侯啟東

大慶油田設(shè)計院有限公司

大慶油田是稀油油田耗氣大戶，油氣開發(fā)生產(chǎn)過程需要消耗大量的熱能，熱能主要由天然氣、原煤和原油燃燒供給。為降低油田生產(chǎn)生活化石熱源能耗、降低溫室氣體排放量，秉承綠色發(fā)展理念，持續(xù)推進(jìn)節(jié)能減排，光熱利用成為當(dāng)前油田清潔熱能替代的主要途徑，用熱溫度以中低溫為主[1]。2011年，美國GlassPoint公司與獨(dú)立石油生產(chǎn)商Berry 公司合作開發(fā)了太陽能光熱提高原油采收率（EOR）項目[2]，該項目是光熱技術(shù)在石油開發(fā)領(lǐng)域的全球首次嘗試。國外光熱制蒸汽用于稠油熱采于2013 年在全球首次嘗試，當(dāng)前已在美國、阿曼等地應(yīng)用，主要采用槽式及塔式聚光集熱系統(tǒng)[3]。2021年我國光熱利用集熱系統(tǒng)總銷量2 852×104m2。建筑供暖仍是市場的主要應(yīng)用形式[4]，占到光熱利用工程市場的90%左右。

目前，石油工業(yè)領(lǐng)域光熱未能大規(guī)模應(yīng)用，主要因為存在以下四大矛盾：①油田生產(chǎn)用熱場景多且復(fù)雜，熱能消耗高，光熱利用針對石油領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)體系不健全；②光熱系統(tǒng)占地面積大，而油田規(guī)?；捎猛恋刭Y源較少；③太陽能資源雖易得，但由于其供熱的不穩(wěn)定性和不連續(xù)性，導(dǎo)致光熱利用時率低；④光熱建設(shè)投資較高，而油田氣價低，油田光熱與市場上的光熱項目相比，經(jīng)濟(jì)效益性較差。因此，針對不同試驗場景用熱需求，結(jié)合各類集熱技術(shù)特點，通過對比集熱溫度、應(yīng)用環(huán)境、占地面積、單位投資等因素，因地制宜地優(yōu)選集熱技術(shù)，結(jié)合光熱利用時間節(jié)點及光熱可利用供熱的間歇性，優(yōu)選熱水站作為試驗場景，采用先進(jìn)、成熟、可靠的光熱集熱器代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃?xì)饧訜釥t，才能大幅度降低站場的燃?xì)庀?，減少碳排放，實現(xiàn)光熱在油田的大規(guī)模應(yīng)用。

1 太陽能集熱技術(shù)

太陽能集熱技術(shù)是光熱利用系統(tǒng)的核心技術(shù)，其效率和投資成本會影響到整個集熱系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟(jì)性，按其是否聚光這一最基本的特征來劃分，可以分為聚光和非聚光集熱技術(shù)兩大類[5]。聚光太陽集熱技術(shù)的集熱面積大于吸收太陽輻射能的吸熱面積，只能吸收利用太陽能的直接輻射能（DNI），主要設(shè)備由聚光器、吸收器和跟蹤系統(tǒng)三大部分組成，一般用于集熱溫度在100～1 500 ℃的中高溫?zé)崂孟到y(tǒng)中，集熱器類型以塔式、碟式、菲涅爾式和槽式為主（圖1）。非聚光太陽集熱技術(shù)的集熱面積與吸收太陽輻射能的吸熱面積相等，它能夠吸收利用太陽的直接輻射（DNI）和散射輻射能（DHI），無跟蹤裝置，一般用于集熱溫度在50～100 ℃的低溫?zé)崂孟到y(tǒng)中，集熱器類型以平板、玻璃管、熱管真空管為主[6]（圖2）。集熱技術(shù)優(yōu)化方向為提高太陽能量密度和追光跟蹤精度。

