偏远单井太阳能综合利用技术应用
2015-10-31赵德银中国石化西北油田分公司
赵德银（中国石化西北油田分公司）
偏远单井太阳能综合利用技术应用
赵德银（中国石化西北油田分公司）
西北油田分公司塔河油田地处戈壁地区，偏远单井地面配套建设难度大。西北油田分公司首次在偏远单井提出了太阳能综合利用技术。通过现场应用表明，在2014年4—10月井场光伏发电系统和原油加热系统可满足井场用电及原油加热需求，2013年11月—2015年3月，在光伏发电和柴油发电互补以及太阳能加热原油和天然气加热原油互补的情况下可满足井场用电及原油加热需求。
太阳能加热原油发电单井综合利用
新疆太阳能资源尤为丰富，全年日照时数为2550～3500 h，年辐射照度总量比我国同纬度地区高10%～5%，比长江中下游地区高15%～25%。全年日照大于6 h的有250～325天，日照气温高于10℃的普遍在150天以上。新疆荒漠戈壁的土地面积每年接受的太阳辐射能相当于4000亿吨标准煤［1］。因此，西北油田分公司根据偏远单井所处地区地理位置、光照强度，提出了单井太阳能发电-加热原油综合利用技术。
1 单井生产情况
示范单井（简称为P1井），位于塔河阿探片区，距塔河油田采油一厂52 km，周边没有电网，离塔河电网或地方电网最近距离约为18 km。
2014年，P1井平均产液50 t/d，产气700 m3/d，具体物性见表1。
表1 P1井原油物性
由于P1井离周边接转站输送距离大于15 m，单井采用拉油流程，由于原油含蜡量较高，黏度较大，为保障采出液在拉运过程保持较好的流动性和减少结蜡，春、冬季加热炉出口温度为45℃，夏、秋季加热炉出口温度为35℃。
2 技术原理与应用
2.1太阳能发电技术
2.1.1单井用电情况
示范井场用电主要包括生产和生活用电2部分，最大功率不超过23 kW。用电负荷明细见表2。
2.1.2井场光伏发电系统
P1井场光伏发电系统主要由多晶硅电池板阵列、并网逆变器、双向逆变器、15 kW柴油发电机、并联控制器、蓄电池组、环境监测系统、通讯监控系统等部分组成（图1）。
光伏阵列主要将太阳能转为电能，输出为680 V直流电源。每个阵列由20块多晶硅电池板组成，每块电池板功率为230 Wp，整个系统共180块，共计41.4 kWp。
表2 示范井场用电负荷
图1 光伏发电主要结构
并网逆变器主要将多晶硅电池板阵列产生直流电源转变为直接供负载使用的380/220 V交流电源。
双向逆变器主要作用是当蓄电池组需充电时将交流电源转化为直流电源，当蓄电池组需放电时可将直流电源转化为交流电源。
并联控制器主要作用为检测并自动控制多晶硅电池板、蓄电池组、柴油发电机等各设备的运行状态，达到为负载提供可靠电源的目的。
小型柴油发电机主要为在冬季或天气光照条件不足时作为光伏发电系统的补充备用电源。
蓄电池组主要作用储存太阳能电池方阵受光照时所发出的电能并可随时向负载供电，系统共建2组50 V、5000 Ah蓄电池组，总装机容量为10 000 Ah。
环境监测系统主要监测太阳能辐射量、环境温度、风速等运行环境状况；通讯监控系统主要将系统运行数据上传至管理中心或实现远程遥控功能。
2.1.3现场应用情况
P1井光伏发电系统自2014年3月8日正式投运以来，整个系统运行比较正常，4—10月，光伏发电量满足井场用电负荷需求，2014年11月至2015年3月需使用柴油发电机发电补充光伏发电不足，见图2，图3。
图2 P1井光伏发电应用情况
图3 光伏发电次日持续时间
由上图可知，在4—10月份间，由于日照时间相对较长，环境温度较高，光伏发电系统除满足当日需求外，还能补给受沙尘暴、阴雨天带来的影响，7、8、9月可满足后续供电高达50 h以上。
2.2太阳能加热原油综合技术
2.2.1原理介绍
目前聚光型太阳能集热系统主要有槽式、塔式、蝶式、菲涅尔式，目前工业化应用的主要是槽式、塔式、菲涅尔式。由于菲涅尔式部分迎风面小，抗风沙能力强，更适合于戈壁地区，因此选用菲涅尔式集热器［2］。
