撬裝式光熱裝置在油田中的應用

李德純 李 震 李清萍

勝利石油管理局有限公司新能源開發中心 山東東營 257000

1 應用背景

為了實現化石能源潔凈化、生產過程低碳化,建設真正意義上的綠色油田,勝利油田對油氣生產過程中的傳統能源進行代替。目前,勝利油田進行先導試驗及投產運行太陽能加熱裝置共計有63套,年供熱20 000 GJ,年可節電1 250 000 kWh,年可節氣650 000 m3。從2020年開始,新能源開發中心為稠油井口和單井儲油罐投產37套撬裝式光熱裝置,如圖1所示。筆者對已投產的37套撬裝式光熱裝置運行效果進行分析,為油田下一步選擇油氣開采、集輸過程中的傳統能源代替方式提供參考。

圖1 撬裝式光熱裝置

2 光熱裝置結構和原理

目前,國內常用的原油井口加熱方式主要有三種,分別為天然氣加熱、電加熱、太陽能自控加熱。

采用天然氣加熱,采油井場安裝天然氣加熱爐,通過燃燒天然氣將化學能轉換為熱能。

采用電加熱,原油井口安裝電加熱器,將電能轉換為熱能,為原油加熱。

太陽能自控加熱通過超導真空集熱器,將太陽能能轉換為熱能。太陽能自控加熱可以依托兩種熱源,分別為太陽光和電。與其它加熱方式相比,太陽能自控加熱具有較高的可靠性和較低的運行費用。

油田許多油井原油黏度高,流動性差,液量低,需要依靠井口摻水加熱來降低回壓,保證正常生產。目前通常采用天然氣加熱或電加熱方式,能耗高,污染大。根據勝利油田綠色企業行動實施方案中的要求,采用太陽能自控加熱方式代替原有加熱方式,可以達到節能減排的目的。

太陽能加熱效果的好壞主要取決于集熱器的性能。目前主要有平板型、全玻璃真空管、真空熱管三種太陽能集熱器,各種太陽能集熱器各有優缺點,用途、適用地區、性價比也有所不同。

平板型太陽能集熱器由透光玻璃板、保溫層、外框、進出水管等組成,如圖2所示。當太陽光透過透光玻璃板照在平板集熱板上時,平板集熱板內的水被加熱升溫。由于熱水的密度小,冷水的密度大,使平板集熱板內的熱水自動上升到處于高位的儲水箱內,儲水箱內的冷水則會自動流入處于低位的平板集熱板內。由此,在太陽光照射下,平板集熱板內的水和儲水箱內的水不斷循環,儲水箱內的水被加熱。也可以將大水箱放置在低處,通過水泵與平板型太陽能集熱器強制循環,組成強制循環平板太陽能熱水系統。平板型太陽能集熱器是應用較早的一種太陽能集熱器,一直以來也是世界太陽能市場的主導產品,廣泛應用于各種低溫熱水加熱領域。因防凍問題,以及集熱性能受季節和環境影響較大,平板型太陽能集熱器目前主要在南方冬季氣溫較高的地區應用,在北方寒冷地區冬季運行效果欠佳。

圖2 平板型太陽能集熱器

全玻璃真空管太陽能集熱器外形像拉長了的暖水瓶,由內外兩根直徑不同、單端開口的同心圓玻璃管組成,如圖3所示。開口端內外管燒熔成環行密封,不開口端內外管之間用金屬卡子固定。內管外壁鍍選擇性吸收涂層,外管為透明玻璃。內外管之間抽為真空。由于真空保溫和選擇性吸收涂層的作用,理論上,在空曬情況下,全玻璃真空管太陽能集熱器內溫度可達200 ℃以上。全玻璃真空管太陽能集熱器結構簡單,生產技術可靠,成本較低,熱效率高,適合在冬天氣溫為0～20 ℃的地區使用。全玻璃真空管太陽能集熱器的缺點是不能承壓,使用時不能缺水空曬,否則玻璃管容易爆裂,存在一定的安全隱患。

圖3 全玻璃真空管太陽能集熱器

熱管真空管太陽能集熱器如圖4所示。熱管是一種高效導熱元件,安裝在全玻璃真空管中。熱管和全玻璃真空管之間設有與二者緊密接觸的金屬翅片,將玻璃管轉換的太陽能熱量傳導給熱管蒸發段。熱管再利用內部真空狀態下工質的蒸發吸熱和放熱冷凝,將熱量傳導至被加熱流體中。這樣既實現了全玻璃真空管不直接接觸被加熱流體,解決了全玻璃真空管太陽能集熱器的缺點,又保留了全玻璃真空管在低溫環境中散熱少,加熱工質溫度高的優點。熱管真空管太陽能集熱器有很強的抗凍能力,適用于-40 ℃左右的地區;可承壓,耐空曬,不易爆管;熱容量小,啟動快,可用于產高溫熱水、開水。熱管真空管太陽能集熱器效率高,系統較成熟,無安全隱患,缺點是造價較高。

