太阳能光电一体化技术在原油加热系统中的应用

李武平 武玉双 李小永 胡俊平 赵晓龙 陈丽丽 胡占国 李渊

（1.中国石化石家庄炼化；2.华北油田公司第五采油厂）

我国太阳能热利用行业处在家用热水向多领域供热，特别是向“太阳能热利用+清洁供暖供热”领域转型升级。新疆塔克拉玛依某油田通过采用太阳能光伏发电技术，实现了对油井抽油机系统供电；辽河油田采用太阳能加热集输工艺实现对储油罐的保温，同时研发出一套光热系统，将太阳能加热产生的蒸汽注入地下，从而提高了油田的采收率[1-2]。因此如何充分利用取之不竭的太阳能，用于石油建设，实现节能减排，是新时代赋予石油企业的历史使命。

1 油田生产现状

华北油田位于冀中南部地区，经过四十多年的开发，目前已进入开发后期，滚动扩边井不仅油品物性差，而且产量较低，距离已建生产系统较远，无法通过管输进入系统生产，只能采用建设拉油点的方式将原油拉至集中处理站处理。为保证油井产液的顺利拉运，储油罐必须伴热，常规的伴热方式有燃油或燃气加热炉、电加热等方式，加热炉极易造成环境污染，而一个单井拉油点的储油罐一般为50 m3的钢制保温储罐，通常配备30 kW的内伸式电加热棒，不仅能耗高，而且易损坏，当储罐内液位低时，储罐空间内充满了混合性可燃气体，易燃易爆，安全隐患大，因此，利用太阳能集热辅助电加热加温的装置为油井提供热量，可达到降低能耗减少污染的目的[3-4]。

2 太阳能加热装置的组成

2.1 单井拉油点集油工艺

油田单井拉油点的工艺简单，油井产出液经过单井集油管线进入储油罐，在储油罐加热升温至凝固点以上装车拉运。热力系统依靠储油罐内部的电加热器或井口加热炉提供的热量加热。拉油点集油和热力系统工艺流程示意图如图1 所示。

图1 拉油点集油和热力系统工艺流程示意图

2.2 太阳能加热方式优选

采油五厂的单井拉油点多为滚动扩边井，油井产量较低，原油物性较差，且不含伴生气，根据这一实际情况，应用太阳能辅助电加热节能技术，确保储油罐温度，保证原油拉运顺利进行。

油田储运系统利用太阳能加热原油，一般有直接加热和间接加热两种方式，太阳能加热方式对比见表1，可见在应用太阳能为原油加热时，优选间接加热方式。

表1 太阳能加热方式对比

2.3 系统组成及工作原理

太阳能辅助电加热储运系统主要有热力系统、储油系统和控制系统组成。

热力系统主要包括太阳能集热（光电一体太阳能集热器）、水循环、热水存储、电加热补充和自动控制，太阳能供热流程见图2。

图2 太阳能供热流程

2.4 集热器的选择

根据集热方式的不同，太阳能集热器可分为聚光式和非聚光式两类。非聚光式主要在低温系统中使用，而聚光式则在中高温系统中用热。

目前集热器主要有全玻璃真空管太阳能集热器和槽式聚光太阳能集热器两种形式。

平板型太阳集热板结构见图3，它可以采集太阳直射辐射和散射辐射，集热器与环境间温差不大时热效率较高而且成本较低，但它防冻抗冻能力差，不适合在寒冷地区使用。

全玻璃真空管集热器具有保温性能好、热效率高和抗冰雹等优点，但也存在着运行不安全、密封不可靠、结垢、不承压、集热器寿命短等缺点。

全玻璃真空管太阳能集热器：太阳能透过外玻璃照射到内管表面吸热体上转换为热能，然后加热玻璃内的传热工质，使其气化并将热量传送到热管的顶端，加热传热介质(通常是水)，同时使工质凝结，流回热管的下端(加热端)，如此不断循环。热管式真空管集热器具有以下优点:热管工质热容量小，启动快；真空集热管内没有水，耐冰冻；真空集热管内没有水，耐热冲击；有效降低了向周围环境散失的热损失，可提高集热效率[5-6]，全玻璃真空管太阳能集热器结构见图4。

图4 全玻璃真空管太阳能集热器结构

槽式聚光太阳能集热器：太阳光透过大气层入射到地球表面，会产生较低热流密度的辐射能，直接利用会影响其经济性，只有将低热流密度的辐射能通过聚集，才会转化为高热流密度的辐射能。从光学理论分析可知，抛物线聚光是唯一一种可以把一束平行光汇聚到一点的线型。

