大慶油田光熱清潔替代技術(shù)研究

侯啟東

大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

大慶油田是稀油油田耗氣大戶，油氣開發(fā)生產(chǎn)過程需要消耗大量的熱能，熱能主要由天然氣、原煤和原油燃燒供給。為降低油田生產(chǎn)生活化石熱源能耗、降低溫室氣體排放量，秉承綠色發(fā)展理念，持續(xù)推進(jìn)節(jié)能減排，光熱利用成為當(dāng)前油田清潔熱能替代的主要途徑，用熱溫度以中低溫為主[1]。2011年，美國(guó)GlassPoint公司與獨(dú)立石油生產(chǎn)商Berry 公司合作開發(fā)了太陽(yáng)能光熱提高原油采收率（EOR）項(xiàng)目[2]，該項(xiàng)目是光熱技術(shù)在石油開發(fā)領(lǐng)域的全球首次嘗試。國(guó)外光熱制蒸汽用于稠油熱采于2013 年在全球首次嘗試，當(dāng)前已在美國(guó)、阿曼等地應(yīng)用，主要采用槽式及塔式聚光集熱系統(tǒng)[3]。2021年我國(guó)光熱利用集熱系統(tǒng)總銷量2 852×104m2。建筑供暖仍是市場(chǎng)的主要應(yīng)用形式[4]，占到光熱利用工程市場(chǎng)的90%左右。

目前，石油工業(yè)領(lǐng)域光熱未能大規(guī)模應(yīng)用，主要因?yàn)榇嬖谝韵滤拇竺埽孩儆吞锷a(chǎn)用熱場(chǎng)景多且復(fù)雜，熱能消耗高，光熱利用針對(duì)石油領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)體系不健全；②光熱系統(tǒng)占地面積大，而油田規(guī)模化可用土地資源較少；③太陽(yáng)能資源雖易得，但由于其供熱的不穩(wěn)定性和不連續(xù)性，導(dǎo)致光熱利用時(shí)率低；④光熱建設(shè)投資較高，而油田氣價(jià)低，油田光熱與市場(chǎng)上的光熱項(xiàng)目相比，經(jīng)濟(jì)效益性較差。因此，針對(duì)不同試驗(yàn)場(chǎng)景用熱需求，結(jié)合各類集熱技術(shù)特點(diǎn)，通過對(duì)比集熱溫度、應(yīng)用環(huán)境、占地面積、單位投資等因素，因地制宜地優(yōu)選集熱技術(shù)，結(jié)合光熱利用時(shí)間節(jié)點(diǎn)及光熱可利用供熱的間歇性，優(yōu)選熱水站作為試驗(yàn)場(chǎng)景，采用先進(jìn)、成熟、可靠的光熱集熱器代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃?xì)饧訜釥t，才能大幅度降低站場(chǎng)的燃?xì)庀模瑴p少碳排放，實(shí)現(xiàn)光熱在油田的大規(guī)模應(yīng)用。

1 太陽(yáng)能集熱技術(shù)

太陽(yáng)能集熱技術(shù)是光熱利用系統(tǒng)的核心技術(shù)，其效率和投資成本會(huì)影響到整個(gè)集熱系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟(jì)性，按其是否聚光這一最基本的特征來劃分，可以分為聚光和非聚光集熱技術(shù)兩大類[5]。聚光太陽(yáng)集熱技術(shù)的集熱面積大于吸收太陽(yáng)輻射能的吸熱面積，只能吸收利用太陽(yáng)能的直接輻射能（DNI），主要設(shè)備由聚光器、吸收器和跟蹤系統(tǒng)三大部分組成，一般用于集熱溫度在100～1 500 ℃的中高溫?zé)崂孟到y(tǒng)中，集熱器類型以塔式、碟式、菲涅爾式和槽式為主（圖1）。非聚光太陽(yáng)集熱技術(shù)的集熱面積與吸收太陽(yáng)輻射能的吸熱面積相等，它能夠吸收利用太陽(yáng)的直接輻射（DNI）和散射輻射能（DHI），無跟蹤裝置，一般用于集熱溫度在50～100 ℃的低溫?zé)崂孟到y(tǒng)中，集熱器類型以平板、玻璃管、熱管真空管為主[6]（圖2）。集熱技術(shù)優(yōu)化方向?yàn)樘岣咛?yáng)能量密度和追光跟蹤精度。

