新疆油气田节能减排技术分析及探索

2023-07-03刘付勇王光才

化工设计通讯 2023年6期

乔静，刘付勇，王光才

（新疆科技学院，新疆库尔勒 841000）

减少温室气体排放以应对气候变暖成为世界范围内的共识，各大经济体均提出“碳减排、碳中和”目标。2020年9月，习近平总书记代表中国政府向全世界宣布中国将力争2030年前实现“碳达峰”、2060年前实现“碳中和”，为中国的绿色低碳发展指明了方向，也为中国能源低碳转型提出了更高的要求。

图1统计了2011—2020年我国一次性能源消费总量，从图1可以看出：我国的一次性能源消费总量目前还呈现逐年上升的趋势，在需要保证经济增长的前提下，我国的“双碳”目标压力大。

图1 2011—2020年我国能源消费总量

图2统计了2010—2020年世界主要经济体CO2排放量，从图2可以看出：我国的碳排放量远高于其他经济体（这和我国的人口基数有关），同时可以看出，我国的CO2排放量仍呈现增长趋势，而其他主要发达经济体已经出现“碳达峰”，因此我国较世界其他主要经济体存在一定的减排空间，但相比其他国家实现“碳中和”的减排压力更大[1]。

图2 世界主要经济体CO2排放量

我国碳排放总量大，实现“碳中和”意味着要在保证工业化和城镇化持续推进的基础上实现有效减排，这需要在有限时间内破解低碳技术，解决资金难题。“双碳”目标的提出和实现给油气行业能源转型也带来长期挑战，油气作为中国能源供给体系中的重要组成部分，也将面临新的挑战和机遇，需要找到适合自身特点的低碳发展路径[2]。

1 新疆新能源资源概况

1.1 太阳能

新疆太阳能资源丰富，年日照时间长，日照百分率为60%～80%[3]，图3统计了2021年新疆主要城市的日照时数，从图3可以看出：新疆主要城市2021年日照时数在2 300～3 200 h，非常适合利用[4]。

图3 新疆主要城市2021年日照时数

1.2 风能

新疆包括南疆和北疆，南疆油气田地处盆地，周围有高山阻挡，风能属于四类区（贫乏），年平均风能密度为45.2 W/m2，年有效风力2 040 h。北疆油气田的风能属于较丰富区，可进行利用。

1.3 地热

新疆油气田平均地温梯度2.4℃/百米，远低于商业开采标准3℃/百米，与我国中东部、西南部相比，地热资源相对匮乏，开发深度上限2 000 mm 以内，出水温度达不到效益要求。

1.4 余热

作为一次性能源消费大国，我国能源消费总量居高不下，能源利用率却相对较低，只有30%～40%。这与长期以来粗放型的经济高速增长模式是分不开的，在石化、钢铁等高耗能行业中普遍存在着废气、废水等形式未利用的余热资源，造成大量的能源浪费。丰富的余热资源意味着巨大的回收利用潜力[5]，按照全国工业余热利用率提高5%计算，每年可回收1.4亿t 标煤，发展潜力十分可观。油气田可回收余热主要有加热炉烟气余热、压缩机烟气余热和油田采出水余热3个方面。

2 新疆油气田新能源技术应用现状分析

2.1 太阳能光伏发电助力沙漠防护林灌溉

新疆，有一条被称为“死亡之海”的世界上连续穿越流动沙漠最长的公路，对于南疆的经济发展和油气物资的运输具有重要意义。在极度干旱的沙漠环境下，一条长436 km，宽72～78 m 的“绿色长廊”伴随着蜿蜒起伏的沙漠公路，对生态防沙、改善局部生态环境有着至关重要的作用，而防护林的灌溉用水也是一个难题。经过科学家们的艰苦努力，在沙漠公路全线建成141座灌溉泵站，其中42座依托地方电网供电，无地方电网依托的99座灌溉泵站最初采用柴油发电供电，为响应国家低碳和节能减排号召，自2010年开始，已陆续将其中的12座柴发灌溉泵站替换为太阳能光伏发电泵站，经过10 a 运行，效果十分理想。

2.2 太阳能加热供应生活热水

油气田站场为保证员工生活热水的供应，同时本着节能降耗的目的，采用太阳能加热供应热水，在太阳能充足的情况下将锅炉停炉备用。每年可节约天然气25×104 m3（标），实现经济效益23.5 万元/a，同时还可以减少CO2排放量。

3 新疆油气田节能减排技术探索

3.1 沙漠公路防护林太阳能光伏发电泵站全替代

沙漠公路防护林沿线目前87座灌溉泵站因无电网依托，仍采用柴油发电，根据前期12座太阳能光伏发电灌溉泵站运行经验，可将所有柴发灌溉泵站由太阳能光伏发电灌溉泵站替代。

