太陽能集熱技術在油田終端的應用研究

李仁興（中海石油（中國）有限公司崖城作業公司）

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太陽能集熱技術在油田終端的應用研究

李仁興（中海石油（中國）有限公司崖城作業公司）

基于目前海上油田終端利用天然氣加熱導熱油進行換熱，能耗消耗巨大，而對于中國太陽能資源非常豐富，尤其在海南島，利用槽式太陽能集熱技術輔助加熱導熱油不僅節約能源，還能產生良好的經濟效益和社會效益，值得研究推廣；同時太陽能集熱技術目前已比較成熟，高溫太陽能集熱技術的推廣應用勢必成為一種趨勢。

油田終端；槽式太陽能集熱技術；導熱油；節約能源；高溫太陽能

1　現狀

近年來隨著熱發電技術的發展，國外已經將太陽能熱發電系統中的鏡場集熱技術應用于對稠油的加熱開采[1-2]。美國的BrightSource公司和Glasspoint公司分別采用塔式集熱技術和槽式集熱技術對美國早期部分油田增產。在國內，冀東油田利用槽式太陽能聚集產熱系統為人工島提供溫度為50～350℃的熱水資源，結合相關技術廣泛應用于生活熱水、冬季采暖、洗浴用水、海水淡化、伴熱管線等各種需要熱水和熱蒸汽的生產與生活領域[3]。西北塔河油田采油一廠TK-921對槽式太陽能集熱系統加熱原油進行了試驗，利用太陽能熱作為水套爐補充熱源的技術方案，為原油加熱運輸、管線伴熱[4]。

中海石油（中國）有限公司崖城作業公司南山終端熱油系統一直采用天然氣燃燒加熱，能量消耗較大。若采用槽式太陽能集熱器直接加熱導熱油替代全部或部分熱油爐將大大降低能耗，南山終端熱油爐主要提供燃料氣加熱、和LPG生產系統脫乙烷塔、脫丁烷塔重沸爐的換熱。

2　太陽能集熱輔助加熱熱油技術

南山終端位于海南島西南隅，自然條件優越，屬于我國太陽能輻射量的三類地區。年平均日照數2166 h，年平均輻射量4600～5800 MJ/m2。

經查得22年來三亞太陽能輻射量平均數據見表1、表2。

表1　三亞太陽能月平均表面輻射量　[kWh/（m2·d）]

基于目前的槽式太陽能集熱技術，通過加熱導熱油與水在換熱器進行換熱產生高溫高壓水蒸汽去加熱用戶的原理，直接采用太陽能加熱導熱油與凝析油、天然氣進行換熱，熱能利用更充分。工藝流程在熱油進熱油爐前增加1套槽式太陽能集熱器、儲能設備，讓槽式太陽能集熱器在天氣晴好的情況下替代熱油爐加熱熱油并將富余能量儲存于儲能設備中，而在陰天和夜晚利用儲能輔助加熱熱油。工藝流程圖如圖1所示，從加熱爐入口處引出管線，根據溫度需求將一定量熱油引入槽式太陽能集熱器進行加熱，被加熱后的物流再回到管線，富余的熱量流過儲熱箱進行儲存，既充分利用太陽能也大大降低熱油爐負荷達到節省天然氣的目的。圖2為一種典型的槽式太陽能聚集系統的示意圖和實物圖，槽式聚集系統根據所需熱量可以串聯在一起，圖2中的裝置的峰值熱功率可達21 kW。

圖1　槽式太陽能集熱器輔助加熱流程

圖2　槽式太陽能聚集系統

分析表明，通過簡單工藝管線改造，增加槽式太陽能集熱器陣列對熱油輔助加熱，在當地資源、技術和安全上都是可以滿足的。

3　太陽能集熱器面積計算

熱油爐熱負荷1.05×106kJ/h（9.9MMBTU/HR），入口溫度204oC(400℉)，出口溫度260oC （500℉）。設計壓力/溫度：125 PSI/550℉，所用熱介質為thermal 55型號熱油。正常生產時循環量500 GPM（113.55 m3/h）， 入 口 溫 度 227oC （440℉），出口溫度249oC（480℉），導熱油入口溫度440℉時密度為729 kg/m3，出口溫度480℉時密度為712 kg/m3，要達到同熱油爐等量的熱負荷，正常生產時以天然氣燃燒加熱所需熱量為

