劉明 汪廬山 謝志勤

摘?要：隨著油田節(jié)能降耗的要求日益緊迫，采用小堆核能新能源技術(shù)制備滿足油田生產(chǎn)工藝要求的濕蒸汽可以顯著降低稠油熱采成本并降低污染物的排放，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)稠油熱采領(lǐng)域的新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換。結(jié)合稠油熱采的蒸汽參數(shù)需求對(duì)小堆制汽技術(shù)特點(diǎn)、制汽工藝參數(shù)和工藝經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：稠油熱采;小堆核能;制汽

隨著油田稠油傳統(tǒng)熱采技術(shù)和油田形式的發(fā)展，碳基化石燃料使得傳統(tǒng)稠油熱采技術(shù)能耗高、污染排放壓力大。隨著油田節(jié)能降耗的要求日益緊迫，需要采用成熟的小堆核能新能源技術(shù)顯著降低稠油熱采成本并降低污染物的排放，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)稠油熱采領(lǐng)域的新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換[1-2]。需要開(kāi)展符合熱采工藝參數(shù)的小堆核能熱交換系統(tǒng)技術(shù)可行性研究[3]。小型堆核能制蒸汽面臨的主要問(wèn)題有：小堆制熱方式、現(xiàn)場(chǎng)安全問(wèn)題、熱采工藝流程配套、熱采工藝參數(shù)匹配、經(jīng)濟(jì)可行性和使用壽命匹配性等。

1 稠油熱采的蒸汽參數(shù)需求

油田用汽分高端用汽（注入油井溫度300°C以上，壓力20MPa左右）和低端用汽（參數(shù)與常規(guī)壓水堆參數(shù)相當(dāng)）。稠油熱采利用過(guò)熱蒸汽最好，如果不行飽和蒸汽也可以接受;溫度：360°C，至少300°C以上;壓力：20Mpa最好，14-18Mpa范圍也能接受;質(zhì)量流量：按照每口井10t/h計(jì)算，最少要求能同時(shí)注3口井，能做到100-200t/h的流量更好;油井的注汽周期6個(gè)月，每次注入時(shí)間為10-15天，悶井時(shí)間3天;油井的壽命為30年。蒸汽先經(jīng)過(guò)地面管道，再到井下管道，這兩段管道的材質(zhì)不同，而且東西部油田的管道材質(zhì)也不一樣。井下管道：東部N80油田用油管;西部16Mn。東部的勝利油田和西部的克拉瑪依油田都有稠油熱采的蒸汽需求，東部又分陸地和海上兩種場(chǎng)景，西部的人口稀少油井多密度大，所以西部的需求更大。

2 小堆制汽技術(shù)特點(diǎn)

我國(guó)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展建設(shè)，已經(jīng)建立起了完整的核工業(yè)體系，為我國(guó)自主研發(fā)、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行小型堆核能系統(tǒng)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。隨著我國(guó)核動(dòng)力裝置運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累以及裝備制造工藝水平的不斷提高，已經(jīng)具備了一體化小型壓水堆實(shí)際應(yīng)用和工程設(shè)計(jì)的能力，如清華大學(xué)提出的低溫供熱堆、中核集團(tuán)提出了CAP100等都是比較典型的一體化小型輕水堆設(shè)計(jì)。目前我國(guó)在研究的小型堆無(wú)論從技術(shù)水平、核安全、換料周期、經(jīng)濟(jì)性來(lái)看都屬于世界先進(jìn)的技術(shù)。小型堆可以滿足多種用途的需要，可以通過(guò)設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行策略來(lái)降低投資和運(yùn)行成本，特別其在熱電聯(lián)供、非發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用可能會(huì)更有前景和競(jìng)爭(zhēng)力。

小型反應(yīng)堆由于采用一體化、非能動(dòng)安全和埋地等安全設(shè)計(jì)，相對(duì)于大型核反應(yīng)堆，小型堆核能系統(tǒng)具有廠址要求低、應(yīng)用靈活、核安全風(fēng)險(xiǎn)低、操控簡(jiǎn)單、建造周期短、一次性投資小等優(yōu)點(diǎn)[3]。小型堆核能系統(tǒng)的固有安全性超過(guò)現(xiàn)在大型堆。以目前廣泛采用的一體化小型壓水堆為例，其在安全性方面具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

