油田集输站场槽式聚焦太阳能加热技术研究与应用

刘宏亮 李静静 高中显 张宪珍

（1.胜利油田新能源开发中心；2.胜利油田运输分公司；3.胜利油田东胜集团股份公司）

联合站、接转站等集输站场作为油田生产关键环节，同时也是主要耗热点之一。加热法是油田主要集输处理工艺，通过加热促进乳状液油水分离、对外输原油降黏输送，以及稠油井回掺采出水升温等。目前胜利油田各联合站、接转站热源主要有天然气、电厂蒸汽余热、“采出水余热+热泵” 等。当前环保形势日趋严峻，部分加热炉排放不达标，外购天然气成本高，亟需开展地热、余热、太阳能等清洁能源替代项目，利用太阳能替代集输站场加热炉燃气节能环保潜力较大。

1 区域太阳能资源优势

胜利油田东部油区主要位于山东省东营市，该地区年平均太阳总辐射量为5 199 MJ/m2，即1 441 kWh/m2， 年平均日照时数2 712.5 h；水平面上的年平均峰值日照时数为4.29 h，即年峰值日照时数为1 390 kWh/m2左右，为太阳能资源三类地区，接近资源较丰富的二类地区[1]。利用太阳能替代天然气、电能等大量常规能源，可减少环境污染，实现节能减排，提高企业的经济效益和社会效益。

2 “太阳能+”利用技术研究

2.1 确定“太阳能+”多能协同利用方向

由于太阳能利用受昼夜、季节、气候以及晴、阴、云、雨等随机因素影响大，且季节性变化呈现一定规律，造成单独利用效率低，配套蓄热装置成本高。而油田油气生产需要连续性和可靠性，完全依靠太阳能不具备适用条件。因此，可通过对太阳能、天然气能源进行优化组合配置，实现多能互补协同利用，提升太阳能等间歇性可再生能源的消纳能力[2]。结合油田生产实际，确定了“太阳能+”主要利用方向：“太阳能光热+电能”应用于油田单井拉油储罐加热；“太阳能光热+天然气”、 “太阳能光伏+余热”应用于油田集输站场生产用热；“太阳能光热+余热”应用于油田办公区和生活区冬季供暖。

2.2 太阳能集热系统最优设计负荷研究计算

由于太阳能的不连续性，集热装置吸收热量时间有限，如何确定太阳能加热系统最优设计负荷，确保项目投资收益的最大化，为此开展了太阳能集热系统设计能力经济性研究。以胜利油田某单井拉油电加热储罐为例，该井日产液量为13.6 t，油量为5.2 t，含水率61.8%，井场建有30 m3电加热储油罐1 座，平均每天拉油1 次，耗电量为596 kWh/d。经测算，太阳能集热系统设计负荷为油井采出液加热需求负荷的50%～60%时，项目建设投资的收益率最高。

2.3 不同类型太阳能集热器的优选对比

国内使用的太阳能集热器类型主要有平板型太阳能集热器、真空管太阳能集热器、热管真空管太阳能集热器和槽式聚焦太阳能集热器等。其中，后3 种集热器均已在胜利油田单井拉油储罐加热中推广应用[3]，现对其优缺点进行对比分析，如表1所示。

表1 三种不同形式的太阳能集热器优缺点对比

表2 接转站加热运行数据

通过对以上现场调研及分析，三种集热器均可实现太阳能光热转换功能。其中，槽式热管式集热器聚光面积大，运用了热管和真空管技术，同时具备太阳光自动追踪功能，在瞬变的太阳辐照条件下可提高集热器输出能量；由于集热管数量少、热管的热二极效应，当太阳辐照较低时可减少被加热工质向周围环境散热。该装置光热转换效率高，较适用于油田集输站场等场地受限区域[4]。