3.1.1 太阳能光伏发电实验及推广应用

2010年太阳能光伏发电泵站建设初期，选取了两座柴油发电泵站进行实验。实验保证太阳能光伏发电每天灌溉时数和柴油发电每天灌溉时数均为12 h。随着时间的推移，太阳能对柴油机的替代率逐渐上升，到10月两座泵站太阳能替代率已分别达88.52%和97.60%[6]。分析其原因主要是在实验期间，不断对设备进行了扩容、调试和改进，使得太阳能光伏发电泵站的可靠性逐渐增强。

在实验成功的基础上，2011年开始在沙漠公路防护林沿线推广建设10座太阳能光伏发电泵站，在前期设计思路的基础上进行了优化，光伏电站全部采用固定式光伏方阵设计模式，同时优化实验泵站技术路线的不足，进一步加大各泵站太阳能方阵规模，各泵站光伏方阵总功率均在35 kW 以上。2011年5月10座太阳能光伏发电泵站全部建成，数据和实践证明太阳能光伏发电完全能够满足防护林灌溉需求，采用太阳能光伏发电灌溉的苗木长势旺盛，12座灌溉泵站柴油发电平均替代率可达到99.5%。

在现有12座太阳能光伏发电泵站建设成功的基础上，可将沙漠公路防护林沿线剩余的87座柴油发电灌溉泵站全部替换为太阳能光伏发电灌溉泵站，全部由太阳能光伏供电，光伏发电泵站全部采用固定式光伏方阵设计模式，加大各站太阳能方阵规模，各站光伏方阵总功率均在35 kW 以上，采用蓄电池储能，可在阴雨天气使用储存的电能进行供电，提升太阳能光伏发电灌溉的可靠性。

3.1.2 效益分析

（1）能源成本

柴油机发电：若考虑每座泵站柴油发电机功率为35 kW，并且假设柴油机每天运转12 h，则每座泵站柴油机每天柴油消耗量约为105 L，每年柴油消耗量大约为33 t，柴油价格按9 000元/t 计算，能源消耗成本为30万元。

太阳能光伏发电：太阳能光伏发电泵站只有建站时的一次性投资，建成后不需要消耗一次性能源，一座太阳能光伏发电泵站建设初期大约需要100万元，假定交流逆变电源和蓄电池使用寿命为8 a，以20 a为周期进行计算，初期建设投资以及组件达到使用寿命以后进行更换，一座太阳能光伏发电泵站建设的总费用约为200万元，每年费用大约仅需10万元，年费用远低于柴油发电。

（2）节能减排效益

柴油机发电：柴油燃烧后会产生CO 有毒气体和CO2温室气体，CO 排放系数为1.52 g/L，CO2排放系数为2.778 kg/L。根据对能源成本的分析，1座柴油发电泵站每年消耗柴油33 t，87座柴油发电泵站每年则消耗柴油约2 870 t，将会排放CO 有毒气体约5 t，排放CO2温室气体约9 380 t。

太阳能光伏发电：太阳能光伏发电系统的组件电池板和胶体蓄电池组虽然使用寿命有限，但是可以进行回收分级处理，可提取铅锭、聚丙烯、SiO2等产品，采用太阳能光伏发电每年可减排CO 有毒气体和CO2温室气体，对“双碳”目标的实现和油气田绿色低碳发展具有重要意义。

3.2 余热利用

3.2.1 加热炉烟气余热节能改造

油气田使用的部分导热油炉、加热炉、锅炉等加热设备随着工作年限的增加，设备老化，导致烟气温度过高，排烟热损失大，热效率降低，燃气消耗量增大。为提高加热炉热效率，降低排烟损失，可采取将加热炉烟气余热进行回收利用，在加热炉尾部烟道增加空气预热器，达到节能的目的。空气预热器通过将天然气燃烧后的烟气余热回收预热助燃空气温度，通过收集和利用热煤炉出口的高温烟气，直接降低锅炉排烟温度，减少系统内的热能损失，提高锅炉的热效率。空气预热器还可以加热燃料燃烧所需要的助燃空气，控制燃烧过量空气系数，减少燃料不完全燃烧而造成的热量损失，达到节省燃料和排放环保的目的。

对排烟温度过高的站场，将已建导热油炉或加热炉的一体化燃烧器更换为分体式燃烧器，在烟道处增设空气预热器和鼓风机实现烟气余热回收。烟气在空气预热器通过换热提高空气温度，鼓风机通过新增风道，将空气送至分体式燃烧器燃烧，烟气换热后通过烟道接入烟囱排放，以提高加热炉综合热效率。同时，对燃烧器和鼓风机的相应控制系统、配电系统进行改造，实现新的燃烧器与现有控制系统的匹配。

3.2.2 油田采出水、原料气余热利用

对高矿化度下热泵技术进行研究，利用低温位的采出水、原料气，通过少量的电能或者燃气输入，实现低位热能向高位热能转换，回收采出水、原料气余热，用于满足生产和生活用热，涉及的主要工程量包括水源吸收式热泵、板式换热器、循环泵等相关配套设备。