太阳能制热技术在石油工程中的应用.pdf

邱伟伟 太 阳能制热技术在石油工程 中的应用 第 6 卷第 2 期 太阳能制热技术在石油工程中的应用 邱伟 伟 中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院地面工程研究所 摘要 太阳能是一种重要的清洁、环保 、可再 生能源，将 太阳能应用 于油田勘探 、开发 、 储运等阶段有助 于节能减排 、降低 能源消耗。太阳能发 电与低温制热技术在油田辅助设施中已 有 广泛 应用 ，主要 用 于解 决 生活取 暖 、照 明和 部分设 备低 压供 电等 需求 。 除此之 外 ，对 于石 油 开 采 、原 油 储运 等 大型 X - 程 ，太 阳能也 可 以发 挥 重 要作 用 。槽 式 太 阳 能蒸汽 发 生 器可 以部 分取 代 以煤 、燃油 为 燃料 的传 统 蒸汽 生产 方 式 ，用 于稠 油 开 采 。太 阳能作 为 单 一热 源或 辅助 热源 的 加热系统 已经在原油管输工程 中进行了推广应用 利用太阳能解决石油工程 生产问题需要考虑 太阳辐射量变化对制热效果的影响，通过太阳能与其他能源联合 制热等方法解决这一 问题 ，能 够促 进 太 阳能在石 油 工程 中的应 用 。 关键 词 太 阳能；石 油 工程 ；稠 油热 采；原 油储运 D 0l 1 0． 3 9 6 9 ／i ． i s s R． 2 0 9 5 1 4 9 3 ． 2 0 1 6． 0 2 ． 0 1 8 太 阳能是 一 种重 要 的可 再生 能源 ，也是 一种 清 洁 、环 保 能 源 ，已成 为 世 界 范 围 内应 对 能 源 短 缺 、 环境 污染 、气候 变 化等 问题 的重 要选 择 之一 。太 阳 能 的大规 模 利用 能 够有 效 降低 污染 物排 放 ，减少 对 化石 能 源 的依赖 ，具 有 良好 的发 展 前景 。 目前 ，国 内外对 太 阳能 的应 用 主 要集 中在 光 伏发 电和 制 热 2 个方面。油气资源的勘探、开发、储存及运输过程 中需要消耗大量 的电能和热能 ，将太阳能应用于石 油 工程 各生 产 阶段 有助 于 节能 减排 ，加 快 生态 文 明 建设 。 早 在 2 0 0 1 年 ，太 阳 能 电 站 就 在 胜 利 油 田海 上 平台成功调试投产 ，为航标灯 、雾笛以及部分生活 设 施 供 电” 。在 偏远 地 区 的地 质 勘探 工作 中 ，利 用 太 阳 能供 电 设 备 可 以满 足 现 场 作 业 的低 压 供 电 需 求 ，A m o c o 公 司也曾使用太阳能 电池通过阴极保护 的方 法 进 行 套 管 防腐 工 作 。冀 东 油 田在海 上 油 气 人 工 岛集 中开 发技 术 中 ，充分 利 用太 阳能解 决 了照 明 、生活用电和低温供热等问题 。而太阳能在油 田 的主要 工业 应 用 ，则集 中在 稠 油热 采 和原 油存 储 与输送 过 程 中的加 热 2 个方 面 。 1 太 阳能在稠油热采 中的应用 注蒸 汽 开 采 稠 油 的 作业 周 期 一 般 在 数 年 之久 ， 作 者简介 邱伟伟 ，工程 师 ，2 0 1 1 年毕业于 中国石油大学 北京 油气储 运与工程专业 ，博士 ，主要从 事油气 多相管流及油气 田地 面集输技术研究工 作 ，E - ma i l q i u w w ． s y k y s i n o p e c ． f； o m，地址 北 京海淀区北 四环中路2 6 7 号北 京奥运 大厦 5 0 8室，1 0 0 0 8 3 。 5 2 需要长时间给储层提供热能以提高采收率 。