可再生能源在油田地面工程中的应用

黄辉 李奇 邱伟伟（中国石化石油勘探开发研究院）

可再生能源在油田地面工程中的应用

黄辉 李奇 邱伟伟（中国石化石油勘探开发研究院）

我国目前开采的原油多属于“三高”原油，在油田地面集输过程中需消耗大量热量用于加热原油。可再生能源作为一种对环境影响小，具有自我恢复及可持续利用的新型能源，在油田地面集输过程中具有很大的应用潜力。中国石化江苏油田根据自身地面集输过程的特点 ， 将 太 阳 能 和 风能应 用 于 集 输 站 ， 可 替 代 集 输工艺 用 能 分 别 约 为 22%和 44%， 并 将 空 气 源 热 泵应用于井口采出原油加热，可减少电耗约 87%；但太阳能、风能及空气源热泵均存在受自然因素影响显著、连续性和稳定性差的缺点。如果将太阳能、风能、热泵技术相互耦合并配以储热技术，将可实现为地面集输过程提供持续、稳定和经济的热量。

油气集输 可再生能源 太阳能 风能 空气源热泵

引言

我国开采的原油多属于“三高”原油（高含蜡、高凝点、高黏度），尤其近些年发现的油田更是以稠油为主，在集输和处理工艺过程中需要耗费大量的热能。油田地面工程一般采用燃油、燃气、电加热等方式为原油加热，不仅能耗高，而且对环境造成严重污染。据统计，我国各油田每集输1t原 油 平 均 耗 气 约 15～35m3[1]。 据 此 测 算 ， 中 石 化 油田集输原油每年能耗总量折合成原油至少60×104t以上，中石油约为 170×104t。

可再生能源具有资源分布广、开发潜力大、环境影响小、可循环利用的特点。近年来，受石油价格上涨和全球气候变化的影响，可再生能源开发利用日益受到国际社会的重视。各大石油公司也纷纷响应可持续发展、绿色低碳的号召，将太阳能、风能等可再生能源应用于油气田生产过程中。委内瑞拉 一 条 长 32km 的 稠 油 管 道 采 用 太 阳 能 热 二 极 管 技术 后 ， 输 油 温 度 从 28 ℃ 增 加 至 60 ℃ ， 输 送 能 力 提高 17%[2]； Chevron 公 司 利 用 太 阳 能 聚 焦 产 生 蒸 汽 注入 到 油 藏 ， 降 低 Coalinga 油 田 的 原 油 黏 度 ， 以 提 高原 油 产 量[3]； 中 国 石 油 辽 河 油 田 兴 56 号 采 油 站 成 功应用太阳能对原油加热进行恒温控制，全年平均节气 率 可 达 到 45%[4]； 中 海 油 绥 中 36-1 油 田 采 用 风 力发电机组为海上平台供电，年发电量可达 440×104kWh， 年 减 排 CO2约 3500t、 SO2约 11t[5]； 辽 河 油 田采用热泵技术为输油伴热及站场供暖，年节省运行费用 73.2 万元[6]。

中国石化江苏油田原油凝点高，黏度大，油井产量低，气油比低，伴生气少，常温下流动性差，在原油集输、脱水及储存过程中，必须加热与保温，以保持其流动性和取得较好的脱水效果。根据原油的上述特点，江苏油田选取风能、太阳能及热泵技术等作为油田应用可再生能源的研究对象，提出了将太阳能、风能和热泵技术应用于油田地面工程供热的方案，探索出一条适合油田地面生产过程的可再生能源利用的道路，显著降低了油田的能耗，增加了经济效益，为建设绿色油田、低碳油田探索出一条有效的途径。

1 太阳能在地面工程中的应用

1.1太阳能加热系统

利用太阳能加热地面工程系统原油，可采用直接和间接加热两种方式。

直接加热方式是原油进入太阳能集热器直接加热，原油加热效率较高。但由于太阳辐射能量的变化，集热器内的温度有时较高，温度高时集热器内的原油可能会产生结焦现象；另外，由于原油黏度较高而存在结垢现象，造成集热器的清洗难度大。