3 槽式聚焦太阳能加热技术的应用

下面以胜利油田某接转站为例，介绍槽式聚焦太阳能加热工艺方案，以及经济和社会效益等情况。

3.1 加热负荷计算

该接转站采用“热化学沉降”集输处理工艺，现有加热节点2 处：进站采出液加热；接转站覆盖区域油井回掺伴输采出水加热。根据接转站处理液量、含水率及加热温度等参数，通过下述公式，测算出加热负荷。

系统热负荷[5]的计算式为

其中

式中： Q 为系统热负荷，kW； q 为原油、采出水流量，m3/s； ρ 为原油的密度，kg/m3； cp为原油的比定压热容，kJ/(kg·K)； Δt 为原油进出口温差，℃； ρw为 水 的 密 度， kg/m3； α 为 含 水率，%； ρo为油的密度，kg/m3； cp,w为水的比定压热容，取4.2 kJ/(kg·K)； cp,o为油的比定压热容，取2.01 kJ/(kg·K)。

经计算，外输含水原油加热负荷为872 kW，外输回掺采出水加热负荷为1 505 kW，合计加热负荷为2 377 kW，如表2 所示。

通过分析，一方面由于接转站加热负荷较大，可利用场地面积为1 900 m2，按照70%的有效利用面积、太阳能单位面积接收功率0.8 kW/m2计算，太阳能供热负荷最大为1 064 kW；另一方面考虑太阳能的不连续性，单独建设太阳能加热系统或配套储热系统均不能完全替代燃气加热炉负荷。因此，本方案将太阳能集热装置作为燃气加热炉前预加热系统实施应用，根据太阳能提供能量的变化反馈控制加热炉燃烧器，即：燃气加热炉根据预热温度变化实时控制燃气量，调整燃气供热负荷，实现“太阳能+天然气”互补协同利用。

3.2 工艺方案

太阳能加热系统由太阳能集热器、储油罐、循环泵，以及配套电气、自控系统等组成。主要加热过程：导热油吸收太阳能集热器汇集的太阳能热量后，进入储油罐；高温导热油通过循环泵进入板式换热器与接转站来液进行热交换；换热后的低温导热油再进入太阳能集热器循环加热，接转站来液被加热后进入燃气加热炉系统进行二次加热，最终满足工艺要求。太阳能加热系统工艺流程如图1所示。

3.3 集热能力测算

太阳能集热量可由下式求得：

其中

式中： Qs为太阳能集热系统承担的热负荷，W； A为集热面积，m2； Qc为集热器单位面积集热量，W/m2； E 为 太 阳 辐 照 度，W/m2； αc为 集 热 效率，%。

图1 太阳能加热系统工艺流程示意图

接转站现有可利用土地面积2 000 m2（集热部分1 900 m2，换热部分100 m2），可新建集热器83组，占地面积1 850 m2，有效集热面积1 258 m2，其他配套设备建设面积150 m2。 按照集热能力12.2 kW/ 组、 光 照 时 数 7.16 h/d 、 光 照 时间2 505.6 h/a 计算，总集热能力为1 012.6 kW，年供热量为9 133.9 GJ/a。

3.4 经济和社会效益

项目实施后年可节省天然气36.47×104m3，按照外购天然气价3.26 元/m3计算，年收入为118.9 万元。应用太阳能加热系统可减少天然气资源的消耗，经测算，可节约折标煤476.6 t/a，减排二氧化碳1 187.8 t/a。

4 结论

1） 利用太阳能改进集输站场在用加热工艺，推广空间大。胜利油田共有联合站62 座，其中轻质油联合站3 座，中质油联合站24 座，重质油联合站23 座， 稠油联合站12 座。 年处理液量为34 000×104t，年处理油量为3 600×104t，平均综合能耗为8.0 kgce/t（千克标准煤/吨），是油田的主要耗热点之一。

2）“太阳能+”多能互联提升可再生能源利用效率。集输站场用热以燃烧天然气为主，动力系统以用电为主。以油田伴生气作为燃气资源，油田回注采出水余热作为热能资源，利用各集输站库具有一定的闲置场地，实施“太阳能+余热+天然气”多能互补具有广阔的应用前景。