圖1 聚光型太陽(yáng)能集熱器Fig.1 Concentrating solar collector

圖2 非聚光型太陽(yáng)能集熱器Fig.2 Non-concentrating solar collector

1.1 提高太陽(yáng)能能量密度

太陽(yáng)能能量密度低，且因地因時(shí)而異，要想在有限時(shí)間均得更多的太陽(yáng)能以支撐工業(yè)用熱，必須提高陽(yáng)光聚合能力。聚光可增強(qiáng)輻射，提高能量密度，提高相同光照時(shí)間的得熱量[7]。聚光比指采光面積與吸收體的面積比，是衡量太陽(yáng)能集熱技術(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)。當(dāng)前的平板、玻璃管集熱為非聚光技術(shù)；槽式及線性菲涅爾集熱技術(shù)為線性聚光技術(shù)，其聚光比不大于100；碟式和塔式集熱為點(diǎn)式聚光，聚光比可達(dá)到1 000。就集熱技術(shù)路線而言，聚光技術(shù)優(yōu)于非聚光技術(shù)，點(diǎn)聚光技術(shù)優(yōu)于線聚光技術(shù)。因此要想在相同的光照時(shí)間獲得更多的能量，應(yīng)優(yōu)選聚光比高的集熱技術(shù)。

1.2 提高追光跟蹤精度

太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)是指在太陽(yáng)有效光照時(shí)間內(nèi)能使太陽(yáng)光線始終垂直照射到（或更多地反射到）光線采集器的采集面上，使光線采集器在有效光照時(shí)間內(nèi)能最大限度地獲取太陽(yáng)能的設(shè)備。當(dāng)前的跟蹤系統(tǒng)分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤，單軸跟蹤系統(tǒng)如大開口的槽式集熱器，南北布局，東西俯仰跟蹤；雙軸跟蹤系統(tǒng)主要有豎槽、碟式及塔式，除仰角變化之外，可360°旋轉(zhuǎn)跟蹤。跟蹤水平越高，余弦損失（由于太陽(yáng)光入射方向與鏡面采光口法線方向不平行引起的接收能量減少）越小，太陽(yáng)能利用率越高[8]，相比單軸固定式動(dòng)態(tài)跟蹤，雙軸跟蹤系統(tǒng)可使采光時(shí)間增加2～3 h/d。

1.3 適用性分析

大慶油田屬于高寒地區(qū)，老區(qū)采油廠站庫(kù)周邊可利用土地不連續(xù)、較為零散，外圍采油廠站庫(kù)周邊可利用土地連續(xù)、較為集中。非聚光太陽(yáng)集熱器散熱面積大，吸熱面上的熱流密度較低，熱效率不高，其集熱面積與散熱面積相同，聚光比低，吸熱器和蓋板之間對(duì)流散熱嚴(yán)重，尤其冬季的散熱量較大，不適宜在較高用熱溫度下使用，而適宜在低溫環(huán)境下小規(guī)模使用，例如井場(chǎng)、小型轉(zhuǎn)油站等。聚光太陽(yáng)集熱器中的塔式和碟式集熱器為高溫點(diǎn)式聚焦集熱，聚光比相對(duì)線性高，多采用雙軸跟蹤的方式，控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。塔式集熱器適合大規(guī)模（100 MW）高溫條件下使用，初始投資大；碟式集熱器適合小規(guī)模（70 kW)、升溫迅速的條件下使用。油田用熱溫度以中低溫為主，塔式及碟式屬于高溫集熱，運(yùn)行溫度達(dá)到1 500 ℃，因此不在應(yīng)用范疇之列；槽式和菲涅爾式集熱器都屬于線性中高溫聚焦集熱，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較高，但系統(tǒng)占地面積大，適宜中低溫條件下大規(guī)模化集中布置。各種太陽(yáng)能集熱器的性能比較情況見表1。

表1 太陽(yáng)能集熱器主要性能比較Tab.1 Main performance comparison of solar collectors

2 集熱系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2.1 集熱效率

太陽(yáng)能集熱器效率即光熱轉(zhuǎn)換效率，是指在穩(wěn)態(tài)（準(zhǔn)態(tài)）條件下，太陽(yáng)能集熱回路傳熱介質(zhì)在一定的時(shí)間內(nèi)獲得的熱量與集熱器同一時(shí)段內(nèi)接收的太陽(yáng)輻照量之比。集熱效率越高，太陽(yáng)能利用率越高。影響集熱效率的主要參數(shù)見表2，計(jì)算方法見公式（1）～公式（3）。

