论太阳能原油加热系统在油田的应用推广

解建辉 王海鹏

（1.青海油田公司地面集输工程公司；2.青海油田公司环保处）

青海省是全国太阳能最丰富的地区之一，太阳辐射强度大，日照时间长，尤其是柴达木盆地，海拔高，大气稀薄，大气削弱作用小，大气透明度好，对太阳辐射反射少，到达地面的太阳辐射强[1]。柴达木盆地年日照时数达3200～3300h，年总辐射量达6690～8400MJ/m2，有可用于光伏发电或太阳能光热建设的荒漠化土地10×104km2，公认为是发展太阳能产业的理想之地。而原油在集油储油过程中必须进行加热与保温，以保持良好的流动性[2]，目前原油加热设备存在耗能高、排放高、效率低的缺点。随着油田开采进入中后期，含水上升导致开采成本、能耗上升的问题日益突出。因此，有效利用太阳能，减少不可再生能源的消耗，是降低开采成本，实现油田企业可持续发展的一项重要举措。

1 利用太阳能原油加热的背景

油田供热主要包括原油输送系统的加热和冬季生活区采暖两部分，分别需加热至40～70℃和80℃左右，均为低品位热用户，各供热环节采用加热炉加热。原油加热炉存在多种腐蚀情况，主要包括燃料燃烧产生的烟气对炉管外壁及炉内件的高温氧化，炉管内被加热介质对管路系统的冲蚀、碳化、硫化、氢损伤、开停工不稳定工况引起的热冲击等。此外，烟中含有水蒸CO2以及剩余O2，燃烧过程中，大量水蒸气凝结在低于烟气露点的低温受热交换器面上，再溶解CO2和O2会腐蚀金属内表面[3]。同时由此可见，原油加热炉不仅消耗大量的一次能源，而且存在很多其他问题及安全隐患。加热炉内温度分布不均会引起热应力腐蚀，严重时可诱发爆炸。

随着青海油田采油难度的不断增加，总体呈现出多井、低产、高耗能、采油成本较高、管理困难等难题。如果能有针对性地开发利用太阳能，利用太阳能加热原油或供暖（热），虽然一次投资较高，但运行和维护费用较低，还可消除设备腐蚀及明火易爆等安全隐患，同时，还具备节能减排的社会效益，符合国家新能源发展扶持政策。

2 太阳能原油加热原理

太阳能原油加热系统原理见图1，通过采用太阳能集热+保温水箱储热的方式，以求最大化利用太阳能。

图1 太阳能原油加热系统原理

在白天光照条件下，通过控制器使太阳能系统自动温差循环。当太阳能集热器水温高于集热水箱的水温时（一般为10℃，可设置），控制系统自动启动太阳能循环水泵，将集热水箱内较低温度的水送入太阳能集热器进行加热，同时将太阳集热器内较高温度的热水顶出集热器，流回集热水箱；当太阳能集热器水温低于集热水箱的水温时，控制系统自动停止太阳能循环水泵，太阳能集热器继续吸热[4]。通过使集热水箱水温升高的方法储存集热器吸收的热量。当遇到阴雨天，太阳能系统无法满足供热要求，控制系统自动启动辅助能源，最大化节省能源。

为保证系统运行的稳定，使加热原油的进口热水温度不受太阳辐照瞬时变化的直接影响，太阳能集热器出口的热水首先进入蓄热水箱，再由蓄热水箱进入加热原油换热器。设置的蓄热水箱主要功能是用来储存多余的热能，将太阳辐射高峰时暂时用不了的能量以热水的形式储存起来，以备在无太阳能辐射时使用，实现对外输原油进行不间断加热，每年4—10月在不使用其他能源加热的条件下，原油外输温度可保持在32～52℃。装置运行所需能源可由太阳能提供，只有在冬季夜晚或连续阴天太阳光强度较弱时，可以点燃燃气加热炉，燃气加热炉可以小火运行，补偿太阳能加热功率的不足。两种加热系统互相配合，由PLC智能控制系统来控制燃气加热炉的介入时间，尽可能充分利用太阳能辐射能量，达到最佳节气运行的目的。太阳能原油加热系统在保证原油温度的同时尽可能利用绿色能源低成本运行，可有效减少药剂投加及清障扫线的工作量及费用；可满足管线冬季对外输原油温度的要求，防止原油脱蜡造成的管线运行不畅、冻堵等现象的发生。

