油田风能资源及风力发热技术的应用

郑茂盛，滕海鹏，胡 军，王福宝，田洋洋，赵 渊，余历军

西北大学化工学院载能技术及应用研究所，陕西西安 710069

油田风能资源及风力发热技术的应用

郑茂盛，滕海鹏，胡 军，王福宝，田洋洋，赵 渊，余历军

西北大学化工学院载能技术及应用研究所，陕西西安 710069

文章分析了我国主要油田的风能资源和用热情况，以辽河油田加热炉应用风力发热技术设想为例，说明了风力发热机功率计算方法。在概括介绍国内外风力发热技术试验研究的基础上，着重介绍了西北大学开展的风力发热技术研究工作。

风能资源；油田用热；风力发热；节能减排

1 我国主要油田风能资源概况

风是地表受热不均而引起空气流动的自然现象，风能是一种非常安全、清洁的能源[1-2]。从节约能源资源、减少环境污染等方面考虑，风能利用具有重要意义，并且已经成为当今世界能源领域的发展方向之一。气象资料表明，我国距离地表10m以上高度可利用的风能为2.53 亿 kW，海上可利用的风能是陆地上可利用风能的3 倍。

我国各大油田的风能资源也非常丰富。据悉，大庆油田的年平均风速为 3.8 m/s，春、秋季节风速较大，冬、夏季节风速较小。季风特征明显，1 月以西北风为主（风频33.3%），7月以偏南风为主（风频36.9%）；从全年各风向频率看，西北风向频率最大，为 11%，南风向次之，为 9%，东风向最小，仅2.0%，其他风向在5%～7%左右。大庆油田全年风能可用时间约 4 000 h，在中西部地区，风能可用时间可达 4 500 h，东南部地区为3 800 h 左右；北部仅为 3 000 ～ 3 500 h。并且 3、4月份的平均风速最大，7月份的平均风速最小[3]。

胜利油田孤东采油厂地处风能资源较丰富区域，一年中孤东地区风速大于 3 m/s 的时间可达到 6 000 h 以上。 2008 年该厂在建设节能示范采油队项目中，推广应用了油井风电供电技术，目前正在试验应用 20 kW 风网互补装置 20 台。

阿尔善油田地处内蒙古锡林郭勒盟，属风能丰富区或较丰富区。该油田区域内 5 个气象台站 10 年累计的风能资料显示出其年风能实际可利用时间为 4 739.16 h。

新疆各地的风能资源丰富，克拉玛依和北塔山年有效风能 1 500 kW·h/m2，年有效起风时间约 4 000 h[4]。

长庆油田采气三厂苏 14-4 集气站位于内蒙古乌审旗一带，对测风数据的统计分析表明，年平均风速为2.9 m/s，属风能可利用区；采油六厂盆 18-17 井组位于陕西定边县杨井镇，在海拔 1 840 m 的山顶测得的年平均风速为 3 m/s，属风能可利用区。

综上所述，我国许多油田拥有不同程度的风能资源，合理地利用这些风能资源，可以为节能减排做出贡献。

2 油田用热情况

油田加热是油田勘探开发中的重要技术之一，尤其是我国东部油田已经大面积进入油藏高含水期及稠油和天然气的开发，加热就显得更为重要。目前，油田开发采用的加热方式主要有市电电磁涡流加热、油加热和气加热，加热技术在油田的典型用场如图1所示。

图1 加热技术在油田的几种典型用场

随着油气田勘探开发面积和开发难度增大，加热炉在油田应用的数量越来越多。据统计，截至2005年中石油油田在用加热炉数量 18 460 台，加热炉已经成为油田的主要能耗设备，中石油油田在用加热炉每年能耗总量折合成原油约 170 万t[5]；估计目前的加热炉数量已超过20 000台，耗能十分惊人。改进油田加热技术并研发安全可靠的节能减排技术，对于确保石油工业生产、节能和提高生产效率有着重要的意义。

