單井拉油儲(chǔ)油罐太陽(yáng)能加溫節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

沈國(guó)輝（中國(guó)石油冀東油田陸上油田作業(yè)區(qū)）

單井拉油儲(chǔ)油罐在各大油田的邊遠(yuǎn)地區(qū)都普遍存在，該儲(chǔ)罐存在的弊端是在北方冬季氣溫接近0℃時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)原油無(wú)法放出，只有給儲(chǔ)罐內(nèi)原油加溫才能保證原油正常拉運(yùn)。目前普遍采用電加熱棒加溫的方式，但也存在不足。首先是高消耗，電熱轉(zhuǎn)化率低，造成電能的浪費(fèi)，需要有一種加熱方式替代電加熱棒對(duì)儲(chǔ)油罐維溫加熱；其次容易產(chǎn)生局部受熱，受熱表面溫度超過(guò)300℃，對(duì)油品破壞較大；三是存在安全隱患，若產(chǎn)生漏電，將會(huì)造成安全事故；四是容易結(jié)垢，不易清理。

1 單井拉油儲(chǔ)油罐太陽(yáng)能加溫技術(shù)

鑒于偏遠(yuǎn)井站單井拉油儲(chǔ)油罐使用電加熱棒耗電量大、維護(hù)費(fèi)用高這兩方面的因素，陸上油田作業(yè)區(qū)采用了太陽(yáng)能加溫節(jié)能技術(shù)，確保了冬季罐體溫度，達(dá)到了節(jié)約電能的目的。該技術(shù)裝置配置了專用太陽(yáng)能液晶控制儀，操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，抗干擾性強(qiáng)；還具備自動(dòng)循環(huán)、自動(dòng)加熱、加熱器保護(hù)、防凍保護(hù)、缺液報(bào)警等功能。另外，該裝置采用循環(huán)水加熱，改變了電加熱棒與原油直接接觸的加熱方式，實(shí)現(xiàn)了本質(zhì)安全。

1.1 系統(tǒng)組成

太陽(yáng)能-電加熱儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)主要包括水路裝置、儲(chǔ)油裝置、控制裝置。控制裝置分別與水路裝置和儲(chǔ)油裝置電路連接；水路裝置和儲(chǔ)油裝置通過(guò)加熱盤管連接，其中水路裝置由水箱、電加熱器、集熱器、加熱盤管、循環(huán)水泵等組成；儲(chǔ)油裝置由磁效液位儀、油罐及其附件組成；控制裝置由控制箱、控制器等附件組成。

1.2 系統(tǒng)工作原理

油井產(chǎn)液經(jīng)單井管線封閉進(jìn)入油罐后，在正常太陽(yáng)能輻射下，依靠太陽(yáng)能加熱。循環(huán)泵開(kāi)啟，熱水箱的低溫?zé)崴?jīng)控制閥門進(jìn)入太陽(yáng)能集熱器，加熱后進(jìn)入儲(chǔ)水箱，再通過(guò)循環(huán)泵進(jìn)入加熱盤管，與原油換熱后經(jīng)控制閥門回到蓄熱水箱。在太陽(yáng)能不足的條件下，啟動(dòng)電加熱器加熱。整套系統(tǒng)采用溫差自動(dòng)控制，使油罐的溫度始終保持在恒溫狀態(tài)。油罐內(nèi)裝有磁效液位儀與控制箱連接，能簡(jiǎn)便準(zhǔn)確地計(jì)量出油井瞬時(shí)產(chǎn)量和累計(jì)產(chǎn)量。在油罐側(cè)面有一出油口，拉油時(shí)，啟動(dòng)管道泵裝車。

利用太陽(yáng)能加熱水介質(zhì)，再通過(guò)換熱器讓加熱介質(zhì)與原油充分換熱。同時(shí)，在太陽(yáng)能熱循環(huán)中設(shè)置1個(gè)保溫水箱，用于太陽(yáng)能儲(chǔ)熱與熱量?jī)?chǔ)存。太陽(yáng)能加熱原理如圖1所示。

