油田集輸站場槽式聚焦太陽能加熱技術研究與應用

劉宏亮 李靜靜 高中顯 張憲珍

（1.勝利油田新能源開發中心；2.勝利油田運輸分公司；3.勝利油田東勝集團股份公司）

聯合站、接轉站等集輸站場作為油田生產關鍵環節，同時也是主要耗熱點之一。加熱法是油田主要集輸處理工藝，通過加熱促進乳狀液油水分離、對外輸原油降黏輸送，以及稠油井回摻采出水升溫等。目前勝利油田各聯合站、接轉站熱源主要有天然氣、電廠蒸汽余熱、“采出水余熱+熱泵” 等。當前環保形勢日趨嚴峻，部分加熱爐排放不達標，外購天然氣成本高，亟需開展地熱、余熱、太陽能等清潔能源替代項目，利用太陽能替代集輸站場加熱爐燃氣節能環保潛力較大。

1 區域太陽能資源優勢

勝利油田東部油區主要位于山東省東營市，該地區年平均太陽總輻射量為5 199 MJ/m2，即1 441 kWh/m2， 年平均日照時數2 712.5 h；水平面上的年平均峰值日照時數為4.29 h，即年峰值日照時數為1 390 kWh/m2左右，為太陽能資源三類地區，接近資源較豐富的二類地區[1]。利用太陽能替代天然氣、電能等大量常規能源，可減少環境污染，實現節能減排，提高企業的經濟效益和社會效益。

2 “太陽能+”利用技術研究

2.1 確定“太陽能+”多能協同利用方向

由于太陽能利用受晝夜、季節、氣候以及晴、陰、云、雨等隨機因素影響大，且季節性變化呈現一定規律，造成單獨利用效率低，配套蓄熱裝置成本高。而油田油氣生產需要連續性和可靠性，完全依靠太陽能不具備適用條件。因此，可通過對太陽能、天然氣能源進行優化組合配置，實現多能互補協同利用，提升太陽能等間歇性可再生能源的消納能力[2]。結合油田生產實際，確定了“太陽能+”主要利用方向：“太陽能光熱+電能”應用于油田單井拉油儲罐加熱；“太陽能光熱+天然氣”、 “太陽能光伏+余熱”應用于油田集輸站場生產用熱；“太陽能光熱+余熱”應用于油田辦公區和生活區冬季供暖。

2.2 太陽能集熱系統最優設計負荷研究計算

由于太陽能的不連續性，集熱裝置吸收熱量時間有限，如何確定太陽能加熱系統最優設計負荷，確保項目投資收益的最大化，為此開展了太陽能集熱系統設計能力經濟性研究。以勝利油田某單井拉油電加熱儲罐為例，該井日產液量為13.6 t，油量為5.2 t，含水率61.8%，井場建有30 m3電加熱儲油罐1 座，平均每天拉油1 次，耗電量為596 kWh/d。經測算，太陽能集熱系統設計負荷為油井采出液加熱需求負荷的50%～60%時，項目建設投資的收益率最高。

2.3 不同類型太陽能集熱器的優選對比

國內使用的太陽能集熱器類型主要有平板型太陽能集熱器、真空管太陽能集熱器、熱管真空管太陽能集熱器和槽式聚焦太陽能集熱器等。其中，后3 種集熱器均已在勝利油田單井拉油儲罐加熱中推廣應用[3]，現對其優缺點進行對比分析，如表1所示。

表1 三種不同形式的太陽能集熱器優缺點對比

表2 接轉站加熱運行數據

通過對以上現場調研及分析，三種集熱器均可實現太陽能光熱轉換功能。其中，槽式熱管式集熱器聚光面積大，運用了熱管和真空管技術，同時具備太陽光自動追蹤功能，在瞬變的太陽輻照條件下可提高集熱器輸出能量；由于集熱管數量少、熱管的熱二極效應，當太陽輻照較低時可減少被加熱工質向周圍環境散熱。該裝置光熱轉換效率高，較適用于油田集輸站場等場地受限區域[4]。

3 槽式聚焦太陽能加熱技術的應用

下面以勝利油田某接轉站為例，介紹槽式聚焦太陽能加熱工藝方案，以及經濟和社會效益等情況。

3.1 加熱負荷計算

該接轉站采用“熱化學沉降”集輸處理工藝，現有加熱節點2 處：進站采出液加熱；接轉站覆蓋區域油井回摻伴輸采出水加熱。根據接轉站處理液量、含水率及加熱溫度等參數，通過下述公式，測算出加熱負荷。

系統熱負荷[5]的計算式為

其中

式中： Q 為系統熱負荷，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)。

經計算，外輸含水原油加熱負荷為872 kW，外輸回摻采出水加熱負荷為1 505 kW，合計加熱負荷為2 377 kW，如表2 所示。

通過分析，一方面由于接轉站加熱負荷較大，可利用場地面積為1 900 m2，按照70%的有效利用面積、太陽能單位面積接收功率0.8 kW/m2計算，太陽能供熱負荷最大為1 064 kW；另一方面考慮太陽能的不連續性，單獨建設太陽能加熱系統或配套儲熱系統均不能完全替代燃氣加熱爐負荷。因此，本方案將太陽能集熱裝置作為燃氣加熱爐前預加熱系統實施應用，根據太陽能提供能量的變化反饋控制加熱爐燃燒器，即：燃氣加熱爐根據預熱溫度變化實時控制燃氣量，調整燃氣供熱負荷，實現“太陽能+天然氣”互補協同利用。

3.2 工藝方案

太陽能加熱系統由太陽能集熱器、儲油罐、循環泵，以及配套電氣、自控系統等組成。主要加熱過程：導熱油吸收太陽能集熱器匯集的太陽能熱量后，進入儲油罐；高溫導熱油通過循環泵進入板式換熱器與接轉站來液進行熱交換；換熱后的低溫導熱油再進入太陽能集熱器循環加熱，接轉站來液被加熱后進入燃氣加熱爐系統進行二次加熱，最終滿足工藝要求。太陽能加熱系統工藝流程如圖1所示。

3.3 集熱能力測算

太陽能集熱量可由下式求得：

其中

式中： Qs為太陽能集熱系統承擔的熱負荷，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 輻 照 度，W/m2； αc為 集 熱 效率，%。

圖1 太陽能加熱系統工藝流程示意圖

接轉站現有可利用土地面積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，其他配套設備建設面積150 m2。 按照集熱能力12.2 kW/ 組、 光 照 時 數 7.16 h/d 、 光 照 時間2 505.6 h/a 計算，總集熱能力為1 012.6 kW，年供熱量為9 133.9 GJ/a。

3.4 經濟和社會效益

項目實施后年可節省天然氣36.47×104m3，按照外購天然氣價3.26 元/m3計算，年收入為118.9 萬元。應用太陽能加熱系統可減少天然氣資源的消耗，經測算，可節約折標煤476.6 t/a，減排二氧化碳1 187.8 t/a。

4 結論

1） 利用太陽能改進集輸站場在用加熱工藝，推廣空間大。勝利油田共有聯合站62 座，其中輕質油聯合站3 座，中質油聯合站24 座，重質油聯合站23 座， 稠油聯合站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（千克標準煤/噸），是油田的主要耗熱點之一。

2）“太陽能+”多能互聯提升可再生能源利用效率。集輸站場用熱以燃燒天然氣為主，動力系統以用電為主。以油田伴生氣作為燃氣資源，油田回注采出水余熱作為熱能資源，利用各集輸站庫具有一定的閑置場地，實施“太陽能+余熱+天然氣”多能互補具有廣闊的應用前景。