中國(guó)石化石油勘探開發(fā)研究院

新型太陽能集熱技術(shù)

黃輝邱偉偉李奇中國(guó)石化石油勘探開發(fā)研究院

隨著太陽能技術(shù)的發(fā)展和石化資源的短缺，越來越多的油田將太陽能應(yīng)用于原油加熱中。在總結(jié)分析太陽能與其他供熱方式聯(lián)合供熱的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的太陽能、熱泵與儲(chǔ)熱技術(shù)聯(lián)合供熱系統(tǒng)。當(dāng)?shù)蜏厮逌囟雀哂?5℃時(shí)，采用太陽能儲(chǔ)熱水罐作為水源熱泵低溫?zé)嵩矗瑢?shí)現(xiàn)對(duì)原油的加熱；反之，啟動(dòng)清水罐供熱系統(tǒng)作為低溫?zé)嵩矗划?dāng)高、低溫儲(chǔ)熱水罐的溫度差高于5℃時(shí)，開啟罐間泵進(jìn)行熱水循環(huán)。模擬結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以將外輸液連續(xù)穩(wěn)定地加熱到59～62℃，能夠滿足原油外輸要求，太陽能利用率達(dá)到64%。該方案與傳統(tǒng)燃油加熱爐相比，每年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用46.9萬元，減少CO2排放量301t；與原加熱爐相比降低能耗78%；整套系統(tǒng)流程簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，節(jié)約人工費(fèi)和維修費(fèi)，節(jié)能減排效果良好。

太陽能；集熱；原油加熱；聯(lián)合供熱；模擬實(shí)驗(yàn)

在油氣集輸處理過程中需要耗費(fèi)大量的熱能，采用燃油爐、燃?xì)鉅t、電加熱等加熱輸送工藝不僅成本高，能耗大，而且對(duì)環(huán)境造成很大影響。隨著太陽能技術(shù)的發(fā)展和石化能源的短缺，人們逐漸關(guān)注用可再生能源替代傳統(tǒng)石化資源?？稍偕茉粗饕柑柲?、風(fēng)能、水能、海洋能等可重復(fù)利用的能源，具有清潔、環(huán)保的顯著特性，將其應(yīng)用于油氣田原油加熱過程潛力巨大。

我國(guó)太陽能資源儲(chǔ)量較為豐富，三分之二以上的國(guó)土面積年日照時(shí)數(shù)大于2000h。太陽能利用的方法主要有太陽能熱利用技術(shù)、熱力發(fā)電、光伏發(fā)電、光利用、海水淡化、干燥技術(shù)等。目前，太陽能集熱技術(shù)和光伏發(fā)電技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。油田利用太陽能加熱原油屬于中低溫區(qū)，因此利用太陽能集熱技術(shù)就可滿足要求。太陽能供熱受到夜晚、陰雨天等因素的影響，存在間歇性和不穩(wěn)定性，因此在原油加熱或開采過程中如何保證太陽能集熱系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定的工作是太陽能集熱技術(shù)在油田應(yīng)用的關(guān)鍵。

1　太陽能供熱方式應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1太陽能與傳統(tǒng)供熱方式聯(lián)合供熱

2004年7月，在遼河油田興56號(hào)采油站利用490m2太陽能集熱器為循環(huán)水加熱，實(shí)現(xiàn)了對(duì)原油的恒溫加熱，取得良好的節(jié)能效果。太陽能作為輔助加熱手段與傳統(tǒng)供熱方式（鍋爐、電加熱）聯(lián)合供熱在華北油田、勝利油田、大港油田、冀東（唐山）油田得到了應(yīng)用。江蘇油田天83-1拉油站、張鋪區(qū)塊拉油站、李堡集油站和莊13井都應(yīng)用了太陽能供熱。

太陽能與電加熱、鍋爐等傳統(tǒng)供熱方式聯(lián)合供熱其穩(wěn)定性和可靠性高，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單易行，且傳統(tǒng)供熱方式可作為太陽能供熱系統(tǒng)的補(bǔ)充和保障，可推廣實(shí)施。

