趙德銀　趙毅　邱海峰　崔偉（中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司）

太陽(yáng)能熱電一體化技術(shù)在偏遠(yuǎn)單井的應(yīng)用

趙德銀趙毅邱海峰崔偉（中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司）

摘要：西北油田分公司塔河油田地處沙漠戈壁地區(qū)，日照時(shí)間長(zhǎng)，太陽(yáng)能利用潛能巨大，該區(qū)域偏遠(yuǎn)單井電纜、燃?xì)夤芫€等配套建設(shè)成本高。因此，在偏遠(yuǎn)單井引進(jìn)了太陽(yáng)能熱電一體化技術(shù)，該技術(shù)是對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電和太陽(yáng)能加熱原油技術(shù)的綜合利用，以解決單井用電及原油加熱問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，4—10月期間采用太陽(yáng)能熱電一體化技術(shù)，11月至次年3月在采用太陽(yáng)能熱電一體化技術(shù)基礎(chǔ)上，適量補(bǔ)充柴油發(fā)電和伴生氣加熱原油2部分能量，可滿(mǎn)足井場(chǎng)用電和原油加熱的用能需求。該應(yīng)用每年可節(jié)約運(yùn)行成本34.1萬(wàn)元，減少CO2排放24.31 t，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

關(guān)鍵詞：偏遠(yuǎn)單井；太陽(yáng)能；熱電一體化；應(yīng)用

1　引言

研究表明，新疆太陽(yáng)能資源尤為豐富，年日照時(shí)數(shù)為2550～3500 h，比我國(guó)同緯度地區(qū)高5%～ 10%，比長(zhǎng)江中下游地區(qū)高15%～25%[1]。西北油田分公司塔河油田地處新疆南部沙漠戈壁地區(qū)，太陽(yáng)能利用潛能巨大。偏遠(yuǎn)單井通常采用拉油流程，地面原油通過(guò)裝車(chē)泵裝車(chē)，需人工值守，在黏度較大的稠油井需對(duì)原油加熱；因此，在地面建設(shè)中需配套電纜、燃?xì)夤芫€，建設(shè)周期長(zhǎng)、投資大。西北油田分公司選取了典型偏遠(yuǎn)單井應(yīng)用太陽(yáng)能熱電一體化技術(shù)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況表明，采用太陽(yáng)能熱電一體化技術(shù)可以有效地解決偏遠(yuǎn)單井供電和原油加熱問(wèn)題，為國(guó)內(nèi)其它油田偏遠(yuǎn)單井太陽(yáng)能綜合利用提供借鑒。

2　太陽(yáng)能熱電一體化技術(shù)應(yīng)用情況

示范單井（E101井）距最近的接轉(zhuǎn)站18 km。E101井平均產(chǎn)液50 t/d，產(chǎn)氣70 m3/d，黏度為1378 mm2/s，含蠟量為9.38%。單井采用拉油流程，由于原油含蠟量較高，黏度較大，為保障采出液在井口以及拉運(yùn)過(guò)程保持較好的流動(dòng)性和減少結(jié)蠟，春、秋、冬季需保持原油溫度大于45℃，夏季保持原油溫度大于35℃。

2.1太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)應(yīng)用

2.1.1單井用電情況

E101井用電主要包括生活和生產(chǎn)用電量2部分，最大功率不超過(guò)23 kW。示范井場(chǎng)用電負(fù)荷明細(xì)，見(jiàn)表1。

表1　示范井場(chǎng)用電負(fù)荷

2.1.2井場(chǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

E101井場(chǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由多晶硅電池板陣列、3臺(tái)并網(wǎng)逆變器、6臺(tái)雙向逆變器、15 kW柴油發(fā)電機(jī)、并聯(lián)控制器、蓄電池組、通訊監(jiān)控系統(tǒng)等組成，設(shè)計(jì)總?cè)萘繛?1.4 kWp，光伏發(fā)電系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)框架，見(jiàn)圖1。