a.取消了主冷卻系統(tǒng)內(nèi)大尺寸管道，從根本上消除威脅反應(yīng)堆安全的大破口失水事故，這是提高核反應(yīng)堆固有安全性的主要因素。

b.將反應(yīng)堆堆芯放置在壓力容器內(nèi)的底部偏上，壓力容器中下部不開(kāi)孔，確保在系統(tǒng)破口失水時(shí)壓力容器內(nèi)的堆芯處于被淹沒(méi)狀態(tài)。

c.在主冷卻劑系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用自然循環(huán)原理，堆芯衰變熱的排出既可以采用能動(dòng)余熱排出，還可采用非能動(dòng)余熱排出，同時(shí)也允許反應(yīng)堆采用自然循環(huán)功率運(yùn)行模式，提高運(yùn)行的安全性。

d.降低中子注量率，降低運(yùn)行期間裂變中子和射線對(duì)壓力容器材料的輻照脆化效應(yīng)，提高壓力容器的使用壽命。

e.采用改進(jìn)的耐高溫燃料和結(jié)構(gòu)材料，增加反應(yīng)堆安全裕量，使堆芯在無(wú)保護(hù)的瞬態(tài)超負(fù)荷過(guò)程中不受損壞。

f.簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減少不必要的閥門(mén)和管道，以提高安全性，減小投資和運(yùn)行成本。

g.采用先進(jìn)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，自動(dòng)化控制技術(shù)覆蓋整個(gè)運(yùn)行過(guò)程。

3 小堆核能制汽工藝參數(shù)

（1）高溫氣冷堆，可提供過(guò)熱蒸汽。蒸汽參數(shù)為給水15MPa/206℃，出口蒸汽14MPa/570℃。

（2）低溫供熱堆（3個(gè)回路），可提供飽和蒸汽。蒸汽發(fā)生器給水65℃，出口蒸汽1.15MPa/184℃。

（3）小型快堆，可提供過(guò)熱蒸汽。蒸發(fā)器出口蒸汽14MPa/480℃，與CFR600的參數(shù)相當(dāng)。

（4）小型壓水堆，可提供飽和蒸汽。一回路平均溫度303℃（出口溫度323℃）/15.0MPa。蒸汽發(fā)生器出口蒸汽290℃/4MPa。

另外，目前國(guó)內(nèi)在運(yùn)最多的M310核電機(jī)組，如嶺澳、方家山、紅沿河、福清1～4、田灣5～6等），以及在M310基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的華龍1號(hào)，其產(chǎn)生的蒸汽均為飽和蒸汽，出口蒸汽為6.8MPa/283℃。若合理進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)也可滿足稠油熱采的需求。

針對(duì)稠油熱采的蒸汽參數(shù)要求，目前國(guó)內(nèi)外成熟動(dòng)力堆型均可提供滿足要求的蒸汽品質(zhì)。但基于稠油熱采的蒸汽用量，經(jīng)分析認(rèn)為采用小型核動(dòng)力堆較合適。

4 結(jié)論

綜上所述，隨著油田稠油傳統(tǒng)熱采技術(shù)和油田形式的發(fā)展，碳基化石燃料使得傳統(tǒng)稠油熱采技術(shù)能耗高、污染排放壓力大。核能制汽綜合成本約為傳統(tǒng)注汽成本的一半，隨著油田節(jié)能降耗的要求日益緊迫，需要采用成熟的小堆核能新能源技術(shù)顯著降低稠油熱采成本并降低污染物的排放，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)稠油熱采領(lǐng)域的新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳月明.注蒸汽熱力采油[M].東營(yíng)：石油大學(xué)出版社，1996.

[2]劉慧卿，范玉平，趙東偉，等.熱力采油技術(shù)原理與方法[M].東營(yíng)：石油大學(xué)出版社，2000.

[3]陳文軍，姜?jiǎng)僖?中國(guó)發(fā)展小型堆核能系統(tǒng)的可行性研究.核動(dòng)力工程，2013（34）：153-155.

作者簡(jiǎn)介：劉明（1976-），男，漢族，河南商丘人，中國(guó)石油大學(xué)（華東）油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)碩研，西安交通大學(xué)能動(dòng)學(xué)院在職博士，高級(jí)工程師，主要從事稠油熱采工藝技術(shù)研究及應(yīng)用工作;汪廬山（1962-），男，博士，教授級(jí)高工，中石化勝利油田中石化高級(jí)專家;謝志勤（1966-），男，碩士，教授級(jí)高工。