(guò)分析，一方面由于接轉(zhuǎn)站加熱負(fù)荷較大，可利用場(chǎng)地面積為1 900 m2，按照70%的有效利用面積、太陽(yáng)能單位面積接收功率0.8 kW/m2計(jì)算，太陽(yáng)能供熱負(fù)荷最大為1 064 kW；另一方面考慮太陽(yáng)能的不連續(xù)性，單獨(dú)建設(shè)太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)或配套儲(chǔ)熱系統(tǒng)均不能完全替代燃?xì)饧訜釥t負(fù)荷。因此，本方案將太陽(yáng)能集熱裝置作為燃?xì)饧訜釥t前預(yù)加熱系統(tǒng)實(shí)施應(yīng)用，根據(jù)太陽(yáng)能提供能量的變化反饋控制加熱爐燃燒器，即：燃?xì)饧訜釥t根據(jù)預(yù)熱溫度變化實(shí)時(shí)控制燃?xì)饬?，調(diào)整燃?xì)夤嶝?fù)荷，實(shí)現(xiàn)“太陽(yáng)能+天然氣”互補(bǔ)協(xié)同利用。

3.2 工藝方案

太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱器、儲(chǔ)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(guò)程：導(dǎo)熱油吸收太陽(yáng)能集熱器匯集的太陽(yáng)能熱量后，進(jìn)入儲(chǔ)油罐；高溫導(dǎo)熱油通過(guò)循環(huán)泵進(jìn)入板式換熱器與接轉(zhuǎn)站來(lái)液進(jìn)行熱交換；換熱后的低溫導(dǎo)熱油再進(jìn)入太陽(yáng)能集熱器循環(huán)加熱，接轉(zhuǎn)站來(lái)液被加熱后進(jìn)入燃?xì)饧訜釥t系統(tǒng)進(jìn)行二次加熱，最終滿足工藝要求。太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

3.3 集熱能力測(cè)算

太陽(yáng)能集熱量可由下式求得：

其中

式中： Qs為太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)承擔(dān)的熱負(fù)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(yáng) 輻 照 度，W/m2； αc為 集 熱 效率，%。

圖1 太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)工藝流程示意圖

接轉(zhuǎn)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(shè)備建設(shè)面積150 m2。 按照集熱能力12.2 kW/ 組、 光 照 時(shí) 數(shù) 7.16 h/d 、 光 照 時(shí)間2 505.6 h/a 計(jì)算，總集熱能力為1 012.6 kW，年供熱量為9 133.9 GJ/a。

3.4 經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益

項(xiàng)目實(shí)施后年可節(jié)省天然氣36.47×104m3，按照外購(gòu)天然氣價(jià)3.26 元/m3計(jì)算，年收入為118.9 萬(wàn)元。應(yīng)用太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)可減少天然氣資源的消耗，經(jīng)測(cè)算，可節(jié)約折標(biāo)煤476.6 t/a，減排二氧化碳1 187.8 t/a。

4 結(jié)論

1） 利用太陽(yáng)能改進(jìn)集輸站場(chǎng)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(zhì)油聯(lián)合站3 座，中質(zhì)油聯(lián)合站24 座，重質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)煤/噸），是油田的主要耗熱點(diǎn)之一。

2）“太陽(yáng)能+”多能互聯(lián)提升可再生能源利用效率。集輸站場(chǎng)用熱以燃燒天然氣為主，動(dòng)力系統(tǒng)以用電為主。以油田伴生氣作為燃?xì)赓Y源，油田回注采出水余熱作為熱能資源，利用各集輸站庫(kù)具有一定的閑置場(chǎng)地，實(shí)施“太陽(yáng)能+余熱+天然氣”多能互補(bǔ)具有廣闊的應(yīng)用前景。