光伏陣列主要將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)為電能。每個(gè)陣列由20塊多晶硅電池板組成，電池板功率為230 Wp，整個(gè)系統(tǒng)共180塊，合計(jì)41.4 kWp。并網(wǎng)逆變器主要將多晶硅電池板陣列產(chǎn)生直流電源轉(zhuǎn)變?yōu)?80/ 220 V的交流電源。雙向逆變器主要是當(dāng)蓄電池組需充電時(shí)將交流電源轉(zhuǎn)化為直流電源，當(dāng)蓄電池組需放電時(shí)可將直流電源轉(zhuǎn)化為交流電源。并聯(lián)控制器主要作用為檢測(cè)并自動(dòng)控制多晶硅電池板、蓄電池組、柴油發(fā)電機(jī)等各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到為負(fù)載提供可靠電源的目的。柴油發(fā)電機(jī)主要為冬季或非常規(guī)天氣光照條件不足時(shí)作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的補(bǔ)充備用電源。蓄電池組主要作用為儲(chǔ)存太陽(yáng)能發(fā)電的電能可隨時(shí)向負(fù)載供電，系統(tǒng)共建2組50 V、5000 Ah蓄電池組，總裝機(jī)容量為10 000 Ah。通訊監(jiān)控系統(tǒng)主要將系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳至管理中心或?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程遙控功能。

圖1　光伏發(fā)電主要結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.3現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

E101井光伏發(fā)電系統(tǒng)自2014年4月正式投運(yùn)，4—10月份期間，光伏發(fā)電電量能夠滿(mǎn)足井場(chǎng)用電負(fù)荷需求，11月至次年3月期間需使用柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電補(bǔ)充光伏發(fā)電不足。光伏發(fā)電應(yīng)用情況，見(jiàn)圖2、圖3。

圖2　E101井光伏發(fā)電應(yīng)用情況

由圖3可知，在4—10月份期間，由于日照時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，環(huán)境溫度較高，光伏發(fā)電系統(tǒng)除滿(mǎn)足當(dāng)日需求外，還能補(bǔ)給受沙塵暴、陰雨天帶來(lái)的影響，7—9月可滿(mǎn)足后續(xù)供電高達(dá)50 h以上。

2.2太陽(yáng)能加熱原油技術(shù)

2.2.1工作原理

目前，聚光型太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)主要有槽式塔式、蝶式、菲涅爾式。由于菲涅爾式迎風(fēng)面小，抗風(fēng)沙能力強(qiáng)，更適合戈壁地區(qū)，因此選用菲涅爾式集熱器[2]。E101原油加熱采用天然氣加熱與太陽(yáng)能加熱相結(jié)合的方式，其主要原理（圖4）是通過(guò)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)將導(dǎo)熱油加熱，加熱后的導(dǎo)熱油通過(guò)換熱器與原油換熱，換熱后的原油進(jìn)入高架罐儲(chǔ)存。當(dāng)夜間、陰雨天或冬季導(dǎo)熱油溫度不高時(shí)開(kāi)啟燃?xì)饧訜釥t，補(bǔ)充熱量，以達(dá)到節(jié)約天然氣的目的；當(dāng)導(dǎo)熱油熱量富裕量較多時(shí)，部分導(dǎo)熱油進(jìn)入導(dǎo)熱油儲(chǔ)油器，供夜間使用。

圖3　光伏發(fā)電次日持續(xù)時(shí)間

圖4　導(dǎo)熱油加熱原油工藝原理圖

2.2.2太陽(yáng)能加熱原油系統(tǒng)設(shè)計(jì)

原油加熱所需熱量計(jì)算如下：

式中：Q——每日加熱單井混合物所需總熱量，kJ；

MO、MW、MQ——原油、水、天然氣的日均

產(chǎn)量，t/d；

CO、CW、CQ——原油、水、天然氣比熱容，

J /(kg·℃)。

太陽(yáng)能集熱面積計(jì)算（表2）如下：

式中：Q——每月日均加熱所需總能量，kJ；

M——每月日均加熱所需太陽(yáng)能集熱面積，m2；

QSM——每月日均當(dāng)?shù)靥?yáng)能每平米輻照量，

kJ/m2；

ηT——線性菲涅爾式太陽(yáng)能集熱器光熱轉(zhuǎn)換效

率，取0.5；

ηE——換熱器效率，取0.85；

?——管路損失，取0.1。

由表2可知，不同季節(jié)所需太陽(yáng)能集熱面積差異較大，其范圍為159～955 m2，結(jié)合投資和熱量需求綜合考慮，E101井安裝太陽(yáng)能集熱面積為500 m2。