式中：Q——每小時天然氣加熱所需總能量，kJ；

M——每小時導熱油質量流量，kg；

ΔT——導熱油加熱前后溫差，oC；

C——平均溫度下導熱油比熱容，J/(kg·℃)；

ρ——導熱油密度，kg/m3；

V——每小時導熱油體積流量，m3。

密度由平均溫度下得到，用對數平均溫差求取平均溫度：

式中：t——導熱油平均溫度，oC；

t1——導熱油加熱后溫度，oC；

t2——導熱油加熱前溫度，oC。

求得平均溫度為238oC（460℉）時查熱油密度為721 kg/m3，經計算得到槽式太陽能集熱器所需提供熱量為4.83×106kJ/h。

根據表1、表2得出1月份三亞日照時太陽能天平均為13.86×103kJ/m2約1.25×103kJ/(m2·h)。

根據表1、表2計算得到每月日均所需太陽能集熱器面積，以1月份為例考慮傳熱效率和熱損失情況下槽式太陽能集熱器面積計算結果：

式中：Q——每月日均加熱所需總能量，kJ；

Q1——每月日均太陽能每平米輻射量，kJ；

M——每月日均加熱所需太陽能集熱器面積，m2；

η1——槽式太陽能集熱器光熱轉化效率，取0.8；

φ——熱損失，取0.1。

根據計算，求得全年每月日均所需太陽能集熱器面積（表3）。

表3　每月日均所需太陽能集熱器面積　（m2/d）

4　經濟效益分析

擬選擇槽式太陽能集熱系統，集熱器面積5500 m2（55 m×100 m）。則在天氣晴好的情況下，每天有日照的時間內，在1—11月5500 m2的太陽能集熱系統均能滿足熱油的加熱需求。通過增加儲熱設備，使1天中太陽能輻射熱量的變化得到均化，將白天過剩的熱量儲存到下午日照較弱時和夜間一段時間內使用。在考慮儲熱系統熱量損失的情況下，全年平均日照時間大于11 h，5500 m2的太陽能集熱系統可以滿足對物流的加熱需求，日照時可以完全替代加熱爐。

目前終端正常處理能力下，2014年每月熱油爐燃料氣消耗，見表4。

表4　2014年南山終端每月熱油爐燃料氣消耗 （104m2）

通過對現有流程的改造增加1套槽式集熱器和儲能設備，充分利用太陽能加熱熱油，以2014年為例，可以計算出增加5500 m2太陽能槽式集熱器后每月減少燃料氣的消耗量近似取5500 m2太陽能槽式集熱器供熱量（表5）。

表5　增加槽式集熱器后每月燃料氣少消耗量　（104m2）

全年可減少燃料氣消耗量95.55×104m2，減少CO2排放約1800 t，具有非常高的經濟效益和社會效益。

槽式聚光自動跟蹤太陽能集熱器價格約在1000 元/m2，使用壽命在10年以上。若以1000元/m2價格計算，5500 m2槽式太陽能集熱器成本約為550萬元，天然氣價格以1元/m2計算，1年可節約96萬元左右，可在5—6年收回成本投資，同時大大減少熱油爐熱負荷、降低故障率和安全風險。以10年使用壽命計算，則在壽命期內共可減少燃料氣消耗約960×104m2，經濟效益價值達960萬元并減少CO2排放超過18 000 t。

5　結論

采用槽式太陽能集熱技術直接接觸式加熱導熱油，在日照時間內可以節約可觀的天然氣資源服務于社會，同時富余的能量通過儲能設備可以在夜晚或者日照差時提供預熱，大大降低了熱油爐負荷。隨著技術的突破和新型材料的誕生，太陽能利用也將會更加經濟和成熟，中高溫太陽能技術在生產中勢必得到更多的應用推廣。

[1]王學忠.太陽能輔助采油技術及其可行性[J].中外能源，2009，14（1）：104-107.

[2]何梓年.太陽能熱利用[M].合肥：中國科學技術大學出版社，2009：435-468.

[3]曹喜承，劉曉燕，王志國.太陽能在冀東油田勘探開發中應用[J].節能技術，2009，27（3）：280-283.

[4]關俊玲.太陽能高溫熱在西北油田單井應用的可行性分析[J].石油石化節能與減排，2013，3（5）：36-41.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.03.018

2015-11-11）

（編輯沙力妮）

李仁興，2013年畢業于中國石油大學（華東）石油工程學院(石油工程專業)，從事海洋油氣生產集輸工作，E-mail：lirx8866@163.com，地址：廣東省深圳市南山區太子路22號金融中心17樓，518067。