撬装式光热装置在油田中的应用

李德纯 李 震 李清萍

胜利石油管理局有限公司新能源开发中心 山东东营 257000

1 应用背景

为了实现化石能源洁净化、生产过程低碳化,建设真正意义上的绿色油田,胜利油田对油气生产过程中的传统能源进行代替。目前,胜利油田进行先导试验及投产运行太阳能加热装置共计有63套,年供热20 000 GJ,年可节电1 250 000 kWh,年可节气650 000 m3。从2020年开始,新能源开发中心为稠油井口和单井储油罐投产37套撬装式光热装置,如图1所示。笔者对已投产的37套撬装式光热装置运行效果进行分析,为油田下一步选择油气开采、集输过程中的传统能源代替方式提供参考。

图1 撬装式光热装置

2 光热装置结构和原理

目前,国内常用的原油井口加热方式主要有三种,分别为天然气加热、电加热、太阳能自控加热。

采用天然气加热,采油井场安装天然气加热炉,通过燃烧天然气将化学能转换为热能。

采用电加热,原油井口安装电加热器,将电能转换为热能,为原油加热。

太阳能自控加热通过超导真空集热器,将太阳能能转换为热能。太阳能自控加热可以依托两种热源,分别为太阳光和电。与其它加热方式相比,太阳能自控加热具有较高的可靠性和较低的运行费用。

油田许多油井原油黏度高,流动性差,液量低,需要依靠井口掺水加热来降低回压,保证正常生产。目前通常采用天然气加热或电加热方式,能耗高,污染大。根据胜利油田绿色企业行动实施方案中的要求,采用太阳能自控加热方式代替原有加热方式,可以达到节能减排的目的。

太阳能加热效果的好坏主要取决于集热器的性能。目前主要有平板型、全玻璃真空管、真空热管三种太阳能集热器,各种太阳能集热器各有优缺点,用途、适用地区、性价比也有所不同。

平板型太阳能集热器由透光玻璃板、保温层、外框、进出水管等组成,如图2所示。当太阳光透过透光玻璃板照在平板集热板上时,平板集热板内的水被加热升温。由于热水的密度小,冷水的密度大,使平板集热板内的热水自动上升到处于高位的储水箱内,储水箱内的冷水则会自动流入处于低位的平板集热板内。由此,在太阳光照射下,平板集热板内的水和储水箱内的水不断循环,储水箱内的水被加热。也可以将大水箱放置在低处,通过水泵与平板型太阳能集热器强制循环,组成强制循环平板太阳能热水系统。平板型太阳能集热器是应用较早的一种太阳能集热器,一直以来也是世界太阳能市场的主导产品,广泛应用于各种低温热水加热领域。因防冻问题,以及集热性能受季节和环境影响较大,平板型太阳能集热器目前主要在南方冬季气温较高的地区应用,在北方寒冷地区冬季运行效果欠佳。

图2 平板型太阳能集热器

全玻璃真空管太阳能集热器外形像拉长了的暖水瓶,由内外两根直径不同、单端开口的同心圆玻璃管组成,如图3所示。开口端内外管烧熔成环行密封,不开口端内外管之间用金属卡子固定。内管外壁镀选择性吸收涂层,外管为透明玻璃。内外管之间抽为真空。由于真空保温和选择性吸收涂层的作用,理论上,在空晒情况下,全玻璃真空管太阳能集热器内温度可达200 ℃以上。全玻璃真空管太阳能集热器结构简单,生产技术可靠,成本较低,热效率高,适合在冬天气温为0～20 ℃的地区使用。全玻璃真空管太阳能集热器的缺点是不能承压,使用时不能缺水空晒,否则玻璃管容易爆裂,存在一定的安全隐患。

图3 全玻璃真空管太阳能集热器

热管真空管太阳能集热器如图4所示。热管是一种高效导热元件,安装在全玻璃真空管中。热管和全玻璃真空管之间设有与二者紧密接触的金属翅片,将玻璃管转换的太阳能热量传导给热管蒸发段。热管再利用内部真空状态下工质的蒸发吸热和放热冷凝,将热量传导至被加热流体中。这样既实现了全玻璃真空管不直接接触被加热流体,解决了全玻璃真空管太阳能集热器的缺点,又保留了全玻璃真空管在低温环境中散热少,加热工质温度高的优点。热管真空管太阳能集热器有很强的抗冻能力,适用于-40 ℃左右的地区;可承压,耐空晒,不易爆管;热容量小,启动快,可用于产高温热水、开水。热管真空管太阳能集热器效率高,系统较成熟,无安全隐患,缺点是造价较高。

