太陽能光電一體化技術在原油加熱系統中的應用

李武平 武玉雙 李小永 胡俊平 趙曉龍 陳麗麗 胡占國 李淵

（1.中國石化石家莊煉化；2.華北油田公司第五采油廠）

我國太陽能熱利用行業處在家用熱水向多領域供熱，特別是向“太陽能熱利用+清潔供暖供熱”領域轉型升級。新疆塔克拉瑪依某油田通過采用太陽能光伏發電技術，實現了對油井抽油機系統供電；遼河油田采用太陽能加熱集輸工藝實現對儲油罐的保溫，同時研發出一套光熱系統，將太陽能加熱產生的蒸汽注入地下，從而提高了油田的采收率[1-2]。因此如何充分利用取之不竭的太陽能，用于石油建設，實現節能減排，是新時代賦予石油企業的歷史使命。

1 油田生產現狀

華北油田位于冀中南部地區，經過四十多年的開發，目前已進入開發后期，滾動擴邊井不僅油品物性差，而且產量較低，距離已建生產系統較遠，無法通過管輸進入系統生產，只能采用建設拉油點的方式將原油拉至集中處理站處理。為保證油井產液的順利拉運，儲油罐必須伴熱，常規的伴熱方式有燃油或燃氣加熱爐、電加熱等方式，加熱爐極易造成環境污染，而一個單井拉油點的儲油罐一般為50 m3的鋼制保溫儲罐，通常配備30 kW的內伸式電加熱棒，不僅能耗高，而且易損壞，當儲罐內液位低時，儲罐空間內充滿了混合性可燃氣體，易燃易爆，安全隱患大，因此，利用太陽能集熱輔助電加熱加溫的裝置為油井提供熱量，可達到降低能耗減少污染的目的[3-4]。

2 太陽能加熱裝置的組成

2.1 單井拉油點集油工藝

油田單井拉油點的工藝簡單，油井產出液經過單井集油管線進入儲油罐，在儲油罐加熱升溫至凝固點以上裝車拉運。熱力系統依靠儲油罐內部的電加熱器或井口加熱爐提供的熱量加熱。拉油點集油和熱力系統工藝流程示意圖如圖1 所示。

圖1 拉油點集油和熱力系統工藝流程示意圖

2.2 太陽能加熱方式優選

采油五廠的單井拉油點多為滾動擴邊井，油井產量較低，原油物性較差，且不含伴生氣，根據這一實際情況，應用太陽能輔助電加熱節能技術，確保儲油罐溫度，保證原油拉運順利進行。

油田儲運系統利用太陽能加熱原油，一般有直接加熱和間接加熱兩種方式，太陽能加熱方式對比見表1，可見在應用太陽能為原油加熱時，優選間接加熱方式。

表1 太陽能加熱方式對比

2.3 系統組成及工作原理

太陽能輔助電加熱儲運系統主要有熱力系統、儲油系統和控制系統組成。

熱力系統主要包括太陽能集熱（光電一體太陽能集熱器）、水循環、熱水存儲、電加熱補充和自動控制，太陽能供熱流程見圖2。

圖2 太陽能供熱流程

2.4 集熱器的選擇

根據集熱方式的不同，太陽能集熱器可分為聚光式和非聚光式兩類。非聚光式主要在低溫系統中使用，而聚光式則在中高溫系統中用熱。

目前集熱器主要有全玻璃真空管太陽能集熱器和槽式聚光太陽能集熱器兩種形式。

平板型太陽集熱板結構見圖3，它可以采集太陽直射輻射和散射輻射，集熱器與環境間溫差不大時熱效率較高而且成本較低，但它防凍抗凍能力差，不適合在寒冷地區使用。

全玻璃真空管集熱器具有保溫性能好、熱效率高和抗冰雹等優點，但也存在著運行不安全、密封不可靠、結垢、不承壓、集熱器壽命短等缺點。

全玻璃真空管太陽能集熱器：太陽能透過外玻璃照射到內管表面吸熱體上轉換為熱能，然后加熱玻璃內的傳熱工質，使其氣化并將熱量傳送到熱管的頂端，加熱傳熱介質(通常是水)，同時使工質凝結，流回熱管的下端(加熱端)，如此不斷循環。熱管式真空管集熱器具有以下優點:熱管工質熱容量小，啟動快；真空集熱管內沒有水，耐冰凍；真空集熱管內沒有水，耐熱沖擊；有效降低了向周圍環境散失的熱損失，可提高集熱效率[5-6]，全玻璃真空管太陽能集熱器結構見圖4。

圖4 全玻璃真空管太陽能集熱器結構

槽式聚光太陽能集熱器：太陽光透過大氣層入射到地球表面，會產生較低熱流密度的輻射能，直接利用會影響其經濟性，只有將低熱流密度的輻射能通過聚集，才會轉化為高熱流密度的輻射能。從光學理論分析可知，拋物線聚光是唯一一種可以把一束平行光匯聚到一點的線型。