P1井原油加热采用天然气加热与太阳能加热相结合的方式，在5—10月份环境温度较高时，采用太阳能加热原油方式，11—3月份环境温度较低需辅以天然气加热。其主要原理为：通过菲涅尔式太阳能集热系统将导热油加热，加热后的导热油通过换热器与原油换热，换热后的原油通过加热炉流出，当夜间、阴雨天或冬季导热油温度不高时开启加热炉，补充热量，以达到节约天然气的目的；当导热油热量富裕量较多时，部分导热油进入导热油储油器，供夜间使用。
2.2.2太阳能加热原油系统设计
原油加热所需热量计算如下：
式中：
Q——每日加热单井混合物所需总热量，kJ；
MO、MW、MQ——原油、水、天然气的日均产量，t/d；
CO、CW、CQ——原油、水、天然气比热容，J/（kg·℃）；
太阳能集热面积计算如下：
式中：
Q——每月日均加热所需总能量，kJ；
M——每月日均加热所需太阳能集热面积，m2；
QSM——每月日均当地太阳能每平米辐照量，kJ；
ηT——线性菲涅尔式太阳能集热器光热转换效
率，取0.5；
ηE——换热器效率，取0.85；
φ——管路损失，取0.1。
所需太阳能集热面积差异较大，P1井范围为159～955 m2，结合投资和热量需求综合考虑，P1井安装太阳能集热面积为500 m2。
2.2.3现场应用
2014年4月，该技术在西北油田分公司P1井成功运行，太阳能加热导热油温度可达到120℃，4—10月仅依靠太阳能就能满足加热需求，2014年11月至2015年3月，依靠单井生产伴生气作为单井燃料气，满足原油加热要求。太阳能加热原油系统运行情况见表3。
表3 太阳能加热单井加热原油运行情况
3 经济及环境效益分析
3.1经济效益分析
采用光伏发电可节约柴油机发电56 280 kWh/a，柴油机发电成本按3元/kWh计算，可节约发电费用16.9万元/a，柴油发电机由30 kW改用为15 kW，减少租赁费用10万元/a，即采用光伏发电可节约26.9万元/a。
采用太阳能加热原油年可节约天然气60 000 m3。天然气价格按1.2元/m3计，可增加效益7.2万元。
3.2环境效益
1 L柴油约发电9.98 kWh［3］，由于光伏发电可节约柴油机发电56 280 kWh/a，因此节约柴油约为5639 L，即可减少二氧化碳排放4060 kg/a。按1 m3天然气燃烧产生1.8 kg二氧化碳计算［4］，节约天然气60 000 m3可减少二氧化碳排放11 280 kg/a。
因此，偏远单井采用太阳能光伏发电-加热原油综合利用技术，可产生效益34.1万元/a，减少二氧化碳排放15.34 t/a。
4 结论
1）采用光伏发电与柴油机发电互补的形式可以满足单井井场用电需求，每年4—10月份光伏发电量满足井场用电负荷需求，11月至次年3月份需使用柴油发电机发电补充光伏发电不足。
2）采用太阳能加热原油与天然气加热原油互补方式可满足单井井场加热需求，每年4—10月仅依靠太阳能就能满足加热需求，11月至次年3月，依靠单井生产伴生气做为单井燃料气，满足原油加热要求。
3）偏远单井采用太阳能光伏发电加热原油综合利用技术可产生效益34.1万元/a，减少二氧化碳排放15.34 t/a，具有较好的经济与环境效益。
［1］孟月云，吴淑琴.浅谈新疆资源优势转化中的太阳能［J］.能源与节能，2011（5）：9-10.
［2］谢文韬.菲涅尔太阳能集热器集热性能研究与热迁移因子分析［D］.上海：上海交通大学，2012.
［3］王志永.柴油机发电成本的分析及降低成本的措施［J］.机电工程技术，2001，30（6）：37-38.
［4］吴晓蔚.火电行业温室气体排放因子测算与排放量估算及减排对策［D］.南京：南京信息工程大学，2010.
10.3969/j.issn.2095-1493.2015.11.006
2015-07-22）
赵德银，工程师，2012年毕业于西南石油大学（化学工艺专业），从事油气集输技术研究工作，E-mail:zdyjoe@126.com，地址：新疆乌鲁木齐长春南路466号中国石化西北石油科研生产园区，830011。