1.2太陽能與熱泵聯(lián)合供熱

在油田中已有污水源熱泵、地源熱泵應(yīng)用于油氣田地面工程中加熱原油和供暖[1-3]，但是熱泵循環(huán)是以消耗一部分電能為代價(jià)實(shí)現(xiàn)從低溫?zé)嵩次諢崃?，?jīng)濟(jì)性較太陽能略差。因此，將太陽能與熱泵聯(lián)合供熱，可以克服各自的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)及清潔供熱。

太陽能系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)聯(lián)合供熱的原則是[4]：以熱泵系統(tǒng)為主要能源，太陽能系統(tǒng)為輔助熱源，在運(yùn)行控制上優(yōu)先采用太陽能，并加以充分利用。太陽能系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)聯(lián)合供熱方式有并聯(lián)和串聯(lián)兩種，各有優(yōu)缺點(diǎn)。并聯(lián)系統(tǒng)熱泵僅在太陽能供熱不足的情況下啟動(dòng)，需要有能夠產(chǎn)生高溫的熱泵及太陽能集熱器，系統(tǒng)穩(wěn)定性不高。串聯(lián)供熱系統(tǒng)中，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，但是耗電量大，經(jīng)濟(jì)效益略低于并聯(lián)系統(tǒng)。

需要注意的是，熱泵運(yùn)行需要穩(wěn)定的低溫?zé)嵩?，若采用空氣源熱泵時(shí)，對(duì)當(dāng)?shù)氐臍夂蛞筝^高；若采用水源熱泵時(shí)，需要有穩(wěn)定的水源。

2　太陽能、熱泵與儲(chǔ)熱聯(lián)合供熱系統(tǒng)

儲(chǔ)熱技術(shù)可提高太陽能資源的利用率。油田地面工程原油加熱是在中低溫區(qū)，水是儲(chǔ)熱介質(zhì)的最佳選擇。因此，將儲(chǔ)熱技術(shù)與太陽能、熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)相合，可實(shí)現(xiàn)最大程度地利用太陽能，減少熱泵耗電成本。

在分析研究太陽能與熱泵技術(shù)聯(lián)合供熱的基礎(chǔ)上，結(jié)合儲(chǔ)熱技術(shù)，提出了一種新型的供熱系統(tǒng)，其原理流程見圖1。以太陽能供熱系統(tǒng)為主，優(yōu)先利用太陽能。在太陽能光照豐富時(shí)，開啟太陽能集熱系統(tǒng)，加熱高溫儲(chǔ)熱罐中的水。高溫儲(chǔ)熱罐中的水通過自動(dòng)控制系統(tǒng)與低溫儲(chǔ)熱罐的水換熱（二者溫差大于設(shè)定值），以滿足低溫水罐中的水源作為水源熱泵熱源的穩(wěn)定性和溫度的要求。當(dāng)太陽能輻照強(qiáng)度不能滿足要求時(shí)（低溫儲(chǔ)熱罐中的溫度低于設(shè)定值），開啟地下水清水罐供熱系統(tǒng)，以滿足極端情況下的水源熱泵的熱源要求。該系統(tǒng)只要有太陽能輻射就通過儲(chǔ)熱罐進(jìn)行儲(chǔ)存，并通過兩個(gè)儲(chǔ)熱水罐間的換熱實(shí)現(xiàn)水溫控制，在提高太陽能利用率的同時(shí)增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，節(jié)能效果良好。

圖1　新型太陽能、熱泵與儲(chǔ)熱技術(shù)聯(lián)合供熱系統(tǒng)

以華東地區(qū)某接轉(zhuǎn)站為例，采用Transys軟件對(duì)該新型太陽能、熱泵與儲(chǔ)熱技術(shù)聯(lián)合供熱系統(tǒng)進(jìn)行了模擬。該接轉(zhuǎn)站加熱原油平均能耗為110kW，對(duì)接轉(zhuǎn)站有如下要求：①保證外輸溫度≥60℃；②低溫儲(chǔ)熱罐溫度40℃；③太陽能集熱器運(yùn)行溫度≤80℃；④熱泵熱源水溫度≤40℃。

