太阳能集热技术在油田终端的应用研究

2016-09-06李仁兴中海石油中国有限公司崖城作业公司

石油石化节能 2016年3期

李仁兴（中海石油（中国）有限公司崖城作业公司）

太阳能集热技术在油田终端的应用研究

李仁兴（中海石油（中国）有限公司崖城作业公司）

基于目前海上油田终端利用天然气加热导热油进行换热，能耗消耗巨大，而对于中国太阳能资源非常丰富，尤其在海南岛，利用槽式太阳能集热技术辅助加热导热油不仅节约能源，还能产生良好的经济效益和社会效益，值得研究推广；同时太阳能集热技术目前已比较成熟，高温太阳能集热技术的推广应用势必成为一种趋势。

油田终端；槽式太阳能集热技术；导热油；节约能源；高温太阳能

1　现状

近年来随着热发电技术的发展，国外已经将太阳能热发电系统中的镜场集热技术应用于对稠油的加热开采[1-2]。美国的BrightSource公司和Glasspoint公司分别采用塔式集热技术和槽式集热技术对美国早期部分油田增产。在国内，冀东油田利用槽式太阳能聚集产热系统为人工岛提供温度为50～350℃的热水资源，结合相关技术广泛应用于生活热水、冬季采暖、洗浴用水、海水淡化、伴热管线等各种需要热水和热蒸汽的生产与生活领域[3]。西北塔河油田采油一厂TK-921对槽式太阳能集热系统加热原油进行了试验，利用太阳能热作为水套炉补充热源的技术方案，为原油加热运输、管线伴热[4]。

中海石油（中国）有限公司崖城作业公司南山终端热油系统一直采用天然气燃烧加热，能量消耗较大。若采用槽式太阳能集热器直接加热导热油替代全部或部分热油炉将大大降低能耗，南山终端热油炉主要提供燃料气加热、和LPG生产系统脱乙烷塔、脱丁烷塔重沸炉的换热。

2　太阳能集热辅助加热热油技术

南山终端位于海南岛西南隅，自然条件优越，属于我国太阳能辐射量的三类地区。年平均日照数2166 h，年平均辐射量4600～5800 MJ/m2。

经查得22年来三亚太阳能辐射量平均数据见表1、表2。

表1　三亚太阳能月平均表面辐射量　[kWh/（m2·d）]

基于目前的槽式太阳能集热技术，通过加热导热油与水在换热器进行换热产生高温高压水蒸汽去加热用户的原理，直接采用太阳能加热导热油与凝析油、天然气进行换热，热能利用更充分。工艺流程在热油进热油炉前增加1套槽式太阳能集热器、储能设备，让槽式太阳能集热器在天气晴好的情况下替代热油炉加热热油并将富余能量储存于储能设备中，而在阴天和夜晚利用储能辅助加热热油。工艺流程图如图1所示，从加热炉入口处引出管线，根据温度需求将一定量热油引入槽式太阳能集热器进行加热，被加热后的物流再回到管线，富余的热量流过储热箱进行储存，既充分利用太阳能也大大降低热油炉负荷达到节省天然气的目的。图2为一种典型的槽式太阳能聚集系统的示意图和实物图，槽式聚集系统根据所需热量可以串联在一起，图2中的装置的峰值热功率可达21 kW。

图1　槽式太阳能集热器辅助加热流程

图2　槽式太阳能聚集系统

分析表明，通过简单工艺管线改造，增加槽式太阳能集热器阵列对热油辅助加热，在当地资源、技术和安全上都是可以满足的。

3　太阳能集热器面积计算

热油炉热负荷1.05×106kJ/h（9.9MMBTU/HR），入口温度204oC(400℉)，出口温度260oC （500℉）。设计压力/温度：125 PSI/550℉，所用热介质为thermal 55型号热油。正常生产时循环量500 GPM（113.55 m3/h），入口温度 227oC （440℉），出口温度249oC（480℉），导热油入口温度440℉时密度为729 kg/m3，出口温度480℉时密度为712 kg/m3，要达到同热油炉等量的热负荷，正常生产时以天然气燃烧加热所需热量为

式中：Q——每小时天然气加热所需总能量，kJ；

M——每小时导热油质量流量，kg；

ΔT——导热油加热前后温差，oC；

C——平均温度下导热油比热容，J/(kg·℃)；

ρ——导热油密度，kg/m3；

V——每小时导热油体积流量，m3。

密度由平均温度下得到，用对数平均温差求取平均温度：

式中：t——导热油平均温度，oC；

t1——导热油加热后温度，oC；

t2——导热油加热前温度，oC。

求得平均温度为238oC（460℉）时查热油密度为721 kg/m3，经计算得到槽式太阳能集热器所需提供热量为4.83×106kJ/h。

根据表1、表2得出1月份三亚日照时太阳能天平均为13.86×103kJ/m2约1.25×103kJ/(m2·h)。

根据表1、表2计算得到每月日均所需太阳能集热器面积，以1月份为例考虑传热效率和热损失情况下槽式太阳能集热器面积计算结果：

式中：Q——每月日均加热所需总能量，kJ；

Q1——每月日均太阳能每平米辐射量，kJ；

M——每月日均加热所需太阳能集热器面积，m2；

η1——槽式太阳能集热器光热转化效率，取0.8；

φ——热损失，取0.1。

根据计算，求得全年每月日均所需太阳能集热器面积（表3）。

表3　每月日均所需太阳能集热器面积　（m2/d）

4　经济效益分析

拟选择槽式太阳能集热系统，集热器面积5500 m2（55 m×100 m）。则在天气晴好的情况下，每天有日照的时间内，在1—11月5500 m2的太阳能集热系统均能满足热油的加热需求。通过增加储热设备，使1天中太阳能辐射热量的变化得到均化，将白天过剩的热量储存到下午日照较弱时和夜间一段时间内使用。在考虑储热系统热量损失的情况下，全年平均日照时间大于11 h，5500 m2的太阳能集热系统可以满足对物流的加热需求，日照时可以完全替代加热炉。

目前终端正常处理能力下，2014年每月热油炉燃料气消耗，见表4。

表4　2014年南山终端每月热油炉燃料气消耗（104m2）

通过对现有流程的改造增加1套槽式集热器和储能设备，充分利用太阳能加热热油，以2014年为例，可以计算出增加5500 m2太阳能槽式集热器后每月减少燃料气的消耗量近似取5500 m2太阳能槽式集热器供热量（表5）。

表5　增加槽式集热器后每月燃料气少消耗量　（104m2）

全年可减少燃料气消耗量95.55×104m2，减少CO2排放约1800 t，具有非常高的经济效益和社会效益。

槽式聚光自动跟踪太阳能集热器价格约在1000 元/m2，使用寿命在10年以上。若以1000元/m2价格计算，5500 m2槽式太阳能集热器成本约为550万元，天然气价格以1元/m2计算，1年可节约96万元左右，可在5—6年收回成本投资，同时大大减少热油炉热负荷、降低故障率和安全风险。以10年使用寿命计算，则在寿命期内共可减少燃料气消耗约960×104m2，经济效益价值达960万元并减少CO2排放超过18 000 t。