3 太阳能原油加热装置的优化

太阳能原油加热装置优化为内置换热盘管保温水箱，通过水箱内部的原油换热盘管实现对外输原油的加热，根据现场需求设置水箱温度，使原油输送温度保持在一定温度范围，太阳能原油加热优化布置见图2。蓄热水箱采用与泵、阀及换热器一体式化设计，具有结构简单、换热效率高、保温性好、安全可靠、拖运方便，便于现场安装和检修等优势[5]。太阳能原油加热系统平面布置见图3。

图2 太阳能原油加热优化布置

图3 太阳能原油加热系统平面布置

太阳能原油加热装置优化后，将换热盘管内置保温水箱与控制柜、循环泵组集成为一个标准橇装结构，每个橇装单元对应一个加热单元，橇装部分可一次吊装安放完成。为了使设备能够适应各种恶劣环境，提高稳定性，并能够实时监控，系统采用组态软件和GPRS网络的远程控制系统。控制系统为太阳能原油加热系统的大脑，控制系统的优劣决定着整个系统的先进与落后。

3.1 控制系统主要功能

控制系统主要功能为：温差循环功能；水温显示功能；水箱水量定时检测自动补充功能；现场手动控制功能；液晶屏显示功能；太阳能加热系统各种保护功能；冬季自动启动管道防冻保护；其它漏电内部保护功能。

由于系统运行在原油开采集输环节，处于易燃易爆工业生产环境中，因此系统还具备安全应急处理功能，能在紧急故障发生时进入应急处理状态，自动报警、自动识别、进行安全状态切换；系统具有自动控制和手动控制两种模式，可以在紧急情况或用户需要时方便地切换控制方式；并具有声光报警子系统，用于管路中温度的极限情况报警，或管路堵塞等其他危险情况发生时的报警[6]。控制系统通过在PLC中的多种参数设定可实现对原油外输温度的控制和集约化管理；通过采用GPRS远传模块和组态软件实现了系统的远程控制，并且工况参数实时进行记录、传输和储存，报警信息及时短信通知，在增强系统稳定性的同时为与油田数字化平台对接建立了条件。

3.2 太阳能原油加热优势

1）节能降耗。一次性投入，节约大量后期维护费用。同时只要有阳光的地方便可直接使用太阳能，显著地减少了天然气消耗及从发电厂传送及分配电力相关的投资成本。

2）利用太阳能集热器代替天然气加热电加热可以解决部分计量站和转油站的冬季采暖问题。适当利用太阳能供热就可以节约大量的天然气资源，降低能耗及生产成本。

3）清洁环保。太阳能作为最清洁的能源之一，利用其发电或供热时不会排放废气、废水、废弃物，没有噪声[7]。

4）可靠性和耐用性强。太阳能集热系统无需移动部件，（除循环泵外）无需定期维护，优质的太阳能组件可在未经任何大修的情况下运行15～20年。

5）可降低对传统能源的依赖。太阳能不会面临燃料价格波动或供应短缺的限制，适当尺寸及规格的太阳能加热系统可低成本长期运作及成本固定的情况下可靠运行。

天然气锅炉耗气量计算公式为：燃气锅炉耗气量(每小时)=燃气锅炉功率×时间/燃料热值/热效率。如燃气锅炉功率为100kW即0.1MW天然气锅炉，天然气燃料的热值为35.53MJ/m3，假设燃气锅炉热效率为88%。100kW每小时耗气量为11.51m3/h。