间接加热方式采用加热盘管，利用清水作传热介质，将收集的太阳辐射能传递给原油。此方式安全可靠、运行稳定，但效率不如直接加热方式高。

近年来 在李 堡 油田 、天 83区 块、张 铺井 组 、潘庄井组等油区已经成功使用间接太阳能加热方法，并辅助网电加热技术取代加热炉供热系统，取得了很好的节能、环保效果。图1为江苏油田采用的太阳能辅助加热系统工艺流程示意图。太阳能集热器吸收太阳辐射能用于提高循环加热介质水的温度，升温后的热水在循环泵的驱动下流入储热水罐。由于太阳光照的不稳定性，在储热水罐中设置有电加热器，并通过控制器调节电加热器的开启与关闭，以使储热水罐出口水温达到集输系统工艺用热需求。储热水罐流出的热水经管式换热器与集输原油换热，提高了原油集输温度。

图1 太阳能辅助加热系统流程示意图

1.2太阳能加热系统设计

江苏油田地处苏北水网地带，年平均气温14.9 ℃ ， 极 端 最 高 气 温 39.4 ℃ ， 连 续 最 长 无 降 水 日数 66天 ， 年 日 照时数 2203.5h， 年 最 多 日 照 时 间 约为 2510h， 年 辐 射 量 在 5500～6300MJ/m2， 为 太 阳能利用三类地区，是我国太阳能资源较丰富的地区 ， 具 备 利 用 太 阳 能 的 优 良 条 件[7]。

根据该地区太阳能辐射量和集热器的性能，太阳能集热器的直接采光面积采用（1）式计算：

式中：

Ac——集热器采光面积，m2；

Qw——日均用水量，104kg；

Cw——水的定压比热容，4.18kJ/（kg·℃）；

tend——储 水 箱 内 水 的 终 止 温 度 （用 水 温 度），90℃；

ti—— 水 的 初 始 温 度 ，15 ℃ （以 秋 季 为 设 计 标准，选择15℃）；

f——太 阳 能保证率 ， 无 量 纲 ，取 0.75；

Jt——当 地 春 分 或 秋 分 所 在 月 月 均 集 热 器 受 热面 上 辐 照 量 ， kJ/m2， Jt＝17897kJ/m2（9 月 份 水 平面 的 月 平 均 日 辐 照 量 为 17720kJ/m2， 倾 斜 面 上 的太 阳 辐 照 量 选 择 为 Jt＝1.01×17720kJ/m2）；

ηcd—— 集 热 器 全 日 集 热 效 率 ， 国 标 经 验 值 取0.40～ 0.55， 根 据 实 验 数 据 取 0.47；

ηL——管路及储水箱热损失率，无量纲，0.15。

以 年 工 艺 供 热 负 荷 为 65.7×104kWh 的 李 堡 油田集输站为例，根据李堡油田当地太阳辐射资料，年 日 照 时 间 为 2200h， 其 中 冬 季 日 照 时 间 为 455 h， 太 阳 辐 射 强 度 为 300W/m2， 其 他 季 节 平 均 辐 射强 度 为 500W/m2， 应 用 式 （1）计 算 确 定 太 阳 能 集热 设 备 ：154m2太 阳 能 集 热 器 1 套 ，108m2太 阳 能集 热 器 1 套 ，25m3水 箱 1 座 ， 热 水 循 环 泵 2 台 ，40 kW 电 加 热 器 6个 （五 用 一 备）， 李 堡 站 内 热 水 循 环量约为 6m3/h。

1.3现场应用效果

在正常天气情况下，李堡油田集输站年运行的基本情况为：

夏 季 ： 热 水 罐 的 水 温 一 般 需 保 持 在 70℃ 左右， 太 阳能 加 热温升 8～9 ℃，电 加 热仅在 21：00—8：00开1只40kW电热棒。

冬 季 ： 热 水 罐 的 水 温 一 般 需 保 持 在 80℃ 左右 ， 太 阳 能 加 热 温 升 3～4 ℃ ， 电 加 热 在 8：00—21：00开1只 40kW电热棒，21：00—8：00开3只40kW电热棒，在特殊情况下短时需开5只40kW电热棒。