传统蒸 汽吞吐或蒸汽驱方法中 ，蒸汽一般通过以油或煤为 燃 料 的锅 炉进 行 生产 ，在 稠 油开 采作 业周 期 内将 会 消耗大量化石能源 ，并释放 C O 等温室气体 ，不利 于节 能环 保 。太 阳 能蒸 汽发 生器 的 出现有 效解 决 了 稠油 热采 中能 耗过 大和 环保性 差 的问题 。 常用 的槽 式太 阳能蒸 汽 发 生器 示 意 图如 图 1 所 示 。水 在 真 空管 镜 场 集 热 列 阵 中 吸 收 汇 聚 的太 阳 能 ，由镜场入 口依次经过预热段 、蒸发段 ，最终在 镜场 出 口被 加 热成 为饱 和蒸 汽 。经 过蒸 汽 、水 分离 装置 将 二者 分离 ，分离 得 到 的水通 过循 环泵 重 新加 入循环 ，产生的蒸汽则可以投入工业应用。可 以根 据所需蒸汽温度、流量的不同来确定镜场集热列阵 的规 模 。 以一 种 7 列 、总 集 热 器 长 度 9 8 0 m 其 中 预 热段 长度 2 9 4 m，蒸 发段 长度 4 9 0 m，过 热段 长度 1 9 6 m 的槽 式 太 阳能集 热器 列 阵为 例 ，蒸 汽 温度 可 达到 2 9 0℃ ，过 热段 温度 可 以达到 4 1 1 o C 。 冷水 图 1 太 阳能蒸汽发生器示意 图 槽 式 太 阳能蒸 汽 发生 器所 生 产 的蒸 汽能 够 满足 稠油 热采 的要 求 ，但 实施 该 技术 的 油 田应尽 量 满足 石 油 石化 节 能 WWW． s y s h j n ． c o rn 以下条件 日光照射充足且气候适宜 ，具有较高的 太 阳辐 射 和较 低 的风 速 ，空气 中尘 土含 量低 ，无 沙 尘、扬尘等恶劣天气 ；同时 ，井场必须有足够大的 平整 空 地用 于安 装太 阳 能集热 器列 阵 。 2 0 1 1 年 ，G l a s s P o i n t S o l a r 公 司在 加 利 福 尼 亚 安 装 了 第 1台 太 阳 能 提 高 采 收 率 装 置 。 同 年 ， B r i g h t S o u r c e E n e r g y 公 司与 雪 佛 龙 公 司 在 加 利福 尼 亚 C o a l i n g a 油田合作建成 了功率为 2 9 M W 的太 阳能 蒸汽生产设备 。 阿 曼 国境 内大 部 分 地 区全 年 太 阳 辐 射 量 超 过 2 0 0 0 k wh ，且 由于地 处低 纬 度地 区 ，阳光 照 射 随季 节的周期性变化低 ，适合使用太阳能蒸汽生产装置 用 于 稠油 开 采 。2 0 1 3 年 ，在 阿 曼 A m a l We s t 油 田实 施 了太 阳能热采工程 ，通过太阳能每天生产 5 O t 蒸 汽 注入 蒸 汽 管 网 。经 过 1 年多 运 行表 明 ，在 中东 地 区沙漠环境下使用太阳能蒸汽生产 系统用于提高采 收 率 是 可行 的 ，系统 正 常 运 行 时 间为 9 8 ． 6 ％ ，且 在 沙暴 环 境 中仍 可 以正 常运 行 。我 国稠 油资 源 主要 分 布在新疆、辽河 、胜利等地区，这些地区太阳能资 源较为丰富，同样具备太 阳能集热稠油开采的 良好 条件 。 2太 阳 能在 原 油 储 运 中 的应 用 目前 ，国内外 输送 稠 油一 般采 用 加热 、添加 轻 质油 、添加减阻剂等方式 ，降低油 品黏度 ，减少摩 阻损失 ，节省输油的动力消耗 。稠油加热管输是稠 油运输的一种重要方式 ，分为热处理输送和预加热 输送 2 种 方 法 。在 加 热 方式 上 ，主要 有 蒸 汽热 水 加 热法 和 电加热 法 。 传 统使 用 天然 气或 电能 给原油 加 热方 法 的设 备 运行 负 荷 高 ，能 源 消 耗 大 ；因此 ，上 世 纪 9 O 年 代 以来 ，使 用 太 阳能 作 为单 一热 源或 辅 助热 源 给原 油 加热 的技术不断发展 ，并开始投入实际应用。