鄭茂盛，滕海鵬，胡 軍，王福寶，田洋洋，趙 淵，余歷軍

西北大學(xué)化工學(xué)院載能技術(shù)及應(yīng)用研究所，陜西西安 710069

油田風(fēng)能資源及風(fēng)力發(fā)熱技術(shù)的應(yīng)用

鄭茂盛，滕海鵬，胡 軍，王福寶，田洋洋，趙 淵，余歷軍

西北大學(xué)化工學(xué)院載能技術(shù)及應(yīng)用研究所，陜西西安 710069

文章分析了我國(guó)主要油田的風(fēng)能資源和用熱情況，以遼河油田加熱爐應(yīng)用風(fēng)力發(fā)熱技術(shù)設(shè)想為例，說(shuō)明了風(fēng)力發(fā)熱機(jī)功率計(jì)算方法。在概括介紹國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)熱技術(shù)試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，著重介紹了西北大學(xué)開(kāi)展的風(fēng)力發(fā)熱技術(shù)研究工作。

風(fēng)能資源；油田用熱；風(fēng)力發(fā)熱；節(jié)能減排

1 我國(guó)主要油田風(fēng)能資源概況

風(fēng)是地表受熱不均而引起空氣流動(dòng)的自然現(xiàn)象，風(fēng)能是一種非常安全、清潔的能源[1-2]。從節(jié)約能源資源、減少環(huán)境污染等方面考慮，風(fēng)能利用具有重要意義，并且已經(jīng)成為當(dāng)今世界能源領(lǐng)域的發(fā)展方向之一。氣象資料表明，我國(guó)距離地表10m以上高度可利用的風(fēng)能為2.53 億 kW，海上可利用的風(fēng)能是陸地上可利用風(fēng)能的3 倍。

我國(guó)各大油田的風(fēng)能資源也非常豐富。據(jù)悉，大慶油田的年平均風(fēng)速為 3.8 m/s，春、秋季節(jié)風(fēng)速較大，冬、夏季節(jié)風(fēng)速較小。季風(fēng)特征明顯，1 月以西北風(fēng)為主（風(fēng)頻33.3%），7月以偏南風(fēng)為主（風(fēng)頻36.9%）；從全年各風(fēng)向頻率看，西北風(fēng)向頻率最大，為 11%，南風(fēng)向次之，為 9%，東風(fēng)向最小，僅2.0%，其他風(fēng)向在5%～7%左右。大慶油田全年風(fēng)能可用時(shí)間約 4 000 h，在中西部地區(qū)，風(fēng)能可用時(shí)間可達(dá) 4 500 h，東南部地區(qū)為3 800 h 左右；北部?jī)H為 3 000 ～ 3 500 h。并且 3、4月份的平均風(fēng)速最大，7月份的平均風(fēng)速最小[3]。

勝利油田孤東采油廠(chǎng)地處風(fēng)能資源較豐富區(qū)域，一年中孤東地區(qū)風(fēng)速大于 3 m/s 的時(shí)間可達(dá)到 6 000 h 以上。 2008 年該廠(chǎng)在建設(shè)節(jié)能示范采油隊(duì)項(xiàng)目中，推廣應(yīng)用了油井風(fēng)電供電技術(shù)，目前正在試驗(yàn)應(yīng)用 20 kW 風(fēng)網(wǎng)互補(bǔ)裝置 20 臺(tái)。

阿爾善油田地處內(nèi)蒙古錫林郭勒盟，屬風(fēng)能豐富區(qū)或較豐富區(qū)。該油田區(qū)域內(nèi) 5 個(gè)氣象臺(tái)站 10 年累計(jì)的風(fēng)能資料顯示出其年風(fēng)能實(shí)際可利用時(shí)間為 4 739.16 h。

新疆各地的風(fēng)能資源豐富，克拉瑪依和北塔山年有效風(fēng)能 1 500 kW·h/m2，年有效起風(fēng)時(shí)間約 4 000 h[4]。

長(zhǎng)慶油田采氣三廠(chǎng)蘇 14-4 集氣站位于內(nèi)蒙古烏審旗一帶，對(duì)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析表明，年平均風(fēng)速為2.9 m/s，屬風(fēng)能可利用區(qū)；采油六廠(chǎng)盆 18-17 井組位于陜西定邊縣楊井鎮(zhèn)，在海拔 1 840 m 的山頂測(cè)得的年平均風(fēng)速為 3 m/s，屬風(fēng)能可利用區(qū)。

綜上所述，我國(guó)許多油田擁有不同程度的風(fēng)能資源，合理地利用這些風(fēng)能資源，可以為節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)。

2 油田用熱情況

油田加熱是油田勘探開(kāi)發(fā)中的重要技術(shù)之一，尤其是我國(guó)東部油田已經(jīng)大面積進(jìn)入油藏高含水期及稠油和天然氣的開(kāi)發(fā)，加熱就顯得更為重要。目前，油田開(kāi)發(fā)采用的加熱方式主要有市電電磁渦流加熱、油加熱和氣加熱，加熱技術(shù)在油田的典型用場(chǎng)如圖1所示。