太陽能槽式集熱器就充分利用了拋物面聚光原理，集熱器在輻射能源和能量吸收體之間加入了聚光元件，將大面積的低能量匯聚成小面積上的高能量，能夠獲得更高的集熱溫度，聚光比越大，集熱溫度越高。這種聚熱方式目前在太陽能利用系統中占據主導地位，它為系統提供熱源，其效率和投資成本會影響到整個集熱系統的效率和經濟性[7-9]，槽式聚光太陽能集熱器集熱原理示意圖見圖5。

圖5 槽式聚光太陽能集熱器集熱原理示意圖

圖6 兩種集熱器集熱效率的比較

2.5 太陽能集熱技術對比

兩種集熱器的太陽能集熱技術對比見表2，兩種集熱器集熱效率的比較見圖6。

表2 太陽能集熱技術對比

3 現場應用

3.1 基礎數據

虎8單井拉油點有2口油井，日產液32 m3，日產油30 t。建有2具50 m3高架儲油罐，原油物性見表3。

表3 原油物性

環境數據：按冬季環境溫度-10 ℃設計，原油進罐溫度20 ℃，需要保持油罐內原油40 m3溫度45 ℃左右，可以裝車拉油。

3.2 利用方案

3.2.1 流程設計

根據拉油點生產實際，太陽能加熱系統生產的熱水進入保溫水箱為油井生產和拉油點生活用熱，拉油點太陽能供熱流程示意圖如圖7所示。

圖7 拉油點太陽能供熱流程示意圖

3.2.2 集熱面積計算

集熱面積計算參數依據國家建筑標準設計圖集06SS128《太陽能集中熱水系統選用與安裝》中北京市氣象參數作為參考[10-12]，北京市海拔高度31.3 m，緯度39°48＇，經度116°28＇，每月及年總輻射數據，北京市各月設計用氣象參數見表4。

表4 北京市各月設計用氣象參數

根據式（1）計算集熱器的總采光面積：

式中：Ac為直接系統集熱器采光面積，m2；Q為所需熱量，kJ；Jt為當地春分或秋分所在月集熱器受熱面上月均日輻照量，此處取冬季平均日輻照量，kJ/m2；f為太陽能保證率，無量綱；ηcd為集熱器全日集熱效率，國標經驗值取0.40～0.55；ηL為管路及儲水箱熱損失率，無量綱。

通過計算，選擇采光面積為55.4 m2的系統集熱器，因此在拉油點安裝了10組太陽能。

3.2.3 控制系統

安裝了智控系統控制柜一套，主要應用其水溫顯示、溫差循環、防凍循環、輔助加熱等功能。

3.3 應用效果

2019年7月27日該系統投產。在夏季晴好天氣情況下，太陽光照時間8 h，維持溫度時間2～4 h，即有效利用時間10～12 h，集熱器溫度平均在70 ℃左右，循環水溫度50 ℃，循環回水溫度45 ℃，儲罐外壁測溫45 ℃。薄云天氣集熱器溫度平均在60 ℃左右，循環水溫度47 ℃，循環回水溫度40 ℃，儲罐外壁測溫41 ℃。陰天和夜間則需要電輔助加熱，電輔助加熱器功率32 kW（安裝在循環水箱4 根電加熱棒，8 kW/根），循環水箱電加熱溫度最高達到60 ℃。2019 年11 月5 日在薄云天氣情況下，現場測定集熱器溫度57 ℃，循環水溫度40 ℃，回水溫度33 ℃，井口原油溫度27 ℃，儲罐外壁測溫34 ℃。

存在的問題：在夏季晴好天氣情況下，太陽能加電輔助加熱基本能夠滿足原油儲罐加熱需要。冬季運行可能存在熱量不足，太陽能集熱系統和電輔加熱應同時運行[13]。

3.4 效益分析

單井拉油點應用太陽能輔助電加熱系統替代加熱爐供熱后，可使原油采出液溫度升高17～20 ℃，每年可節省天然氣4.8×104m3，可節約燃料費15 萬 元/a，減少 CO2排放 85 t，減少 SO2排放 13 t、減少NOx排放5.5 t，具有較好的節能減排效果。

4 結論與建議

太陽能光熱技術在油氣田節能應用方面已取得了初步的進展，從能源利用和現有的技術來看，太陽能光熱技術用于原油熱采或儲油預熱，提高原油的管輸能力是石油企業現實可行的利用太陽能實現油氣田節能的技術方案。在原油加熱過程中，如何保證太陽能集熱系統持續穩定地工作，是太陽能光熱技術在油氣田節能應用中的一個關鍵性問題，因此集熱和蓄熱的有機結合，才可以保證整個系統熱量的平穩輸出，同時起到削峰填谷的作用。