利用 太阳能加热输送原油有直接加热和间接加热 2 种方 式。直接加热方式是原油进入太阳能集热器里被直 接加 热 ，受 热 效率 较 高 ，但 由于 原 油黏度 大 ，集 热 板清洗非常困难 ；并且直接加热过程 中温度高低变 化较大 ，不容易控制 ，严重情况下可能会发生原油 结焦 现 象 。间 接加 热方 式 是太 阳能集 热器 将 热量 提 供给热媒 ，再通过热交换 器将热量 间接传 递给原 油 ，能 够充 分 利用 现有 成 熟 的太 阳 能集热 及 热交 换 技术 ，增 强 了系统 的安全 性 和运 行稳 定性 。常用 的 太 阳能 原油 加 热工艺 流 程如 图 2 所示 。 石油石化节 能WW W． s y s h j n ． G o re 入永 口 图 2太 阳能 加 热 原 油 工 艺 流 程 在 正 常太 阳辐 射 条件 下 ，循 环泵 开启 ，热水 箱 的热水 进 入换 热器 中 ，与 原油 换 热后 进 入太 阳能真 空 管 ，通 过太 阳能加 热后 再进 入 热水 箱 。热 水在 换 热器中将原油加热 ，加热后的原油通过输油管进入 输 油管 线 进行 输 运 。进入 输油 管 网前 ，加 热炉 根据 原 油温 度 的高 低进 行 自动 点 火加 热 。热 水箱 的温 度 较高时，多余热量可以储存在 蓄热水箱中 ，如果原 油 出口端处的温度达不到所需温度时，则让原油直 接 进入 自动 点火 的加 热炉 进行 加热 。 原 油 在 输往 下 一 计 量 站之 前 ，温 度 需要 由 2 5 ～ 3 0℃加热至 5 O ～ 5 5℃，要求集热器 内水的出口温度 达 到 7 0 8 0℃。因此 ，太 阳能集热器 要求热效 率 高 ，运 行 可靠 ，有 足 够 的承压 能力 ，考虑 冬 季运 行 需 求 ，还要 求 具备 较 好 的抗冻 能 力 。常 用 的太 阳能 集 热器 有 平板 式集 热 器 、全玻 璃 真 空管 集热 器 、热 管 式 真 空管 集 热器 3 种 。从 热效 率 方 面来 看 ，平 板 式 集 热器 在进 口水 温 与环 境温 度 差值 较 小 时热效 率 较高 ，但随着温差增加热效率降低较快 ；真空管集 热 器 热 效 率 受 温 差 影 响较 小 ，即使 温 差 高 于 9 0 c 【 也可以保持较高的热效率 。从承压能力 、长期运行 稳定性及抗冻能力方面考虑 ，平板式集热器承压能 力 较强 ，运行 稳定 ，但抗 冻 能力 较差 ；全玻 璃真 空 管集热器抗冻能力较好 ，但承压能力较差 ，运行稳 定性差 ；热管式真空管集热器承压能力强 ，运行稳 定 ，抗 冻 能力 强 。不 同类 型 的集 热器 各 有特 点 ，现 场应根据具体情况 ，选用经济、有效的集热器。 目前 ，国内外油 田中使用太 阳能加热原油应用 较 为 广泛 ，尤 其对 于 日照时 间 长 ，太 阳辐射 量 大 的 地 区，适合采用太阳能作为单一热源或辅助热源进 行原油加热。我国江苏油田、辽河油田均具备优 良 的 太 阳 能 利 用 条 件 。 2 0 0 6年 ， 江 苏 王 龙 庄 油 田 T 8 3 1 井应用 3 0 组 、总集热 面积 6 0 m 。 的热管式真 空管集热器太阳能辅助 电加热系统进行现场试验 ， 表 现出较好 的适用性 。在 7 9 月 日照充足 的情况 下 ，电加热系统可完全停用 ，其余月份则太阳能系 统 和 电加 热 系统 交 替使 用 ，使 用该 系统 后 年节 约 电 53 邱伟伟 太阳能制热技术在 石油 工程 中的应用第 6 卷第 2 期 量约 41 0 k wh 。