圖1 聚光型太陽能集熱器Fig.1 Concentrating solar collector

圖2 非聚光型太陽能集熱器Fig.2 Non-concentrating solar collector

1.1 提高太陽能能量密度

太陽能能量密度低，且因地因時而異，要想在有限時間均得更多的太陽能以支撐工業(yè)用熱，必須提高陽光聚合能力。聚光可增強(qiáng)輻射，提高能量密度，提高相同光照時間的得熱量[7]。聚光比指采光面積與吸收體的面積比，是衡量太陽能集熱技術(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)。當(dāng)前的平板、玻璃管集熱為非聚光技術(shù)；槽式及線性菲涅爾集熱技術(shù)為線性聚光技術(shù)，其聚光比不大于100；碟式和塔式集熱為點式聚光，聚光比可達(dá)到1 000。就集熱技術(shù)路線而言，聚光技術(shù)優(yōu)于非聚光技術(shù)，點聚光技術(shù)優(yōu)于線聚光技術(shù)。因此要想在相同的光照時間獲得更多的能量，應(yīng)優(yōu)選聚光比高的集熱技術(shù)。

1.2 提高追光跟蹤精度

太陽能跟蹤系統(tǒng)是指在太陽有效光照時間內(nèi)能使太陽光線始終垂直照射到（或更多地反射到）光線采集器的采集面上，使光線采集器在有效光照時間內(nèi)能最大限度地獲取太陽能的設(shè)備。當(dāng)前的跟蹤系統(tǒng)分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤，單軸跟蹤系統(tǒng)如大開口的槽式集熱器，南北布局，東西俯仰跟蹤；雙軸跟蹤系統(tǒng)主要有豎槽、碟式及塔式，除仰角變化之外，可360°旋轉(zhuǎn)跟蹤。跟蹤水平越高，余弦損失（由于太陽光入射方向與鏡面采光口法線方向不平行引起的接收能量減少）越小，太陽能利用率越高[8]，相比單軸固定式動態(tài)跟蹤，雙軸跟蹤系統(tǒng)可使采光時間增加2～3 h/d。

1.3 適用性分析

大慶油田屬于高寒地區(qū)，老區(qū)采油廠站庫周邊可利用土地不連續(xù)、較為零散，外圍采油廠站庫周邊可利用土地連續(xù)、較為集中。非聚光太陽集熱器散熱面積大，吸熱面上的熱流密度較低，熱效率不高，其集熱面積與散熱面積相同，聚光比低，吸熱器和蓋板之間對流散熱嚴(yán)重，尤其冬季的散熱量較大，不適宜在較高用熱溫度下使用，而適宜在低溫環(huán)境下小規(guī)模使用，例如井場、小型轉(zhuǎn)油站等。聚光太陽集熱器中的塔式和碟式集熱器為高溫點式聚焦集熱，聚光比相對線性高，多采用雙軸跟蹤的方式，控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。塔式集熱器適合大規(guī)模（100 MW）高溫條件下使用，初始投資大；碟式集熱器適合小規(guī)模（70 kW)、升溫迅速的條件下使用。油田用熱溫度以中低溫為主，塔式及碟式屬于高溫集熱，運(yùn)行溫度達(dá)到1 500 ℃，因此不在應(yīng)用范疇之列；槽式和菲涅爾式集熱器都屬于線性中高溫聚焦集熱，結(jié)構(gòu)相對簡單，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較高，但系統(tǒng)占地面積大，適宜中低溫條件下大規(guī)?；胁贾谩８鞣N太陽能集熱器的性能比較情況見表1。

表1 太陽能集熱器主要性能比較Tab.1 Main performance comparison of solar collectors

2 集熱系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2.1 集熱效率

太陽能集熱器效率即光熱轉(zhuǎn)換效率，是指在穩(wěn)態(tài)（準(zhǔn)態(tài)）條件下，太陽能集熱回路傳熱介質(zhì)在一定的時間內(nèi)獲得的熱量與集熱器同一時段內(nèi)接收的太陽輻照量之比。集熱效率越高，太陽能利用率越高。影響集熱效率的主要參數(shù)見表2，計算方法見公式（1）～公式（3）。