以秦京输油管道为例[6]，它有 6 个输油站，原油以700 ～ 800 t/d 的流量通过输油站。在夏季,输油站使用大型燃油加热炉对原油进行加热,将温度提高 8 ～ 9 ℃后送往下一站。根据实际耗油统计,春、夏、秋三季,每个站平均燃烧燃料油 280 kg/h 左右，6 个站的加热炉每天平均烧掉 40 t 左右，冬季烧掉的更多。每年的加热炉燃油指标为 20 000 t 左右（不包括锅炉）,2005 年加热炉实际烧油 19 500 t。如果采用其他节能设备,燃油指标就会大大降低[6]。

另外，石蜡基原油的特点是含蜡量高、黏度高、凝点高。这种原油在开采和输送过程中的主要问题是石蜡的凝结，影响原油流动性，进而影响了原油的采集和运输，导致原油的产量下降甚至停产[5]。

热洗是最为传统的清蜡方式之一，到目前为止仍在全国的油田中被广泛应用。此法将原油加热到一定温度，经过一定的输送距离仍能使油温维持在高于石蜡的析出温度，确保良好的流动特性。

在油的生活用热方面，以油田公寓设计为例，假定某公寓住宿人员为 200 人，人均日热水用量 30 kg，公寓住宿人员每天需要热水达 6 000 kg，另外，到了冬季住宿人员还需要解决取暖等问题。生活用热也是油田用热的重要组成部分。

可见，油田对热量的需求是相当普遍的。本文根据目前的研究现状，提出采用风力发热作为热源或补充热源，使油田进一步实现节能降耗。

3 风力发热机功率计算

本文所述的风力发热技术是指将风能直接转化为热能的技术，与风力发电、风力提水相比，风力发热具有高能量转换效率。下面以辽河油田加热炉应用该项技术为例，说明风力发热机功率计算方法。

辽河油田是我国主要的稠油开采地区。在其采油、集输等过程中，使用传统技术，即燃烧煤、油、天然气和电加热方法来实现原油增温，每年都需要消耗大量天然气和电能以满足外输系统加热的需要，造成大量的能源消耗和严重的环境污染。如果把风力发热技术应用于石油集输环节，为集输系统供热，就可以节省大量原油。以辽河油田某小型采油井区为例[7]，其日产液量 100 m3，含水率 30%，产出液流入加热炉时的温度 40 ℃，流出加热炉时的温度 60 ℃，平均升温 20 ℃。表1为其产出液的基本物性参数。

表1 辽河油田某井区产出液的基本物性参数

根据以上数据，计算加热炉每天水、油加热所需的热量:

式中QW——每天加热水所需的热量；

QO——每天加热油所需的热量；

VO——油的体积；

CO——油的比热容；

ρO——油的密度；

VW——水的体积；

CP——水的比热容；

ρW——水的密度；

△t——温升。

每天总热负荷QT为:

所需功率为：

式中T——每天的加热时间。

辽河地区风能资源丰富，其风能监测数据见表2[7]。

表2 辽河油田地区风能资源数据

如果采用风力发热技术，可以安装 1 台或多台总功率为 100 kW（最多不超过 150 kW）的风力发热机。设风力发热机塔高为 50 m，风机的风能利用率为 30%，则采用叶轮半径约 27 m 的 1 台风机就能满足需要。

4 国内外风力发热技术试验研究概况

总的来说，国际上风力发热技术仍处于探索和示范试验阶段。现阶段风能致热方式大体可分为七种，即风力发电—电加热、液体搅拌、液体挤压、固体摩擦、磁涡流、风力热泵和压缩空气发热等。除了利用“风力发电—电加热”方式需要发电这个环节外，其他转换方式均为风能直接转换为热能,本文将其称为风力发热，它减少了转换环节，提高了利用效率。其中的风力磁涡流方式是通过风车的机械能直接推动磁涡流式发热机，产生涡电流而发热的；风力热泵则是通过风车的机械能直接推动热泵而发热的，能用少量不可再生的能源将大量的低温热量升为高温热量。