2.2 集熱面積

集熱面積是指太陽(yáng)光投射到集熱器的最大有效面積。直接式集熱系統(tǒng)中，用熱介質(zhì)可直接通過太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)進(jìn)行升溫加熱，間接式集熱系統(tǒng)中，用熱介質(zhì)無法直接通過集熱系統(tǒng)加熱，需采用間接換熱的方式升溫加熱。影響集熱面積的主要參數(shù)見表3，計(jì)算方法見公式（4）～公式（5）。

表3 集熱面積符號(hào)和單位Tab.3 Symbols and units of heat-collecting area

直接式系統(tǒng)集熱器總面積為：

間接式系統(tǒng)集熱器總面積為：

2.3 集熱系統(tǒng)瞬時(shí)功率

由于太陽(yáng)輻照強(qiáng)度和角度隨時(shí)間和地點(diǎn)的不同而變化，因此集熱系統(tǒng)的集熱功率也會(huì)隨著時(shí)間而變化。影響集熱瞬時(shí)功率的主要參數(shù)見表4，計(jì)算方法見公式（6）～（7）。

表4 集熱瞬時(shí)功率符號(hào)和單位Tab.4 Symbols and units of heat collection instantaneous power

3 試驗(yàn)工程案例分析

3.1 試驗(yàn)地點(diǎn)選擇

大慶油田原油具有“三高”的特點(diǎn)，油井需要定期用熱水熱洗清蠟。約26 000口油井需采用熱洗車白天拉運(yùn)熱水的活動(dòng)熱洗方式進(jìn)行洗井作業(yè)。熱水站是油田為油井作業(yè)、熱洗等提供熱水而專門建設(shè)的生產(chǎn)輔助站場(chǎng)。

從運(yùn)行模式來看，因洗井作業(yè)時(shí)間均為白天，且用熱時(shí)段不連續(xù)，與光熱利用時(shí)間節(jié)點(diǎn)及光熱可利用供熱的間歇性高度吻合；從能源替代角度來看，熱水站主要能耗為燃?xì)饧訜釥t耗氣，存在可替代能源；從輔助熱源角度來看，熱水站存在已建燃?xì)饧訜釥t可作為輔助熱源；從儲(chǔ)熱設(shè)備方面來看，熱水站的已建熱水罐可作為熱能儲(chǔ)存設(shè)備。因此，選擇熱水站開展光熱試驗(yàn)，創(chuàng)新油田站場(chǎng)光熱利用模式，較大程度地減少站場(chǎng)天然氣消耗，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，減碳排放的目的。以某熱水站運(yùn)行情況為例，詳見表5。

表5 某熱水站運(yùn)行情況Tab.5 Operation status of a hot water station

3.2 集熱技術(shù)選擇

該熱水站為污水站濾后污水，為防止因太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)結(jié)垢堵塞而影響集熱器換熱效率和使用壽命，需采用間接換熱的模式。該熱水站周邊土地資源較好，站場(chǎng)周邊有一定規(guī)模的可利用閑置土地，結(jié)合當(dāng)前熱水站運(yùn)行現(xiàn)狀以及太陽(yáng)能集熱技術(shù)適用性分析結(jié)果，熱水站光熱利用適宜采用類線性菲涅爾、豎槽、平板集熱技術(shù)。某熱水站全年用熱量為22 000 GJ，太陽(yáng)能保證率f均為60%，替代得熱量為13 200 GJ。三種集熱技術(shù)比選結(jié)果見表6。

表6 集熱技術(shù)對(duì)比Tab.6 Comparison of heat collection technologies

由表6可知，從經(jīng)濟(jì)性角度分析，類線性菲涅爾式集熱技術(shù)的單位投資經(jīng)濟(jì)性最佳，其次為槽式，平板集熱技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較差。從技術(shù)可實(shí)施性角度分析，類線性菲涅爾集熱器及平板集熱器需連續(xù)整裝用地，對(duì)于場(chǎng)地要求較高，需連續(xù)集中大規(guī)模布置；豎槽集熱器現(xiàn)場(chǎng)布置應(yīng)用更為靈活，可采取分布式也可集中式布置，對(duì)于場(chǎng)地要求較低。考慮到集熱半徑越大則熱損失越大，當(dāng)站場(chǎng)周邊有連續(xù)大規(guī)模用地時(shí)，推薦采用類線性菲涅爾集熱技術(shù)。