试验 成功 后 ，2 0 0 8 年在 李 堡油 田 推广 了太 阳能集 热系 统 的应用 ，建成 太 阳能 集热 器 面 积 2 6 2 n l 、 内 置 电加 热 器 的 2 5 i n 蓄 热 罐 1 座 ， 改变 了油 田站库以燃油 、燃气锅炉为主的传统供热 模式 ，大 大 降低 了能源 消耗 。 辽 河 油 田 2 0 0 5 年 建 立 了 以太 阳 能 为 主 的原 油 加 热储 运 系统 ，太 阳能 集 热器 面 积 3 9 2 i n ，总 占地 面 积 7 9 2 I T I ，并 改进 了换 热 器 中的换 热 管结 构 ，总 换 热 面 积 达 到 5 5 in 。当 日照 条 件 较 好 时 ，可 以单 独使用太阳能给循环流体加热 ，多余的热量存储到 蓄 热器 中 ； 日照条 件 不理 想时 ，可 以直接 使用 水套 炉给流体加热。该系统投人使用以来 ，平均每天节 约 天 然气 消费量 3 0 ％ ，收 到 了 良好 的效 果 。 3 存在 问题 随着技术发展和环保要求 的提高 ，太 阳能在石 油 工业 中的应 用 越来 越 多 。但 太 阳 能应 用 面 临 2 个 主要 问题 随 1 天 中 时 间变 化 以及 1 年 中 季节 变 化 太 阳辐射 量 会发 生周 期 性变 化 ；多 云 、阴雨 、多雾 等天气条件下太阳辐射量将受到明显影响。 太 阳辐 射量 的周 期 变化 或 临 时变化 均会 对 蒸汽 产 量 产生 影 响 。针 对稠 油 热 采 问题 ，有 研 究 表 明 最 终采 收率 对 注蒸 汽速 率 的每 日周 期 变化 和 每年周 期 变 化并 不 敏 感 ，1 年 中的蒸 汽 注 入 速率 周 期 变化 只 对季 节性 石 油采 收率 有轻 微影 响 ，对 最 终采 收率 没 有影 响 。实 际应 用 中 ，也可 以 借鉴太 阳能蒸 汽 辅 助发电的系统设计 ，综合使用太阳能集热系统和燃 煤 机组 生产 蒸 汽 ；当太 阳辐射 量 不佳 时 ，可采 用燃 煤 机组 直接 生产蒸 汽 用 于稠油 热采 。 对 于原 油 存储 与管 输 ， 目前 大部 分使 用 太 阳能 联 合 电加 热或 太 阳能 联合 热泵 加 热 的方法 当太 阳 辐照较好时 ，电加热器或热泵不工作 ；当太 阳辐照 较 差 时 ，电加 热 器或 热泵 工 作补 充 热量 ，以弥 补太 阳能 单一 供热 中启动 速 度慢 、受 外 界条 件影 响导 致 系统 不稳 定 的缺 点 。 因此 ，只要 采取 相应 的控制 措 施 ， 由于 太 阳辐 照波 动 带来 的热 能 波动 问题 不会 对 实际 生产 造成 严重 影响 。 4 结 论 1 注蒸 汽 热采 是 稠 油 开 发 的 主 要 方式 ，使 用 槽式太阳能蒸 汽发生器可以部分取代以煤、油为燃 料的传统蒸汽生产方法 ，用于稠油开采 。目前该技 术 现 场应 用仍 处于起 步 阶段 。 2 太 阳能 作 为单 一 热 源 或 辅 助 热 源 给 原 油加 54 热的技术适用于原油储运工程 ，目前有多种集热器 可 供选 择 ，管 道 与线路 设计 方 法也 较 为成熟 ，该技 术 已在 多个 油 田进入 推广 应用 阶段 。 3 太 阳辐 射 量 随 每 天 时 间变 化 和 每 年 季节 变 化 发 生周 期变 化 ，或 遇恶 劣天 气条 件 发生 临 时大 幅 降低 ，影 响制 热 效果 。因此 ，太 阳能 在石 油 工程 中 的 应 用 应 优 先 选 择 日照 充 足 、年 均 辐 射 量 高 的 地 区 ，并通 过太 阳能与 其他 方 式联合 制 热 的方 法避 免 制热 的不 稳定 性 。 