1）當(dāng)太陽(yáng)能輻照量足夠時(shí)，開(kāi)啟循環(huán)泵P1，熱媒介質(zhì)從儲(chǔ)水箱中抽出，經(jīng)閥門V1，進(jìn)入太陽(yáng)能集熱陣列；被太陽(yáng)能加熱的熱媒介質(zhì)經(jīng)閥門V2，進(jìn)入換熱器，此時(shí)閥門V4關(guān)閉，熱媒介質(zhì)與原油換熱后經(jīng)過(guò)V3，返回儲(chǔ)熱箱。

2）當(dāng)太陽(yáng)能輻照量富裕時(shí)，在保持閥門V2開(kāi)啟的情況下，同時(shí)開(kāi)啟閥門V4，被太陽(yáng)能加熱后的部分熱媒介質(zhì)經(jīng)閥門V4進(jìn)入儲(chǔ)熱箱，使富余的熱媒介質(zhì)儲(chǔ)存起來(lái)。

3）當(dāng)太陽(yáng)能輻照量不足時(shí)，開(kāi)啟循環(huán)泵P2，熱媒介，經(jīng)閥門V5、V6進(jìn)入換熱器，此時(shí)閥門V2關(guān)閉。熱媒介質(zhì)與原油交換后，經(jīng)閥門V3返回儲(chǔ)熱箱，此時(shí)啟動(dòng)輔助加熱裝置（熱媒介質(zhì)為水，輔助加熱為電加熱）。

因太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)用熱連續(xù)供應(yīng)，要求穩(wěn)定可靠，而太陽(yáng)輻射受晝夜、季節(jié)、緯度和海拔高度等自然條件的限制和陰雨天氣等隨機(jī)因素的影響，存在較大的間歇性和不穩(wěn)定性。因此，為了保證生產(chǎn)正常運(yùn)行，在太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)中，必須設(shè)置輔助熱源，而原有電加熱棒可作為輔助熱源。

1.3 太陽(yáng)能集熱器的選型與計(jì)算

1.3.1 熱水系統(tǒng)的集熱器

常用太陽(yáng)熱水系統(tǒng)的集熱器有平板型集熱器、全玻璃真空管集熱器、熱管式真空管集熱器。3種形式集熱器的比較見(jiàn)表1。

表1 3種形式集熱器的比較

唐海地區(qū)歷年極端最低氣溫為-25.5℃，最低月平均氣溫為-2.5℃。由表1可見(jiàn)，熱管式真空管集熱器在耐冰凍能力和承壓能力上優(yōu)于平板式集熱器和全玻璃真空管式集熱器，是唐海地區(qū)的最佳選擇，擬選用熱管式真空管集熱器作為此節(jié)能改造項(xiàng)目的太陽(yáng)能集熱器。

1.3.2 熱管的工作原理

超導(dǎo)熱管的工作介質(zhì)由多種無(wú)機(jī)活性金屬及其化合物混合而成，具有超常的熱活性和熱敏感性，遇熱而吸，遇冷而放。這種熱超導(dǎo)工質(zhì)在一定溫度下被激活，并以分子震蕩形式來(lái)傳遞熱量；它超強(qiáng)導(dǎo)熱性能使其導(dǎo)熱系數(shù)是一般金屬的1萬(wàn)倍左右，是水熱管的10倍左右，在傳導(dǎo)方向上幾乎沒(méi)有溫度的衰減并能以極快的速度傳遞（超音速傳遞），見(jiàn)圖2。

1.3.3 熱管式真空管集熱器性能參數(shù)（表2）

表2 熱管式真空管集熱器性能參數(shù)

1.3.4 熱管式真空管集熱器特征

1）采用熱管作為主要熱交換部件，使集熱器具有較好的抗凍性能。

2）集熱器水流道內(nèi)壁光滑、流程短、不易結(jié)垢、水阻力小。

3）真空玻璃集熱管內(nèi)無(wú)水，不會(huì)產(chǎn)生高溫激冷爆管現(xiàn)象，且在各種非正常使用條件下，玻璃管損壞無(wú)漏水之弊。

根據(jù)GB50495—2009《太陽(yáng)能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范》第3.4.3條款，加熱系統(tǒng)太陽(yáng)能集熱器總面積按下式計(jì)算：