圖1 加熱技術(shù)在油田的幾種典型用場(chǎng)

隨著油氣田勘探開(kāi)發(fā)面積和開(kāi)發(fā)難度增大，加熱爐在油田應(yīng)用的數(shù)量越來(lái)越多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2005年中石油油田在用加熱爐數(shù)量 18 460 臺(tái)，加熱爐已經(jīng)成為油田的主要能耗設(shè)備，中石油油田在用加熱爐每年能耗總量折合成原油約 170 萬(wàn)t[5]；估計(jì)目前的加熱爐數(shù)量已超過(guò)20 000臺(tái)，耗能十分驚人。改進(jìn)油田加熱技術(shù)并研發(fā)安全可靠的節(jié)能減排技術(shù)，對(duì)于確保石油工業(yè)生產(chǎn)、節(jié)能和提高生產(chǎn)效率有著重要的意義。

以秦京輸油管道為例[6]，它有 6 個(gè)輸油站，原油以700 ～ 800 t/d 的流量通過(guò)輸油站。在夏季,輸油站使用大型燃油加熱爐對(duì)原油進(jìn)行加熱,將溫度提高 8 ～ 9 ℃后送往下一站。根據(jù)實(shí)際耗油統(tǒng)計(jì),春、夏、秋三季,每個(gè)站平均燃燒燃料油 280 kg/h 左右，6 個(gè)站的加熱爐每天平均燒掉 40 t 左右，冬季燒掉的更多。每年的加熱爐燃油指標(biāo)為 20 000 t 左右（不包括鍋爐）,2005 年加熱爐實(shí)際燒油 19 500 t。如果采用其他節(jié)能設(shè)備,燃油指標(biāo)就會(huì)大大降低[6]。

另外，石蠟基原油的特點(diǎn)是含蠟量高、黏度高、凝點(diǎn)高。這種原油在開(kāi)采和輸送過(guò)程中的主要問(wèn)題是石蠟的凝結(jié)，影響原油流動(dòng)性，進(jìn)而影響了原油的采集和運(yùn)輸，導(dǎo)致原油的產(chǎn)量下降甚至停產(chǎn)[5]。

熱洗是最為傳統(tǒng)的清蠟方式之一，到目前為止仍在全國(guó)的油田中被廣泛應(yīng)用。此法將原油加熱到一定溫度，經(jīng)過(guò)一定的輸送距離仍能使油溫維持在高于石蠟的析出溫度，確保良好的流動(dòng)特性。

在油的生活用熱方面，以油田公寓設(shè)計(jì)為例，假定某公寓住宿人員為 200 人，人均日熱水用量 30 kg，公寓住宿人員每天需要熱水達(dá) 6 000 kg，另外，到了冬季住宿人員還需要解決取暖等問(wèn)題。生活用熱也是油田用熱的重要組成部分。

可見(jiàn)，油田對(duì)熱量的需求是相當(dāng)普遍的。本文根據(jù)目前的研究現(xiàn)狀，提出采用風(fēng)力發(fā)熱作為熱源或補(bǔ)充熱源，使油田進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

3 風(fēng)力發(fā)熱機(jī)功率計(jì)算

本文所述的風(fēng)力發(fā)熱技術(shù)是指將風(fēng)能直接轉(zhuǎn)化為熱能的技術(shù)，與風(fēng)力發(fā)電、風(fēng)力提水相比，風(fēng)力發(fā)熱具有高能量轉(zhuǎn)換效率。下面以遼河油田加熱爐應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)為例，說(shuō)明風(fēng)力發(fā)熱機(jī)功率計(jì)算方法。

遼河油田是我國(guó)主要的稠油開(kāi)采地區(qū)。在其采油、集輸?shù)冗^(guò)程中，使用傳統(tǒng)技術(shù)，即燃燒煤、油、天然氣和電加熱方法來(lái)實(shí)現(xiàn)原油增溫，每年都需要消耗大量天然氣和電能以滿(mǎn)足外輸系統(tǒng)加熱的需要，造成大量的能源消耗和嚴(yán)重的環(huán)境污染。如果把風(fēng)力發(fā)熱技術(shù)應(yīng)用于石油集輸環(huán)節(jié)，為集輸系統(tǒng)供熱，就可以節(jié)省大量原油。以遼河油田某小型采油井區(qū)為例[7]，其日產(chǎn)液量 100 m3，含水率 30%，產(chǎn)出液流入加熱爐時(shí)的溫度 40 ℃，流出加熱爐時(shí)的溫度 60 ℃，平均升溫 20 ℃。表1為其產(chǎn)出液的基本物性參數(shù)。

表1 遼河油田某井區(qū)產(chǎn)出液的基本物性參數(shù)

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，計(jì)算加熱爐每天水、油加熱所需的熱量:

式中QW——每天加熱水所需的熱量；

QO——每天加熱油所需的熱量；

VO——油的體積；

CO——油的比熱容；

ρO——油的密度；

VW——水的體積；

CP——水的比熱容；

ρW——水的密度；

△t——溫升。

每天總熱負(fù)荷QT為:

所需功率為：

式中T——每天的加熱時(shí)間。

遼河地區(qū)風(fēng)能資源豐富，其風(fēng)能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2[7]。

表2 遼河油田地區(qū)風(fēng)能資源數(shù)據(jù)

如果采用風(fēng)力發(fā)熱技術(shù)，可以安裝 1 臺(tái)或多臺(tái)總功率為 100 kW（最多不超過(guò) 150 kW）的風(fēng)力發(fā)熱機(jī)。設(shè)風(fēng)力發(fā)熱機(jī)塔高為 50 m，風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用率為 30%，則采用葉輪半徑約 27 m 的 1 臺(tái)風(fēng)機(jī)就能滿(mǎn)足需要。

4 國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)熱技術(shù)試驗(yàn)研究概況

總的來(lái)說(shuō)，國(guó)際上風(fēng)力發(fā)熱技術(shù)仍處于探索和示范試驗(yàn)階段?，F(xiàn)階段風(fēng)能致熱方式大體可分為七種，即風(fēng)力發(fā)電—電加熱、液體攪拌、液體擠壓、固體摩擦、磁渦流、風(fēng)力熱泵和壓縮空氣發(fā)熱等。除了利用“風(fēng)力發(fā)電—電加熱”方式需要發(fā)電這個(gè)環(huán)節(jié)外，其他轉(zhuǎn)換方式均為風(fēng)能直接轉(zhuǎn)換為熱能,本文將其稱(chēng)為風(fēng)力發(fā)熱，它減少了轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，提高了利用效率。其中的風(fēng)力磁渦流方式是通過(guò)風(fēng)車(chē)的機(jī)械能直接推動(dòng)磁渦流式發(fā)熱機(jī)，產(chǎn)生渦電流而發(fā)熱的；風(fēng)力熱泵則是通過(guò)風(fēng)車(chē)的機(jī)械能直接推動(dòng)熱泵而發(fā)熱的，能用少量不可再生的能源將大量的低溫?zé)崃可秊楦邷責(zé)崃俊?/p>

國(guó)外風(fēng)力發(fā)熱的研究主要集中在發(fā)達(dá)國(guó)家，在亞洲以日本為主，在美洲美國(guó)處于領(lǐng)先地位，在歐洲主要有芬蘭、丹麥等。在國(guó)內(nèi)，1985年才召開(kāi)行業(yè)性風(fēng)力發(fā)熱研討會(huì)，研究工作主要由大學(xué)承擔(dān)。先后有西安交通大學(xué)、沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)、西北大學(xué)和廣西大學(xué)等開(kāi)展研究工作。西安交通大學(xué)和沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)選擇液壓致熱方式、西北大學(xué)選擇磁渦流和熱泵方式[8]、廣西大學(xué)選擇渦流式致熱方式作為他們的研究課題。

近年來(lái)，西北大學(xué)獲得陜西省“13115”重大創(chuàng)新工程項(xiàng)目、陜西省重大科技創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)以及中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司創(chuàng)新基金的支持，開(kāi)展了風(fēng)力發(fā)熱技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)制造了勵(lì)磁式和永磁式電磁渦流試驗(yàn)裝置及溫度顯示系統(tǒng)，其中永磁式電磁渦流加熱裝置的功率達(dá)到 10 kW。這兩種試驗(yàn)裝置在電動(dòng)力推動(dòng)下，其磁極呈現(xiàn)穩(wěn)定“通斷”，頻率都達(dá)到 300 Hz。此外，風(fēng)力熱泵發(fā)熱裝置功率達(dá)到 20 kW。各裝置的能量轉(zhuǎn)換效率都在90% 以上，并且掌握了風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)與發(fā)熱機(jī)發(fā)熱效率之間的關(guān)系。圖2是研制的風(fēng)力發(fā)熱機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片。

圖2 風(fēng)力發(fā)熱機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

5 結(jié)束語(yǔ)

許多石油礦區(qū)處于具有豐富風(fēng)能資源的區(qū)域，適合應(yīng)用風(fēng)能發(fā)熱技術(shù)，可以作為油田加熱和生活用熱的熱源或補(bǔ)充熱源，進(jìn)而降低采油成本。因此，應(yīng)積極開(kāi)展將風(fēng)力發(fā)熱技術(shù)應(yīng)用于油田的研究工作，這對(duì)于節(jié)能降耗、保護(hù)環(huán)境具有重要意義。

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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

陜西省13115工程項(xiàng)目（2008ZDKG-54）；陜西省重大科技創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)（2011ZKC07-4）

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.01.002

鄭茂盛（1962-），男，陜西西安人，教授，1995年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)，博士，長(zhǎng)期從事能源材料和技術(shù)研究。

2013-03-15