每天24小时运转则耗费天然气276.335m3。由于锅炉不是24h满负荷运转，实际运行耗气量低于理论值，而太阳能原油加热系统通常是按30%～80%的供热，不是满负荷供热故我们可以按热能值折算成天然气耗气量来计算天然气节约值。如100kW加热炉一个小时理论耗天然气11.51m3左右，每天耗能为383.97元，每年天然气费用为14.015万元。利用70%的太阳能每年可节能9.8105万元。利用50%的太阳能每年可节能7.025万元。以太阳能利用30%来计算，每年可节能4.215万元。

根据太阳能生产厂家的相关资料显示，热管集热器的使用寿命在15年以上，热管集热器可在零下50℃条件下使用并能够承压运行。以目前的市场价，以不同种类锅炉加热1t水温升50℃所消耗的能源和成本为例，进行对比可以看出太阳能热管集热系统的投资性优于煤、电、天然气和柴油加热系统，传统加热方式投资效益分析见表1。总的来说，太阳能原油加热系统是一次性投资大、但运行费用小的项目，经济性优于油田常用的天然气锅炉加热，并且随着太阳能利用规模越大越能显示规模效应来。假如以年产240×104t原油来计算，原油由25～30℃提高至55℃左右，原油温升25～30℃[8]；如果30%左右热能利用太阳能，仅加热原油（假设原油已脱水）则所需耗热量为：

表1 加热方式投资效益分析

式中：Q1为耗热量，kcal；m为油的质量（取240×104），kg；c为油的比 热（取0.5），kcal/kg·℃；Δt为温度差（取25），℃。

可计算出耗热量为30×109kcal，节能30%则为9×109kcal，折合标准煤为1285.7t，折算成天然气为96.67×104m3。而实际采油生产过程中原油含有大量的水，并且天然气锅炉热效率不可能是100%，实际中可节约热能是1285.7t(标煤)的几倍或几十倍。根据2017年青海油田水套加热炉改造的有关数据而知，青海油田加热炉的平均热效率由73.9%提高到81%，就实现年节气698×104m3的节能指标[9]，加热炉热效率比过去平均提高7.1%，就实现年可减排CO2为2.36×104t，那么用太阳能替代加热炉所需30%的天然气，则年可减排CO2为9.97×104t，节约天然气可达2949.3×104m3。由此可见太阳能加热原油在节能减排方面具有巨大的优势；在油田的采油、集输等过程中至少有20%能耗用于原油加热与处理[10]。

4 结论

从能源与环境的角度看，太阳能光热转换技术在降低油田能耗的应用，主要包括原油预热，将原油预热并维持在50℃以上，以利于储存（保持其流动性）；原油加热，降低原油的黏度，明显提高原油管输的输送能力；水的加热，原油热采通常要注入热水或蒸汽，利用太阳能对水进行加热。而在以上3个方面太阳能原油加热系统均可实现光热转换的功效。

1）如果太阳能原油加热装置能在油田大面积应用，可利用远程系统实时动态显示和控制整个生产工艺过程，一方面增强了系统运行的可靠性，可解决青海油田井场因分布地域广泛，气候和地形恶劣带来的设备维护难题；另一方面通过各区域设备运行数据的连续记录与分析，为生产环节的集约化管理提供了数据基础。

2）利用太阳能加热原油是油田降低能源消耗，提高企业经济效益的可行性举措。而且太阳能集热技术的应用，顺应了国家“低碳、绿色发展”的需求；合理利用太阳能可以减少能源浪费，就能为碳中和、碳减排贡献自己的力量。

3）大面积推广太阳原油加热，可为提升安全环保管控能力、提高系统稳定性、降低员工劳动强度提供有力支撑。并且可以消除原油加热工过程中因设备腐蚀及锅炉运行而存在明火易引发爆炸等一系列不安全隐患。