2.2 集熱面積

集熱面積是指太陽光投射到集熱器的最大有效面積。直接式集熱系統(tǒng)中，用熱介質(zhì)可直接通過太陽能集熱系統(tǒng)進(jìn)行升溫加熱，間接式集熱系統(tǒng)中，用熱介質(zhì)無法直接通過集熱系統(tǒng)加熱，需采用間接換熱的方式升溫加熱。影響集熱面積的主要參數(shù)見表3，計算方法見公式（4）～公式（5）。

表3 集熱面積符號和單位Tab.3 Symbols and units of heat-collecting area

直接式系統(tǒng)集熱器總面積為：

間接式系統(tǒng)集熱器總面積為：

2.3 集熱系統(tǒng)瞬時功率

由于太陽輻照強(qiáng)度和角度隨時間和地點的不同而變化，因此集熱系統(tǒng)的集熱功率也會隨著時間而變化。影響集熱瞬時功率的主要參數(shù)見表4，計算方法見公式（6）～（7）。

表4 集熱瞬時功率符號和單位Tab.4 Symbols and units of heat collection instantaneous power

3 試驗工程案例分析

3.1 試驗地點選擇

大慶油田原油具有“三高”的特點，油井需要定期用熱水熱洗清蠟。約26 000口油井需采用熱洗車白天拉運(yùn)熱水的活動熱洗方式進(jìn)行洗井作業(yè)。熱水站是油田為油井作業(yè)、熱洗等提供熱水而專門建設(shè)的生產(chǎn)輔助站場。

從運(yùn)行模式來看，因洗井作業(yè)時間均為白天，且用熱時段不連續(xù)，與光熱利用時間節(jié)點及光熱可利用供熱的間歇性高度吻合；從能源替代角度來看，熱水站主要能耗為燃?xì)饧訜釥t耗氣，存在可替代能源；從輔助熱源角度來看，熱水站存在已建燃?xì)饧訜釥t可作為輔助熱源；從儲熱設(shè)備方面來看，熱水站的已建熱水罐可作為熱能儲存設(shè)備。因此，選擇熱水站開展光熱試驗，創(chuàng)新油田站場光熱利用模式，較大程度地減少站場天然氣消耗，以實現(xiàn)節(jié)能降耗，減碳排放的目的。以某熱水站運(yùn)行情況為例，詳見表5。

表5 某熱水站運(yùn)行情況Tab.5 Operation status of a hot water station

3.2 集熱技術(shù)選擇

該熱水站為污水站濾后污水，為防止因太陽能集熱系統(tǒng)結(jié)垢堵塞而影響集熱器換熱效率和使用壽命，需采用間接換熱的模式。該熱水站周邊土地資源較好，站場周邊有一定規(guī)模的可利用閑置土地，結(jié)合當(dāng)前熱水站運(yùn)行現(xiàn)狀以及太陽能集熱技術(shù)適用性分析結(jié)果，熱水站光熱利用適宜采用類線性菲涅爾、豎槽、平板集熱技術(shù)。某熱水站全年用熱量為22 000 GJ，太陽能保證率f均為60%，替代得熱量為13 200 GJ。三種集熱技術(shù)比選結(jié)果見表6。

表6 集熱技術(shù)對比Tab.6 Comparison of heat collection technologies

由表6可知，從經(jīng)濟(jì)性角度分析，類線性菲涅爾式集熱技術(shù)的單位投資經(jīng)濟(jì)性最佳，其次為槽式，平板集熱技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較差。從技術(shù)可實施性角度分析，類線性菲涅爾集熱器及平板集熱器需連續(xù)整裝用地，對于場地要求較高，需連續(xù)集中大規(guī)模布置；豎槽集熱器現(xiàn)場布置應(yīng)用更為靈活，可采取分布式也可集中式布置，對于場地要求較低?？紤]到集熱半徑越大則熱損失越大，當(dāng)站場周邊有連續(xù)大規(guī)模用地時，推薦采用類線性菲涅爾集熱技術(shù)。

