太陽能集熱技術在油田井組集輸系統的現場試驗分析

楊會豐 常振武 王林平 魏立軍 袁秀杰

（1.長慶油田分公司油氣工藝研究院；2.長慶油田分公司質量管理與節能處3.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室；4.長慶油田第一采油廠）

太陽能集熱技術在油田井組集輸系統的現場試驗分析

楊會豐1,3常振武2王林平1,3魏立軍1,3袁秀杰4

（1.長慶油田分公司油氣工藝研究院；2.長慶油田分公司質量管理與節能處3.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室；4.長慶油田第一采油廠）

受冬季氣溫低和原油品質的影響，長慶油田原油的黏度大，流動性差，在輸送過程中需要加熱與保溫。長慶油田具有豐富的太陽能資源，通過開展太陽能集熱技術應用研究和自主研發自動控制技術，建立了橇裝式太陽能輔助原油加熱裝置。效果測試表明，橇裝式太陽能輔助原油加熱裝置應用有效保證了原油外輸溫度維持在44～53℃，杜絕了油井結蠟造成管線運行不暢及凍堵現象的發生。太陽能解決了系統總熱量需求的65%，年節約費用11.5×104元，實現了井組原油全年持續加熱。

原油外輸 太陽能集熱 井組加熱 降回壓

長慶油田主要探區位于中國西北陜甘寧盆地，生產區域位于黃土高原，地形復雜，產出原油主要通過1～2 km長的單井管線匯集到各個增壓點站再集中外輸。由于受冬季氣溫低和原油品質的影響，原油中的蠟質、膠質物質在低溫下會發生凝固或凝結，使原油的黏度增大，流動性變差，造成單井輸油管線結蠟堵塞；管線堵塞會使油井井口回壓升高，抽油機負荷增大，嚴重影響原油產量并增加電機能耗；而解堵藥劑的添加和定期采用物理方法掃線，不僅增加了材料和施工成本，而且增加了工作量。為了保證產區內原油的正常生產和輸送，在輸送過程中必須對原油進行加熱與保溫。

目前，在井場原油生產輸送過程中，在冬季使用燃燒煤、油、伴生氣或電加熱等常規方法對原油進行加熱，造成大量的能源消耗和二氧化碳排放，在增大生產成本的同時也為生產安全管理增加了負擔。

針對長慶油田探區的區域特點，結合國內外已有的關于原油加熱方法的探索性研究以及近年來國際節能領域的技術發展成果[1,2]，提出了井組太陽能原油輔助加熱節能技術，這項技術把太陽能引入到油田開發和生產過程中，建立了一種橇裝式太陽能輔助原油加熱裝置。

1 太陽能集熱技術應用研究

1.1 系統組成

橇裝式太陽能輔助原油加熱裝置由內置換熱盤管保溫水箱、系統控制柜、循環泵組、無機超導熱管集熱器陣列、熱水循環管道，以及遠程控制系統構成（圖1）。

為了便于現場安裝和檢修，橇裝式太陽能輔助原油加熱裝置采用了獨特的橇裝式設計，將內置換熱盤管保溫水箱、控制柜、循環泵組集成為一個標準橇裝結構，每個橇裝單元對應日產30 m3以內的輸油管線，橇裝部分在現場可一次吊裝安放完成。為了增加設備運行的穩定性以適應設備分部區域廣泛和現場的惡劣條件，為便于對設備運行情況的實時監控，系統采用基于組態軟件和GPRS網絡的遠程控制系統，維護人員能及時了解設備運行狀況并處理設備的故障及報警信息，同時滿足數字化油田對設備的要求。無機超導熱管的采用避免了常規集熱管破裂造成系統癱瘓的現象產生，也將集熱系統壽命延長至10～15年。

1.2 工作原理

該裝置采用強制集熱循環方法將太陽能量以熱水方式保存至集熱水箱，通過水箱內部的原油換熱盤管實現對外輸原油的加熱。通過設置水箱溫度，使原油輸送溫度保持在一定溫度范圍。

控制系統為遠程PLC控制系統，具備手動和自動兩種控制方式，并可通過GPRS和以太網口同時實現遠程有線及無線網絡在線監控，具體工作原理如下：

1）加熱功能。系統配備電加熱，當水箱溫度低于定溫值時啟動，可在陰天和夜間保持水箱溫度，持續對原油加熱。

2）集熱循環功能。在自動狀態下，集熱器溫度和水箱溫度的差值大于系統規定值，則開啟循環泵集熱，將水箱內的低溫水循環至集熱器加熱后返回水箱。當集熱器溫度和水箱溫度的差值小于系統規定值，表明集熱器無法進行加熱，則關閉循環泵。集熱循環可將太陽產生的熱量儲存于保溫水箱用于原油加溫。