表2　日均太陽(yáng)能集熱面積計(jì)算表

2.2.3現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

2014年4月，該技術(shù)在西北油田分公司示范單井運(yùn)行。4—10月期間僅依靠太陽(yáng)能滿(mǎn)足加熱需求；11月至次年3月，依靠單井生產(chǎn)伴生氣作為單井燃料氣，滿(mǎn)足原油加熱要求。太陽(yáng)能加熱原油系統(tǒng)運(yùn)行情況，見(jiàn)表3。

表3　太陽(yáng)能加熱單井加熱原油運(yùn)行情況

3　效益分析

3.1經(jīng)濟(jì)效益

光伏發(fā)電年發(fā)電量為56 280 kWh，柴油機(jī)發(fā)電成本按3元/kWh計(jì)算，可節(jié)約發(fā)電費(fèi)用16.9萬(wàn)元/ a；柴油發(fā)電機(jī)由30 kW改為15 kW，減少柴油機(jī)租賃費(fèi)用10萬(wàn)元/a，即采用光伏發(fā)電可節(jié)約26.9萬(wàn)元/a。

采用太陽(yáng)能加熱原油可節(jié)約天然氣量為

式中：N——太陽(yáng)能加熱原油可節(jié)約天然氣量（標(biāo)

況），m3/a；

ΔQsave——太陽(yáng)能年節(jié)約能量，MJ/a；

AC——系統(tǒng)太陽(yáng)能集熱面積，m2；

JT——當(dāng)?shù)氐哪攴ㄏ嘀鄙漭椪樟?，MJ/m2；

ηcd——集熱器年均集熱效率，%；

ηc——管路損失率，%；

qL——單位體積天然氣產(chǎn)生的有效能量，MJ/m3。

式（3）中，AC=500 m2，JT=6000 MJ/m2，ηc=0.1，ηcd=0.5，換熱效率為85%，年節(jié)約天然氣量為6×104m3。天然氣價(jià)格為1.2元/m3，可增加效益7.2萬(wàn)元。

3.2環(huán)境效益

根據(jù)相關(guān)資料，1 L柴油約發(fā)電9.98 kWh，1 kg柴油完全燃燒排放CO2質(zhì)量為3.19 kg[3]。由于光伏發(fā)電可節(jié)約電量為56 280 kWh/a，節(jié)約柴油約為5639 L，即可減少CO2排放12 952 kg/a。按1 m3天然氣燃燒產(chǎn)生1.8 kg CO2計(jì)算[4]，節(jié)約天然氣6×104m3，可減少CO2排放11 280 kg/a。因此，E101井采用太陽(yáng)能熱電一體化技術(shù)每年可產(chǎn)生效益34.1萬(wàn)元，減少CO2排放24.31 t。

3.3投資回收期分析

E101井太陽(yáng)能熱電一體化裝置總投資為300萬(wàn)元，按目前效益為34.1萬(wàn)元/a計(jì)算，投資回收期約為8.8年。雖目前投資回收期較長(zhǎng)，但隨著該技術(shù)的推廣，設(shè)備批量生產(chǎn)后，建設(shè)成本將進(jìn)一步降低。若推廣至接轉(zhuǎn)站，替代功率更大的加熱爐，效益將進(jìn)一步提高。

4　結(jié)論

太陽(yáng)能熱電一體化技術(shù)可有效解決偏遠(yuǎn)單井用電、原油加熱難題，且具有較好的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益。該技術(shù)為分公司油田或國(guó)內(nèi)其它油田偏遠(yuǎn)單井地面配套建設(shè)提供參考，促進(jìn)綠色油田建設(shè)。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯賈洪來(lái)）

DOI:10.3969/j.issn.2095-1493.2016.01.017

第一作者簡(jiǎn)介：趙德銀，工程師，2012年畢業(yè)于西南石油大學(xué)（化學(xué)工藝專(zhuān)業(yè)），從事油氣集輸處理技術(shù)研究工作，E-mail：251132670@qq. com，地址：新疆烏魯木齊市長(zhǎng)春南路466號(hào)西北石油局石油工程技術(shù)研究院，830011。

收稿日期2015-11-11