李堡油田集输站的太阳能集热器利用效率为55% ， 每 年 可 以 有 效 利 用 太 阳 能 14.44× 104kWh，可补充集 输工艺用能的 22%。电加热器效率按照80%计 算 ， 李 堡 油 田 平 均 电 价 0.6 元/kWh， 每 年 实际 可 以 节 约 用 电 18.05×104kWh， 折 合 费 用 约 10.83万元，太阳能集热设备的投资回收期约为5年。

2 风能在地面工程中的应用

2.1风光互补供热系统

我国油田一般地处旷野，全年风力较大，具有丰富的风力资源。针对集输站单独采用太阳能集热不能满足集输工艺用能，还需辅以电加热的问题，配以风能发电系统，从而形成风光互补供热系统，降低太阳能集热系统的电能用量。

现代风能发电设备主要包括离网运行的小型风力发电机组和大型并网风力发电机组。根据油田用能的特殊性，主要采用离网运行的小型风力发电机组，将其生产的电能直接用于电加热装置生产热水，利用热水储能。这种方式不仅减少了能量转换的损耗、提高了能源的利用率，而且减少了整流、储能、逆变等装置的投资，这一部分投资约占风力发电机组造价的 30%。

江苏油田采用的小型离网风能发电系统如图2所示，主要由风力发电机、风机控制器和逆变器等构成，各部分的作用如下：

◇风力发电机：将风的动能转换为直流电能，可直接给电加热器供电，用于加热储热水罐；

◇风机控制器：控制整个系统的工作状态；

◇逆变器：将直流电转换成交流电供循环水泵等交流负载设备使用。

图2 小型离网风能发电系统示意图

2.2风能发电系统设计

根 据 JGJ35-87 《建 筑 气象参数 标 准》， 江 苏油田所在地区的风资源情况如表1所示。

表1 江苏油田所在市区的风速

从表1可以看出，在江苏油田一厂的安丰、东台地区、盐城二厂的金湖地区、淮阴等风资源情况都比较好，具有利用开发价值。根据江苏省风电“十一五”发展规划，将在盐城大丰、南通启东等地区建立大型风力发电场。同时，冬季平均风速普遍比夏季平均风速高，与太阳能在季节上具有较好的互补性。

根据李堡站集输站现有运行情况及平面布置情况 ，利 用 站内 现有空 余地面 场地， 配置 4台 50kW小型风力发电机，产生的电能部分取代网电用于电热器给循环水加热，作为太阳能加热系统的补充。

2.3现场应用效果

4 台 50kW 的 风 力 发 电 机 组 预 计 年 发 电 量 为39.6× 104kWh， 工 业 供 电 电 价 按 0.6 元/kWh 计 算 ，年 节 省 电 费 约 23.8万元，按电热转 换 效 率 为 85%计算 ， 日 均 生 产 热 能 2.8× 106kJ。 采 用 4 台 50kW 的风力发电机组后，预计将减少现有网电用电量的67%， 补 充 集 输 工 艺 用 能 量 的 44%。50kW 风 力 发电机组价格为 38万元，则风力发电机组的投资回收期大约为6年左右。

3 热泵技术在地面工程中的应用

3.1空气源热泵供热系统

热泵根据低温吸热源的不同，可分为空气源热泵 、 地 源 热 泵 、 水 源 热 泵 三 种 形 式[8]。 江 苏 油 田 所处地理位置气候温暖，年平均气温 14.9 ℃，极端最高气温 39.4 ℃。油田采出 原 油 黏 度 较 高 ， 需 要 加 热输送到储油罐中，庄13井区的井口使用空气源热泵给原油加热，把采出原油加热到55℃。空气源热泵机组由蒸发器、冷却器、压缩机和膨胀阀4部分组成，其主要工作原理如图3所示。

空气源热泵运行时，蒸发器从空气中吸取热量，将热量传递给工质，工质蒸发后经压缩机压缩后压力和温度上升，高温蒸气工质通过冷凝器冷凝成液体，冷凝过程释放出的热量传递给需要加热的物流（如原油）。冷凝后的传热工质通过膨胀阀返回到蒸发器，然后再被蒸发，如此循环往复。