3）系統自檢及報警保護功能。系統運行過程中對各個傳感器及設備運行狀態進行自檢，及時發出報警信息。報警類型包括傳感器故障報警、低溫報警、過熱報警、低水位報警、泵故障報警。報警信息通過控制柜聲光報警和觸摸屏頁面提示蜂鳴器報警，并以短信形式通知設備管理人員。關鍵設備發生故障后系統在發出報警信息的同時自動切換模式啟動保障系統運行，特殊情況下維護人員可遠程手動控制設備，保證系統異常得到及時處理。

4）遠程控制系統原理。遠程控制系統是為實現裝置的異地遠程監控、實時數據采集和現場無人值守而建立的適合油田野外環境的高集成、高穩定的自動化控制系統。

系統由工控機/服務器、PLC、供配電設備、智能儀器儀表及執行器、無線傳輸系統、無線事件通知（短信發生器）等部分組成，采用彩色觸摸屏操作界面，GPRS/以太網遠程監控，實時動態顯示和控制整個生產工藝過程。全部控制元器件采用標準工業元器件集成，抗干擾性強，硬件設備具備溫度保護功能，可在零下40℃低溫環境中穩定運行。現場操作簡便，運行穩定。整個系統采用多路冗余設計，參數設置詳盡靈活，可最大發揮系統能效。

終端服務器采用目前先進的組態軟件，可同時監控256套裝置，具備精美的工藝流程畫面、完善的工藝參數分析、交互式報表、故障診斷與恢復，全方位監控過程，實現了過程參數的穩定化控制。

2 現場試驗

試驗選址位于采油三廠XX井組，井場海拔1818 m，場內共有采油井4口，停產3口，其中一口生產井管輸結蠟嚴重，日產液15 m3，含水70%，油井產油通過輸油管道輸送，為保持原油外輸配置60 kW電磁加熱器1套，根據現場調研，冬季電磁加熱器全功率運行不間斷使用，可將原油加溫至40～50℃后外輸，耗電量大。

橇裝式太陽能輔助原油加熱裝置配置2100 mm×60 mm無機超導集熱管576支，理論上單日冬季集熱能力為1135 MJ，為確保系統在最不利天氣狀態下的日產熱能力，采用了12 kW×3組（1備2用）輔助電加熱。

圖2、圖3分別為橇裝式儲熱換熱水箱和太陽能加熱系統。

3 效益分析

太陽能加熱系統自2010年10月運行起，有效保證了原油外輸溫度維持在44～53℃，杜絕了油井結蠟造成管線運行不暢及凍堵現象發生。

根據現場調研，往年冬季該井場采用60 kW電磁加熱器全功率運行不間斷使用，可將原油加溫至40～50℃后外輸，單日耗電量1464 kWh。

因換熱方式不同，在使用本系統的情況下，原油升溫30℃外輸所需功率為20～24 kW，其中65%的能耗由集熱陣列提供，每日能耗應為375 kWh，單日節能1089 kWh，按照1 kWh 0.6元計算，單日節約電費653元，冬季5個月節約98000元；春秋季2個月每日節能470 kWh，日節約電費282元，共16920元。相比原來的加熱方式，本系統全年可直接節約電費支出11.5×104元。

4 結論

太陽能加熱系統在低成本條件下實現了對井組外輸原油的全年持續加熱，設備運行穩定，實現了異地遠程監控、實時數據采集和現場無人執守，是適應油田野外環境應用的高集成、高穩定性系統。

太陽能集熱技術的應用是油田降低能源消耗、提高經濟效益的可行性舉措，為長慶油田低碳綠色發展開辟了一條新途徑。

[1]范玉平.太陽能節能技術在油田的應用[J].石油天然氣學報,2005.27（3）:568-569

[2]賈慶仲.太陽能在石油輸送中的應用研究[J].太陽能學報,2004,25（4）:483-487.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.02.018

楊會豐，2008年畢業于中國石油大學（北京），工程師，碩士研究生，主要從事油田節能工作，E-mail：yanghf_cq@petrochina.com.cn，地址：陜西省西安市未央區明光路長慶油田油氣工藝研究院節能室，710021。

2011-11-02)