圖4 熱管真空管太陽能集熱器

根據油田單井加熱的現狀,選擇金屬超導熱管真空管太陽能集熱器進行加熱。

撬裝式光熱裝置通過超導熱管真空管太陽能集熱器,將太陽能轉換為熱能。太陽光透過全玻璃真空管,照射在全玻璃真空管內的吸熱翅片上。吸熱翅片上的吸收膜將太陽輻射能轉換為熱能,通過導熱銅帶傳遞至內置熱管。連續吸收太陽輻射能,通過高效換熱器,為原油提供熱能。為確保非標準日狀態下系統正常產熱能力,增設電輔助加熱復合系統。電輔助加熱復合系統采用輔助爐,與熱媒貯蓄熱水箱形成密閉循環,采用泵循環方式,自動溫控調節循環復合介質專用液溫度,以復合介質專用液做傳熱媒介,滿足加熱需求。撬裝式光熱裝置原理如圖5所示,現場如圖6所示。

圖5 撬裝式光熱裝置原理

圖6 撬裝式光熱裝置現場

3 技術特點

(1) 高效節能。最大效率利用太陽能,全年可節約能源50%以上。采用智能化控制,還可以明顯降低運行成本和管理費用。

(2) 安全可靠。太陽能沒有常規能源存在的易燃易爆、斷路、電擊等危險,是最安全、最可靠的供熱源。

(3) 綠色環保。采用太陽能潔凈綠色能源,避免礦物燃料對環境的污染,符合國家環保政策,利國利民。

(4) 控制先進。采用先進的智能化控制技術,可以實現最佳經濟運行。接入遠程監控平臺,具備遠程實時監控功能,實現運行數據實時采集、設備遠程啟停、遠程參數調整,使用非常方便。

(5) 使用壽命長。在正常情況下,使用壽命可達到15 a以上。

(6) 運行穩定可靠。運行穩定,安全可靠,配置的全玻璃真空管可抗擊直徑2.5 cm的冰雹,同時具有自清洗功能。

所應用的光照裝置為橇裝式整體結構設計,滿足主體整體吊裝要求,并與地面預埋體固定,占地僅為井口燃氣爐附近向陽面東西長7 m、南北長5 m,占地面積小,不會影響油井作業、洗井、原油拉運等正常生產。

4 應用情況

目前,新能源開發中心共為油田投產37套撬裝式光熱裝置,用于代替電加熱和水套爐,向井口和儲油罐加熱。

撬裝式光熱裝置主要分布在現河草西草東管理區,以及孤島采油五區、九區、十區。2020年以來,設備運行良好,油井生產平穩。

13套撬裝式光熱裝置代替電加熱,投運于孤島采油十區、現河草西草東管理區,為地處偏遠未進行管線集輸的單井儲油罐加熱,加熱溫度一般為70～80 ℃。

另外23套撬裝式光熱裝置代替水套爐,為孤島采油五區、九區原油黏度高、流動性較差的油井井口加熱,以降低回壓,保證生產。對應原油50℃時黏度為5 000 mPa·s左右。

37臺撬裝式光熱裝置均采用由新能源開發中心投資、建設、運營的模式,目前這37套撬裝式光熱裝置均按設計要求正常運行。

5 經濟效益

通過項目實施,取得了一定的經濟和社會效益。其中,孤島采油五區每年降低綜合能耗445.31 t標準煤當量,減少二氧化碳排放1 095.47 t。孤島采油九區每年降低綜合能耗約838 t標準煤當量,減少二氧化碳排放2 061.48 t。孤島采油十區每年降低電能消耗約783 200 kWh,減少二氧化硫排放8.37 t,減少氮氧化物排放1.97 t,減少二氧化碳排放601 t?，F河草西草東管理區每年降低電能消耗459 700 kWh,減少二氧化硫排放4.91 t,減少氮氧化物排放1.15 t,減少二氧化碳排放352.83 t。通過應用撬裝式光熱裝置,實現了節能降耗,綠色生產。

6 存在的問題

雖然目前取得了一定成績和效益,但是項目仍然存在一些問題需要解決。

第一,能量密度低,占地面積大。由于太陽能能量密度低,導致在陸地單位面積上能夠直接獲得的太陽能較少,使撬裝式光熱裝置的占地面積較大。

第二,受氣候、環境影響大,且只能在白天工作,需要配套儲能裝置。長期雨雪天、陰天、霧天,以及云層變化都會影響集熱量,雜物遮擋也會嚴重影響轉換效率。

第三,成本仍然很高。成本問題是制約光熱廣泛應用的最主要因素,撬裝式光熱裝置成本高主要體現在太陽能集熱器上。隨著技術的更新迭代,降低成本是亟需解決的問題。