图3 热泵工作原理示意图

图4为空气源热泵的性能曲线，图中，1→2为热泵工质压缩增压升温过程，2→3为热泵工质冷凝放 热 过 程 ，3→4 为 热 泵 工 质 等 焓 节流 过 程 ，4→1为热泵工质蒸发放热过程。从曲线可以看出，热泵从空气中吸收热量为Q1，压缩机做功为W，向高温加热工质放热为Q2，则热泵的制热系数COP为

图4 工质lgp-H曲线

3.2空气源热泵供热系统设计

工质是制约热泵性能的主要因素，工质的性能直接影响了热泵的工作特性及制热系数。该套空气源热泵设备的工艺参数如下：

◇ 工质：R134a；

◇ 操 作 压 力 ： 吸 入 压 力 为 0.3MPa， 排 出 压 力为 2.0MPa；

◇ 理论制热系数COP为4。

3.3现场应用效果

空气源热泵采用空气作为低温热源，节省了燃煤、燃气、电力等高品位热源，降低了供热系统的运行成本。井口空气源热泵供热系统与原有电加热系统串联使用，并配有自控系统，在热泵供热满足工艺要求条件下，电加热停止。该套空气源热泵系统 运 行 稳 定 ， 日 耗 电 约 为 12kWh，相对 于 原 电 加热系统日耗电95kWh，减少电耗87%，年节约电费1.8 万 元 ， 节 能 效 果 显 著 。 该 空 气 源 热 泵 设 备 的 投资费用约为6万元，投资回收期大约在3年左右。

4 存在的问题

太阳能、风能及热泵等可再生能源在江苏油田地面工程中的应用取得了显著的节能效果，但在应用过程中也存在问题，主要问题有：

1）太 阳 能 加 热 时 间 较 短 ， 且 受 昼 夜 、 气 候 、季节变化影响较大，目前大多作为辅助加热，另外还需要一套完整的加热系统。

2）风 能 受地理 位 置、气 候 变化 、 季节和 昼 夜更替等因素影响，存在连续性、稳定性差的缺点。

3）空 气 源热泵 在 冬季空 气 温度 较 低时， 供 热效率较低。

5 结束语

实践证明，可再生能源技术应用于油田地面工程不仅技术成熟、可靠，而且还可节约大量能耗，效益可观。在能源越来越紧缺、环保要求日益严格的今天，可再生能源技术以其节能、环保、利用低品位能源等优点在油田范围内具有广泛的推广价值。

风、光存在一定的互补性，若将太阳能、风能与热泵技术有机结合起来，并配以储热设备，可以有效地克服单种能源利用的缺点，从而建立起适合于油田地面工程的可再生能源一体化供热系统，通过太阳能、风能、热泵及储热技术相互耦合互补，实现持续、经济供热的目标。

[1]许秀梅,李东明,王志国.稠油集输系统能量平衡分析及节能对策[J].节能,2005,279(10):39-40.

[2]Anon.Solar-heatingsystemstudiedforheavy-oil pipelines[J].OilandGasJournal,1999,97(13):44-46.

[3]BadranA A,JubranB A.Fuel oilheatingbya trickle solar collector[J].Energy Conversion andManagement,2001,42(14):1637-1645.

[4]孟凤果,滑洁,潘蒙.原油集输系统太阳能集热器电辅加热的智能控制[J].油气田地面工程,2009,28(3):11-12.

[5]陈俊,梁立民,张向华.风力发电技术在埕岛油田单井采油 平 台 的 应 用 [J]. 中 国 海 上 油 气,2004,16(5):357-360.

[6]盖超.热泵技术在辽河油田中的应用[J].中国新技术新产品,2011,12(1):121-122.

[7]周扬,吴文祥,胡莹,等.江苏省可用太阳能资源潜力评估[J].可再生能源,2010,28(6):10-13.

[8]韩鹏宇.热泵技术在现场应用中的完善[J].油气田地面工程,2012,31(6):76-77.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.006.027

2013-02-20)

黄辉，博士，高级工程师，2009年毕业于中国石油大学（北京）（油田开发专业），从事油气田地面工程的规划和研究工 作 ，E-mail： huanghui.syky@sinopec.com， 地 址 ： 北 京 市 海 淀 区 花园路2号牡丹科技楼 B30505，100191。