當(dāng)?shù)蜏厮逌囟雀哂?5℃時(shí)，采用太陽能儲(chǔ)熱水罐作為水源熱泵低溫?zé)嵩?，?shí)現(xiàn)對(duì)原油的加熱；反之，啟動(dòng)清水罐供熱系統(tǒng)作為低溫?zé)嵩?；?dāng)高、低溫儲(chǔ)熱水罐溫度差高于5℃時(shí)，開啟罐間泵進(jìn)行熱水循環(huán)。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以將外輸液連續(xù)穩(wěn)定地加熱到59～62℃，能夠滿足原油外輸要求，太陽能供熱率達(dá)到64%。該方案與傳統(tǒng)燃油加熱爐相比，每年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用46.9萬元，減少CO2排放量301t；與原加熱爐相比降低能耗78%；整套系統(tǒng)流程簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，節(jié)約人工費(fèi)和維修費(fèi)。

若該站采用圖2所示的供熱方案，即白天環(huán)境溫度較高，由空氣源熱泵供熱，太陽能集熱儲(chǔ)存于儲(chǔ)熱水罐中，用于夜間供熱；夜間由儲(chǔ)熱水罐供熱，不足部分由空氣源熱泵提供。對(duì)該方案進(jìn)行Transys模擬，結(jié)果顯示該方案與傳統(tǒng)燃油加熱爐相比，每年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用35.22萬元，減少CO2排放量263t；與原加熱爐相比降低能耗62.5%。但是冬季空氣源熱泵效率較低，面臨結(jié)霜的風(fēng)險(xiǎn)，適應(yīng)范圍較小。

圖2　太陽能集熱器與高溫空氣源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)

綜上所述，新型太陽能集熱技術(shù)節(jié)能減排效果好，適應(yīng)范圍廣，運(yùn)行簡(jiǎn)單可靠，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

3　結(jié)論

（1）太陽能資源豐富，可就地開發(fā)，就地利用，無廢棄物產(chǎn)生，雖然具有不穩(wěn)定性、間歇性的特點(diǎn)，但與其他供熱方式結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)全天候供熱。

（2）太陽能在油田地面工程中的使用方式多種多樣，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況加以選擇。太陽能在與其他能源聯(lián)合供熱中，常規(guī)能源系統(tǒng)可靠性高，與熱泵技術(shù)的聯(lián)合供熱需要特定的自然資源條件。

（3）模擬結(jié)果顯示，新型太陽能、熱泵與儲(chǔ)熱技術(shù)聯(lián)合供熱系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全天候連續(xù)、穩(wěn)定供熱，太陽能利用率達(dá)到64%，整套系統(tǒng)流程簡(jiǎn)單可靠，穩(wěn)定性較高，節(jié)能減排效果良好。

[1]于海泉．熱泵技術(shù)在薩南油田的應(yīng)用[J]．油氣田地面工程，2006，25（3）：30.

[2]譚智．水源熱泵技術(shù)在油田注水系統(tǒng)應(yīng)用[J]．中外能源，2011 （16）：100-102.

[3]徐濤．地源熱泵加熱技術(shù)在張店油田的應(yīng)用[J]．油氣田地面工程，2009，28（3）：7-8.

[4]王學(xué)生，王爭(zhēng)昇，陳琴珠．新型太陽能聯(lián)合熱泵加熱輸送原油系統(tǒng)[J]．油氣田地面工程，2010，29（3）：55-56.

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（欄目主持樊韶華）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.12.033

黃輝：博士，高級(jí)工程師，2009年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）油田開發(fā)專業(yè)，現(xiàn)從事油氣田地面工程的規(guī)劃和研究工作。

2015-03-23