太阳能槽式集热器就充分利用了抛物面聚光原理，集热器在辐射能源和能量吸收体之间加入了聚光元件，将大面积的低能量汇聚成小面积上的高能量，能够获得更高的集热温度，聚光比越大，集热温度越高。这种聚热方式目前在太阳能利用系统中占据主导地位，它为系统提供热源，其效率和投资成本会影响到整个集热系统的效率和经济性[7-9]，槽式聚光太阳能集热器集热原理示意图见图5。

图5 槽式聚光太阳能集热器集热原理示意图

图6 两种集热器集热效率的比较

2.5 太阳能集热技术对比

两种集热器的太阳能集热技术对比见表2，两种集热器集热效率的比较见图6。

表2 太阳能集热技术对比

3 现场应用

3.1 基础数据

虎8单井拉油点有2口油井，日产液32 m3，日产油30 t。建有2具50 m3高架储油罐，原油物性见表3。

表3 原油物性

环境数据：按冬季环境温度-10 ℃设计，原油进罐温度20 ℃，需要保持油罐内原油40 m3温度45 ℃左右，可以装车拉油。

3.2 利用方案

3.2.1 流程设计

根据拉油点生产实际，太阳能加热系统生产的热水进入保温水箱为油井生产和拉油点生活用热，拉油点太阳能供热流程示意图如图7所示。

图7 拉油点太阳能供热流程示意图

3.2.2 集热面积计算

集热面积计算参数依据国家建筑标准设计图集06SS128《太阳能集中热水系统选用与安装》中北京市气象参数作为参考[10-12]，北京市海拔高度31.3 m，纬度39°48＇，经度116°28＇，每月及年总辐射数据，北京市各月设计用气象参数见表4。

表4 北京市各月设计用气象参数

根据式（1）计算集热器的总采光面积：

式中：Ac为直接系统集热器采光面积，m2；Q为所需热量，kJ；Jt为当地春分或秋分所在月集热器受热面上月均日辐照量，此处取冬季平均日辐照量，kJ/m2；f为太阳能保证率，无量纲；ηcd为集热器全日集热效率，国标经验值取0.40～0.55；ηL为管路及储水箱热损失率，无量纲。

通过计算，选择采光面积为55.4 m2的系统集热器，因此在拉油点安装了10组太阳能。

3.2.3 控制系统

安装了智控系统控制柜一套，主要应用其水温显示、温差循环、防冻循环、辅助加热等功能。

3.3 应用效果

2019年7月27日该系统投产。在夏季晴好天气情况下，太阳光照时间8 h，维持温度时间2～4 h，即有效利用时间10～12 h，集热器温度平均在70 ℃左右，循环水温度50 ℃，循环回水温度45 ℃，储罐外壁测温45 ℃。薄云天气集热器温度平均在60 ℃左右，循环水温度47 ℃，循环回水温度40 ℃，储罐外壁测温41 ℃。阴天和夜间则需要电辅助加热，电辅助加热器功率32 kW（安装在循环水箱4 根电加热棒，8 kW/根），循环水箱电加热温度最高达到60 ℃。2019 年11 月5 日在薄云天气情况下，现场测定集热器温度57 ℃，循环水温度40 ℃，回水温度33 ℃，井口原油温度27 ℃，储罐外壁测温34 ℃。

存在的问题：在夏季晴好天气情况下，太阳能加电辅助加热基本能够满足原油储罐加热需要。冬季运行可能存在热量不足，太阳能集热系统和电辅加热应同时运行[13]。

3.4 效益分析

单井拉油点应用太阳能辅助电加热系统替代加热炉供热后，可使原油采出液温度升高17～20 ℃，每年可节省天然气4.8×104m3，可节约燃料费15 万 元/a，减少 CO2排放 85 t，减少 SO2排放 13 t、减少NOx排放5.5 t，具有较好的节能减排效果。

4 结论与建议

太阳能光热技术在油气田节能应用方面已取得了初步的进展，从能源利用和现有的技术来看，太阳能光热技术用于原油热采或储油预热，提高原油的管输能力是石油企业现实可行的利用太阳能实现油气田节能的技术方案。在原油加热过程中，如何保证太阳能集热系统持续稳定地工作，是太阳能光热技术在油气田节能应用中的一个关键性问题，因此集热和蓄热的有机结合，才可以保证整个系统热量的平稳输出，同时起到削峰填谷的作用。