該熱水站周邊可利用土地12 000 m2，站南側(cè)7 000 m2的可利用土地連續(xù)集中，站北側(cè)5 000 m2的可利用土地零散分布。為提高土地利用率，因地制宜地采用豎槽雙軸+類線性菲涅爾集熱聯(lián)合供熱的模式，類線菲集熱器布置103 組，集熱面積約3 000 m2；豎槽雙軸集熱器布置22組，集熱面積約880 m2。

3.3 集熱系統(tǒng)供熱逐時分析

光照條件最優(yōu)日全天逐時太陽能加熱負(fù)荷曲線見圖3。

圖3 某熱水站光熱逐時加熱負(fù)荷曲線（最優(yōu)）Fig.3 Hour by hour photo-thermal heating load curve of a hot water station(optimum)

光照條件最差日全天逐時太陽能加熱負(fù)荷曲線見圖4。

圖4 某熱水站光熱逐時加熱負(fù)荷曲線（最差）Fig.4 Hour by hour photo-thermal heating load curve of a hot water station(worst)

光照條件年平均日全天逐時太陽能加熱負(fù)荷曲線見圖5。

圖5 某熱水站光熱逐時加熱負(fù)荷曲線（年平均）Fig.5 Hour by hour photo-thermal heating load curve of a hot water station(annual mean)

由圖3、圖4 和圖5 可知：在光照條件最優(yōu)日，全天太陽能集熱功率大于逐時用熱功率，燃?xì)饧訜釥t不需開啟即可滿足全天用熱需求；在光照條件平均日及最差日，全天太陽能集熱功率不滿足逐時用熱功率需要，加熱爐需定時開啟補(bǔ)充剩余用熱負(fù)荷。

某熱水站在光熱利用改造后，節(jié)約天然氣51.10×104m3/a（0 ℃，1 atm），減少CO2排放量1 107.3 t/a。

4 結(jié)論

（1）集熱系統(tǒng)通過提高聚光比、增強(qiáng)能量密度，能夠增加光熱轉(zhuǎn)換效率，減少集熱器回路陣列，降低了系統(tǒng)功耗、降低運(yùn)維成本。聚光技術(shù)優(yōu)于非聚光技術(shù)，點聚光技術(shù)優(yōu)于線聚光技術(shù)。

（2）集熱系統(tǒng)通過提高追蹤系統(tǒng)精度，能夠減少余弦損失、增加集熱效率，提高太陽能利用率。雙軸追蹤系統(tǒng)優(yōu)于單軸追蹤系統(tǒng)。

（3）大慶油田光熱利用主要以中低溫?zé)崮芾脼橹?，需結(jié)合具體應(yīng)用場景（土地資源、用熱溫度、運(yùn)行模式、投資構(gòu)成）優(yōu)選適宜的集熱技術(shù)。分布式小規(guī)模應(yīng)用推薦采用平板、豎槽集熱技術(shù)；集中式大規(guī)模應(yīng)用推薦采用類線菲集熱技術(shù)。

（4）以集熱系統(tǒng)供熱的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)原理，熱水站為試驗應(yīng)用場景，從技術(shù)可實施性角度分析，平板集熱器冬季散熱量較大，不適宜較高用熱溫度下使用；線性菲涅爾集熱器需連續(xù)整裝用地，對于場地要求較高，需連續(xù)集中大規(guī)模布置；豎槽集熱器現(xiàn)場布置應(yīng)用更為靈活，可采取分布式也可集中式布置，對于場地要求較低。從經(jīng)濟(jì)性角度分析，類線性菲涅爾集熱技術(shù)的單位投資經(jīng)濟(jì)性最佳，其次為槽式，平板集熱技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較差。