图4 热管真空管太阳能集热器

根据油田单井加热的现状,选择金属超导热管真空管太阳能集热器进行加热。

撬装式光热装置通过超导热管真空管太阳能集热器,将太阳能转换为热能。太阳光透过全玻璃真空管,照射在全玻璃真空管内的吸热翅片上。吸热翅片上的吸收膜将太阳辐射能转换为热能,通过导热铜带传递至内置热管。连续吸收太阳辐射能,通过高效换热器,为原油提供热能。为确保非标准日状态下系统正常产热能力,增设电辅助加热复合系统。电辅助加热复合系统采用辅助炉,与热媒贮蓄热水箱形成密闭循环,采用泵循环方式,自动温控调节循环复合介质专用液温度,以复合介质专用液做传热媒介,满足加热需求。撬装式光热装置原理如图5所示,现场如图6所示。

图5 撬装式光热装置原理

图6 撬装式光热装置现场

3 技术特点

(1) 高效节能。最大效率利用太阳能,全年可节约能源50%以上。采用智能化控制,还可以明显降低运行成本和管理费用。

(2) 安全可靠。太阳能没有常规能源存在的易燃易爆、断路、电击等危险,是最安全、最可靠的供热源。

(3) 绿色环保。采用太阳能洁净绿色能源,避免矿物燃料对环境的污染,符合国家环保政策,利国利民。

(4) 控制先进。采用先进的智能化控制技术,可以实现最佳经济运行。接入远程监控平台,具备远程实时监控功能,实现运行数据实时采集、设备远程启停、远程参数调整,使用非常方便。

(5) 使用寿命长。在正常情况下,使用寿命可达到15 a以上。

(6) 运行稳定可靠。运行稳定,安全可靠,配置的全玻璃真空管可抗击直径2.5 cm的冰雹,同时具有自清洗功能。

所应用的光照装置为橇装式整体结构设计,满足主体整体吊装要求,并与地面预埋体固定,占地仅为井口燃气炉附近向阳面东西长7 m、南北长5 m,占地面积小,不会影响油井作业、洗井、原油拉运等正常生产。

4 应用情况

目前,新能源开发中心共为油田投产37套撬装式光热装置,用于代替电加热和水套炉,向井口和储油罐加热。

撬装式光热装置主要分布在现河草西草东管理区,以及孤岛采油五区、九区、十区。2020年以来,设备运行良好,油井生产平稳。

13套撬装式光热装置代替电加热,投运于孤岛采油十区、现河草西草东管理区,为地处偏远未进行管线集输的单井储油罐加热,加热温度一般为70～80 ℃。

另外23套撬装式光热装置代替水套炉,为孤岛采油五区、九区原油黏度高、流动性较差的油井井口加热,以降低回压,保证生产。对应原油50℃时黏度为5 000 mPa·s左右。

37台撬装式光热装置均采用由新能源开发中心投资、建设、运营的模式,目前这37套撬装式光热装置均按设计要求正常运行。

5 经济效益

通过项目实施,取得了一定的经济和社会效益。其中,孤岛采油五区每年降低综合能耗445.31 t标准煤当量,减少二氧化碳排放1 095.47 t。孤岛采油九区每年降低综合能耗约838 t标准煤当量,减少二氧化碳排放2 061.48 t。孤岛采油十区每年降低电能消耗约783 200 kWh,减少二氧化硫排放8.37 t,减少氮氧化物排放1.97 t,减少二氧化碳排放601 t。现河草西草东管理区每年降低电能消耗459 700 kWh,减少二氧化硫排放4.91 t,减少氮氧化物排放1.15 t,减少二氧化碳排放352.83 t。通过应用撬装式光热装置,实现了节能降耗,绿色生产。

6 存在的问题

虽然目前取得了一定成绩和效益,但是项目仍然存在一些问题需要解决。

第一,能量密度低,占地面积大。由于太阳能能量密度低,导致在陆地单位面积上能够直接获得的太阳能较少,使撬装式光热装置的占地面积较大。

第二,受气候、环境影响大,且只能在白天工作,需要配套储能装置。长期雨雪天、阴天、雾天,以及云层变化都会影响集热量,杂物遮挡也会严重影响转换效率。

第三,成本仍然很高。成本问题是制约光热广泛应用的最主要因素,撬装式光热装置成本高主要体现在太阳能集热器上。随着技术的更新迭代,降低成本是亟需解决的问题。