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，太陽輻射強度大，日照時間長，尤其是柴達木盆地，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，到達地面的太陽輻射強[1]。柴達木盆地年日照時數(shù)達3200～3300h，年總輻射量達6690～8400MJ/m2，有可用于光伏發(fā)電或太陽能光熱建設的荒漠化土地10×104km2，公認為是發(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行加熱與保溫，以保持良好的流動性[2]，目前原油加熱設備存在耗能高、排放高、效率低的缺點。隨著油田開采進入中后期，含水上升導致開采成本、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，實現(xiàn)油田企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一項重要舉措。

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件的高溫氧化，爐管內被加熱介質對管路系統(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，大量水蒸氣凝結在低于煙氣露點的低溫受熱交換器面上，再溶解CO2和O2會腐蝕金屬內表面[3]。同時由此可見，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。加熱爐內溫度分布不均會引起熱應力腐蝕，嚴重時可誘發(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，但運行和維護費用較低，還可消除設備腐蝕及明火易爆等安全隱患，同時，還具備節(jié)能減排的社會效益，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)自動溫差循環(huán)。當太陽能集熱器水溫高于集熱水箱的水溫時（一般為10℃，可設置），控制系統(tǒng)自動啟動太陽能循環(huán)水泵，將集熱水箱內較低溫度的水送入太陽能集熱器進行加熱，同時將太陽集熱器內較高溫度的熱水頂出集熱器，流回集熱水箱；當太陽能集熱器水溫低于集熱水箱的水溫時，控制系統(tǒng)自動停止太陽能循環(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)自動啟動輔助能源，最大化節(jié)省能源。

為保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定，使加熱原油的進口熱水溫度不受太陽輻照瞬時變化的直接影響，太陽能集熱器出口的熱水首先進入蓄熱水箱，再由蓄熱水箱進入加熱原油換熱器。設置的蓄熱水箱主要功能是用來儲存多余的熱能，將太陽輻射高峰時暫時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使用，實現(xiàn)對外輸原油進行不間斷加熱，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)陰天太陽光強度較弱時，可以點燃燃氣加熱爐，燃氣加熱爐可以小火運行，補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)來控制燃氣加熱爐的介入時間，盡可能充分利用太陽能輻射能量，達到最佳節(jié)氣運行的目的。太陽能原油加熱系統(tǒng)在保證原油溫度的同時盡可能利用綠色能源低成本運行，可有效減少藥劑投加及清障掃線的工作量及費用；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)化為內置換熱盤管保溫水箱，通過水箱內部的原油換熱盤管實現(xiàn)對外輸原油的加熱，根據(jù)現(xiàn)場需求設置水箱溫度，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計，具有結構簡單、換熱效率高、保溫性好、安全可靠、拖運方便，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，將換熱盤管內置保溫水箱與控制柜、循環(huán)泵組集成為一個標準橇裝結構，每個橇裝單元對應一個加熱單元，橇裝部分可一次吊裝安放完成。為了使設備能夠適應各種惡劣環(huán)境，提高穩(wěn)定性，并能夠實時監(jiān)控，系統(tǒng)采用組態(tài)軟件和GPRS網(wǎng)絡的遠程控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)為太陽能原油加熱系統(tǒng)的大腦，控制系統(tǒng)的優(yōu)劣決定著整個系統(tǒng)的先進與落后。

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；水箱水量定時檢測自動補充功能；現(xiàn)場手動控制功能；液晶屏顯示功能；太陽能加熱系統(tǒng)各種保護功能；冬季自動啟動管道防凍保護；其它漏電內部保護功能。

由于系統(tǒng)運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)還具備安全應急處理功能，能在緊急故障發(fā)生時進入應急處理狀態(tài)，自動報警、自動識別、進行安全狀態(tài)切換；系統(tǒng)具有自動控制和手動控制兩種模式，可以在緊急情況或用戶需要時方便地切換控制方式；并具有聲光報警子系統(tǒng)，用于管路中溫度的極限情況報警，或管路堵塞等其他危險情況發(fā)生時的報警[6]?？刂葡到y(tǒng)通過在PLC中的多種參數(shù)設定可實現(xiàn)對原油外輸溫度的控制和集約化管理；通過采用GPRS遠傳模塊和組態(tài)軟件實現(xiàn)了系統(tǒng)的遠程控制，并且工況參數(shù)實時進行記錄、傳輸和儲存，報警信息及時短信通知，在增強系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時為與油田數(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)約大量后期維護費用。同時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量站和轉油站的冬季采暖問題。適當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)電或供熱時不會排放廢氣、廢水、廢棄物，沒有噪聲[7]。

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

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

天然氣鍋爐耗氣量計算公式為：燃氣鍋爐耗氣量(每小時)=燃氣鍋爐功率×時間/燃料熱值/熱效率。如燃氣鍋爐功率為100kW即0.1MW天然氣鍋爐，天然氣燃料的熱值為35.53MJ/m3，假設燃氣鍋爐熱效率為88%。100kW每小時耗氣量為11.51m3/h。

每天24小時運轉則耗費天然氣276.335m3。由于鍋爐不是24h滿負荷運轉，實際運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，不是滿負荷供熱故我們可以按熱能值折算成天然氣耗氣量來計算天然氣節(jié)約值。如100kW加熱爐一個小時理論耗天然氣11.51m3左右，每天耗能為383.97元，每年天然氣費用為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行。以目前的市場價，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、但運行費用小的項目，經(jīng)濟性優(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)模效應來。假如以年產(chǎn)240×104t原油來計算，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），℃。

可計算出耗熱量為30×109kcal，節(jié)能30%則為9×109kcal，折合標準煤為1285.7t，折算成天然氣為96.67×104m3。而實際采油生產(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%，實際中可節(jié)約熱能是1285.7t(標煤)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%，就實現(xiàn)年節(jié)氣698×104m3的節(jié)能指標[9]，加熱爐熱效率比過去平均提高7.1%，就實現(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 結論

從能源與環(huán)境的角度看，太陽能光熱轉換技術在降低油田能耗的應用，主要包括原油預熱，將原油預熱并維持在50℃以上，以利于儲存（保持其流動性）；原油加熱，降低原油的黏度，明顯提高原油管輸?shù)妮斔湍芰Γ凰募訜?，原油熱采通常要注入熱水或蒸汽，利用太陽能對水進行加熱。而在以上3個方面太陽能原油加熱系統(tǒng)均可實現(xiàn)光熱轉換的功效。

1）如果太陽能原油加熱裝置能在油田大面積應用，可利用遠程系統(tǒng)實時動態(tài)顯示和控制整個生產(chǎn)工藝過程，一方面增強了系統(tǒng)運行的可靠性，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備維護難題；另一方面通過各區(qū)域設備運行數(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。

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)濟效益的可行性舉措。而且太陽能集熱技術的應用，順應了國家“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，就能為碳中和、碳減排貢獻自己的力量。

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、降低員工勞動強度提供有力支撐。并且可以消除原油加熱工過程中因設備腐蝕及鍋爐運行而存在明火易引發(fā)爆炸等一系列不安全隱患。