該熱水站周邊可利用土地12 000 m2，站南側(cè)7 000 m2的可利用土地連續(xù)集中，站北側(cè)5 000 m2的可利用土地零散分布。為提高土地利用率，因地制宜地采用豎槽雙軸+類線性菲涅爾集熱聯(lián)合供熱的模式，類線菲集熱器布置103 組，集熱面積約3 000 m2；豎槽雙軸集熱器布置22組，集熱面積約880 m2。

3.3 集熱系統(tǒng)供熱逐時(shí)分析

光照條件最優(yōu)日全天逐時(shí)太陽(yáng)能加熱負(fù)荷曲線見圖3。

圖3 某熱水站光熱逐時(shí)加熱負(fù)荷曲線（最優(yōu)）Fig.3 Hour by hour photo-thermal heating load curve of a hot water station(optimum)

光照條件最差日全天逐時(shí)太陽(yáng)能加熱負(fù)荷曲線見圖4。

圖4 某熱水站光熱逐時(shí)加熱負(fù)荷曲線（最差）Fig.4 Hour by hour photo-thermal heating load curve of a hot water station(worst)

光照條件年平均日全天逐時(shí)太陽(yáng)能加熱負(fù)荷曲線見圖5。

圖5 某熱水站光熱逐時(shí)加熱負(fù)荷曲線（年平均）Fig.5 Hour by hour photo-thermal heating load curve of a hot water station(annual mean)

由圖3、圖4 和圖5 可知：在光照條件最優(yōu)日，全天太陽(yáng)能集熱功率大于逐時(shí)用熱功率，燃?xì)饧訜釥t不需開啟即可滿足全天用熱需求；在光照條件平均日及最差日，全天太陽(yáng)能集熱功率不滿足逐時(shí)用熱功率需要，加熱爐需定時(shí)開啟補(bǔ)充剩余用熱負(fù)荷。

某熱水站在光熱利用改造后，節(jié)約天然氣51.10×104m3/a（0 ℃，1 atm），減少CO2排放量1 107.3 t/a。

4 結(jié)論

（1）集熱系統(tǒng)通過提高聚光比、增強(qiáng)能量密度，能夠增加光熱轉(zhuǎn)換效率，減少集熱器回路陣列，降低了系統(tǒng)功耗、降低運(yùn)維成本。聚光技術(shù)優(yōu)于非聚光技術(shù)，點(diǎn)聚光技術(shù)優(yōu)于線聚光技術(shù)。

（2）集熱系統(tǒng)通過提高追蹤系統(tǒng)精度，能夠減少余弦損失、增加集熱效率，提高太陽(yáng)能利用率。雙軸追蹤系統(tǒng)優(yōu)于單軸追蹤系統(tǒng)。

（3）大慶油田光熱利用主要以中低溫?zé)崮芾脼橹鳎杞Y(jié)合具體應(yīng)用場(chǎng)景（土地資源、用熱溫度、運(yùn)行模式、投資構(gòu)成）優(yōu)選適宜的集熱技術(shù)。分布式小規(guī)模應(yīng)用推薦采用平板、豎槽集熱技術(shù)；集中式大規(guī)模應(yīng)用推薦采用類線菲集熱技術(shù)。

（4）以集熱系統(tǒng)供熱的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)原理，熱水站為試驗(yàn)應(yīng)用場(chǎng)景，從技術(shù)可實(shí)施性角度分析，平板集熱器冬季散熱量較大，不適宜較高用熱溫度下使用；線性菲涅爾集熱器需連續(xù)整裝用地，對(duì)于場(chǎng)地要求較高，需連續(xù)集中大規(guī)模布置；豎槽集熱器現(xiàn)場(chǎng)布置應(yīng)用更為靈活，可采取分布式也可集中式布置，對(duì)于場(chǎng)地要求較低。從經(jīng)濟(jì)性角度分析，類線性菲涅爾集熱技術(shù)的單位投資經(jīng)濟(jì)性最佳，其次為槽式，平板集熱技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較差。