国外风力发热的研究主要集中在发达国家，在亚洲以日本为主，在美洲美国处于领先地位，在欧洲主要有芬兰、丹麦等。在国内，1985年才召开行业性风力发热研讨会，研究工作主要由大学承担。先后有西安交通大学、沈阳工业大学、西北大学和广西大学等开展研究工作。西安交通大学和沈阳工业大学选择液压致热方式、西北大学选择磁涡流和热泵方式[8]、广西大学选择涡流式致热方式作为他们的研究课题。

近年来，西北大学获得陕西省“13115”重大创新工程项目、陕西省重大科技创新专项以及中国石油天然气集团公司创新基金的支持，开展了风力发热技术的研究与开发，设计制造了励磁式和永磁式电磁涡流试验装置及温度显示系统，其中永磁式电磁涡流加热装置的功率达到 10 kW。这两种试验装置在电动力推动下，其磁极呈现稳定“通断”，频率都达到 300 Hz。此外，风力热泵发热装置功率达到 20 kW。各装置的能量转换效率都在90% 以上，并且掌握了风机结构与发热机发热效率之间的关系。图2是研制的风力发热机现场试验照片。

图2 风力发热机现场试验

5 结束语

许多石油矿区处于具有丰富风能资源的区域，适合应用风能发热技术，可以作为油田加热和生活用热的热源或补充热源，进而降低采油成本。因此，应积极开展将风力发热技术应用于油田的研究工作，这对于节能降耗、保护环境具有重要意义。

[1]Sandra Eriksson,Hans Bernhoff,Mats Leijon.Evaluation of different turbine concepts for wind power [J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2008,12(5):1 419☒1 434.

[2]A Dragomirescu.Performance assessment of a small wind turbine with cross flow runner by numerical simulations [J].Renewable Energy,2011,36（3）:957-965.

[3]李冰,赵玲,杜畅.大庆油田风能资源评价[J].沈阳工程学院学报（自然科学版）,2011,7（4）:298-300.

[4]郭洪旭，赵黛青，黄莹，等.天山北坡经济带风能的区域分布及开发潜力估算[J].重庆大学学报，2012,35(8)：80-86..

[5]马卫国，孙洪钰，冯定.油田用加热炉技术现状与发展方向[J].石油机械，2006,34（10）：70-71.

[6]常光宇,严江,李文颖,李景华.输油管道太阳能加热炉的设计及运行思路[J].中外能源,2007,12（1）:111-114.

[7]徐恩宽.油气集输中风能和光能的综合利用 [J].内蒙古石油化工,2008,18（13）:37-38.

[8]王福宝，郑茂盛，滕海鹏，等.垂直轴阻力差型风车驱动磁涡流致热分析[J].西北大学学报，2013，43(4)：545-548.

Wind Energy Resources and Application of Wind Heating Technology in Oilfields

Zheng Maosheng,Teng Haipeng,Hu Jun,Wang Fubao,Tian Yangyang,Zhao Yuan,Yu Lijun
Institute for Energy Trans mission Technology and Application,School of Chemical Engineering of Northwestern University,Xi'an 710069,China

The wind energy resources and the applications of heating energy in domestic main oilfields are discussed in this paper.Taking the possible usage of wind heating technique in heating furnaces of Liaohe Oilfield for example,the power calculation method of wind heating machanism is described.Based on the summary of the experimental researches of wind heating technology at home and abroad,the research work of wind heating technology conducted by Northwestern University is illustrated emphatically.

wind energy resources；wind heat；oil heating；energy-saving

陕西省13115工程项目（2008ZDKG-54）；陕西省重大科技创新专项（2011ZKC07-4）

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.01.002

郑茂盛（1962-），男，陕西西安人，教授，1995年毕业于西北工业大学，博士，长期从事能源材料和技术研究。

2013-03-15