参考 文 献 【 1 】 朗宪超 ， 王盂 馨． 太 阳能技术在 海上采油平 台的应用 【 J I _ 海 洋技术 ， 2 0 0 1 ， 2 0 4 7 3 7 5 ． 【 2 】R AL P H S，HORKO NDEE J ． Ap p l i c a t i o n o f s o l a r e n e r g y t o p r o d u c i n g o p e r a t i o n s o f o i l a n d g a s f i e l d [ J ] ． J o u r n a l o f P e t r o l e u m T e c h n o l o g y ， 1 9 7 9 2 1 5 1 - 1 5 4 ． 【 3 ] 曹喜成 ， 刘晓燕 ， 王志 国． 太 阳能在冀东油 田勘探开 发中应 用l J J． 节能技术 ， 2 0 0 9 ， 2 7 3 2 8 1 2 8 3 ， 【 4 ] F RAI DE NRAI CH N，OL I VE I RA C，CUNHA A，e t a 1 ． An a l y t i c a l mo de l i n g o f di r e c t s t e am g e n e r a t i o n s o l a r p o we r p l a n t s [ J ] ． S o l a r En e r g y ， 2 0 1 3 ， 9 8 51 1 5 2 2 ． [ 5 ]P AL MER D， 0’DONNE L L J ． C o n s t r u c t i o n， Op e r a t i o n s a n d Pe r f o r ma n c e o f t he Fi r s t Enc l o s e d Tr o ug h S o l a r S t e a m G e n e r a t i o n P i l o t f o r EOR Ap p 1 i c a t i o n s f C 】 ． S P E-1 6 9 7 4 5 一 MS ． 【 6 】 贾 志伟 ， 杨启 明． 太 阳能 原油输送 系统节能 探讨『 J 】 ． 油气 田 地 面工程 ， 2 0 0 9 ， 2 8 3 5 7 ． 【 7 】 吴 明菊 ， 王春兰． 李 堡油 田地 面工艺节能 技术研 究与应 用 [ J 】 ．复 杂油气藏 ， 2 0 1 0 ， 3 4 8 2 8 4 ． [ 8 ] HE Z N． A p p l i c a t i o n o f s o l a r h e a t i n g s y s t e m f o r r a w p e t r o l e u m d u r i n g i t s p i p i n g t r a n s p o r t [ J ] ． En e r g y P r o c e d i a ，2 0 1 4，4 8 1 1 73 1 1 8 O 纬揖季友莱 收稿 日期 2 0 1 5 1 0 1 4 开足 马力安全供气 截 至 1 2 月 1 6日 ，大 牛 地 气 田今 年 累 计 产 气 3 31 0 。 in 。 。入冬 以来 ，天然气市场需求增加 ，中 石化 华 北 油气 分公 司前线 指 挥部 、采气 一 厂 、华 北 工程 公 司等单 位 开足 马力 安 全 供气 ，确保 山东 、河 南等地用气需求。日前，日产气量已经提升至 1 0 6 0 1 0 in ，预计明年元月日产气将达 1 2 0 01 0 in 。 胡 庆 明 石 油 石 化 节 能 WWW． s y s h j n． c O m