式中：

Ac——系統(tǒng)集熱器采光面積，m2；

Q——所需熱量，kJ；

Jt——當(dāng)?shù)卮悍只蚯锓炙谠录療崞魇軣崦嫔显戮蛰椪樟浚颂幦《酒骄蛰椪樟浚琂/（m2·d）；

f——太陽(yáng)能保證率，無(wú)量綱；

ηcd——集熱器全日集熱效率；

ηL——管路、儲(chǔ)熱箱、換熱器熱損失率。

1.3.5 集熱循環(huán)泵的選型與計(jì)算

選擇水泵要以節(jié)能為原則，使水泵在太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)中保持高效運(yùn)行；在滿足揚(yáng)程和流量的要求下，應(yīng)選擇功率較小、低噪音、耐熱的泵。

1）集熱循環(huán)泵流量qXL

式中：

B2——集熱器的單位面積流量，L/（m2·s）；

A——集熱器的面積，m2。

集熱器單位面積流量一般可按0.02L/（㎡·s）進(jìn)行估算。

2）集熱循環(huán)泵揚(yáng)程H

H1——集熱器的水頭損失，m；

H2——集熱系統(tǒng)沿程及局部水頭損失，m；

當(dāng)集熱器的單位面積流量B2＝0.02L/m2·s時(shí)，單個(gè)集熱器的阻力一般為0.05m/m2。

2 加熱特點(diǎn)

利用成熟的太陽(yáng)能加熱技術(shù)替代電加熱棒對(duì)儲(chǔ)油罐維溫加熱，有以下幾方面的優(yōu)勢(shì)：

◇不存在安全隱患，不會(huì)有漏電事故發(fā)生；

◇不會(huì)產(chǎn)生廢渣、廢水、廢氣，也沒(méi)有噪音，不會(huì)造成污染和公害；

◇隨地可取，不存在運(yùn)輸問(wèn)題；

◇因由光能轉(zhuǎn)化成熱能，減少了常規(guī)能源的消耗。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

陸上油田作業(yè)區(qū)現(xiàn)有單井拉油平臺(tái)46個(gè)，2009年至今已經(jīng)在G3104、N80等14個(gè)平臺(tái)應(yīng)用了儲(chǔ)油罐太陽(yáng)能加溫技術(shù)。通過(guò)對(duì)該裝置綜合參數(shù)的調(diào)試結(jié)果證明，該技術(shù)能夠滿足單井拉油儲(chǔ)油罐的溫度要求，平均溫度可達(dá)到40～45℃，實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

4 效益評(píng)價(jià)

1）每個(gè)儲(chǔ)罐內(nèi)有2根12kW的電加熱棒，冬季運(yùn)行4個(gè)月，每天加熱16h。按照單耗電費(fèi)計(jì)算，每個(gè)儲(chǔ)罐每年耗電24×16×120=46080kWh，費(fèi)用39168余元。已經(jīng)更換太陽(yáng)能的29個(gè)儲(chǔ)油罐1年節(jié)電1336320kWh，節(jié)省費(fèi)用114萬(wàn)元。具體效果對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 太陽(yáng)能加熱裝置效果對(duì)比

2）每套太陽(yáng)能加熱節(jié)能裝置，安裝投入費(fèi)用約為16萬(wàn)元，14套共計(jì)投入資金224萬(wàn)元；投入產(chǎn)出比為1∶1.96，投入回報(bào)周期[1]約為2年。

5 結(jié)論及建議

單井拉油儲(chǔ)油罐太陽(yáng)能加溫技術(shù)較好地解決了以往電加熱棒加熱耗電量大、維護(hù)費(fèi)用高等問(wèn)題，起到了節(jié)能減排的作用。該技術(shù)裝置操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，便于管理，也可應(yīng)用到單井拉油點(diǎn)井口及地面管線的加溫。

[1]劉力,曾宣慰,佘小兵,等.拉油井組儲(chǔ)罐原油太陽(yáng)能加熱技術(shù)[J].油氣田地面工程,2003,29(3):83.