太陽能集熱技術(shù)在油田井組集輸系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗分析

楊會豐 常振武 王林平 魏立軍 袁秀杰

（1.長慶油田分公司油氣工藝研究院；2.長慶油田分公司質(zhì)量管理與節(jié)能處3.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室；4.長慶油田第一采油廠）

太陽能集熱技術(shù)在油田井組集輸系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗分析

楊會豐1,3常振武2王林平1,3魏立軍1,3袁秀杰4

（1.長慶油田分公司油氣工藝研究院；2.長慶油田分公司質(zhì)量管理與節(jié)能處3.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室；4.長慶油田第一采油廠）

受冬季氣溫低和原油品質(zhì)的影響，長慶油田原油的黏度大，流動性差，在輸送過程中需要加熱與保溫。長慶油田具有豐富的太陽能資源，通過開展太陽能集熱技術(shù)應(yīng)用研究和自主研發(fā)自動控制技術(shù)，建立了橇裝式太陽能輔助原油加熱裝置。效果測試表明，橇裝式太陽能輔助原油加熱裝置應(yīng)用有效保證了原油外輸溫度維持在44～53℃，杜絕了油井結(jié)蠟造成管線運行不暢及凍堵現(xiàn)象的發(fā)生。太陽能解決了系統(tǒng)總熱量需求的65%，年節(jié)約費用11.5×104元，實現(xiàn)了井組原油全年持續(xù)加熱。

原油外輸 太陽能集熱 井組加熱 降回壓

長慶油田主要探區(qū)位于中國西北陜甘寧盆地，生產(chǎn)區(qū)域位于黃土高原，地形復(fù)雜，產(chǎn)出原油主要通過1～2 km長的單井管線匯集到各個增壓點站再集中外輸。由于受冬季氣溫低和原油品質(zhì)的影響，原油中的蠟質(zhì)、膠質(zhì)物質(zhì)在低溫下會發(fā)生凝固或凝結(jié)，使原油的黏度增大，流動性變差，造成單井輸油管線結(jié)蠟堵塞；管線堵塞會使油井井口回壓升高，抽油機負荷增大，嚴重影響原油產(chǎn)量并增加電機能耗；而解堵藥劑的添加和定期采用物理方法掃線，不僅增加了材料和施工成本，而且增加了工作量。為了保證產(chǎn)區(qū)內(nèi)原油的正常生產(chǎn)和輸送，在輸送過程中必須對原油進行加熱與保溫。

目前，在井場原油生產(chǎn)輸送過程中，在冬季使用燃燒煤、油、伴生氣或電加熱等常規(guī)方法對原油進行加熱，造成大量的能源消耗和二氧化碳排放，在增大生產(chǎn)成本的同時也為生產(chǎn)安全管理增加了負擔(dān)。

針對長慶油田探區(qū)的區(qū)域特點，結(jié)合國內(nèi)外已有的關(guān)于原油加熱方法的探索性研究以及近年來國際節(jié)能領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展成果[1,2]，提出了井組太陽能原油輔助加熱節(jié)能技術(shù)，這項技術(shù)把太陽能引入到油田開發(fā)和生產(chǎn)過程中，建立了一種橇裝式太陽能輔助原油加熱裝置。

1 太陽能集熱技術(shù)應(yīng)用研究

1.1 系統(tǒng)組成

橇裝式太陽能輔助原油加熱裝置由內(nèi)置換熱盤管保溫水箱、系統(tǒng)控制柜、循環(huán)泵組、無機超導(dǎo)熱管集熱器陣列、熱水循環(huán)管道，以及遠程控制系統(tǒng)構(gòu)成（圖1）。

為了便于現(xiàn)場安裝和檢修，橇裝式太陽能輔助原油加熱裝置采用了獨特的橇裝式設(shè)計，將內(nèi)置換熱盤管保溫水箱、控制柜、循環(huán)泵組集成為一個標(biāo)準橇裝結(jié)構(gòu)，每個橇裝單元對應(yīng)日產(chǎn)30 m3以內(nèi)的輸油管線，橇裝部分在現(xiàn)場可一次吊裝安放完成。為了增加設(shè)備運行的穩(wěn)定性以適應(yīng)設(shè)備分部區(qū)域廣泛和現(xiàn)場的惡劣條件，為便于對設(shè)備運行情況的實時監(jiān)控，系統(tǒng)采用基于組態(tài)軟件和GPRS網(wǎng)絡(luò)的遠程控制系統(tǒng)，維護人員能及時了解設(shè)備運行狀況并處理設(shè)備的故障及報警信息，同時滿足數(shù)字化油田對設(shè)備的要求。無機超導(dǎo)熱管的采用避免了常規(guī)集熱管破裂造成系統(tǒng)癱瘓的現(xiàn)象產(chǎn)生，也將集熱系統(tǒng)壽命延長至10～15年。

1.2 工作原理

該裝置采用強制集熱循環(huán)方法將太陽能量以熱水方式保存至集熱水箱，通過水箱內(nèi)部的原油換熱盤管實現(xiàn)對外輸原油的加熱。通過設(shè)置水箱溫度，使原油輸送溫度保持在一定溫度范圍。

控制系統(tǒng)為遠程PLC控制系統(tǒng)，具備手動和自動兩種控制方式，并可通過GPRS和以太網(wǎng)口同時實現(xiàn)遠程有線及無線網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)控，具體工作原理如下：

1）加熱功能。系統(tǒng)配備電加熱，當(dāng)水箱溫度低于定溫值時啟動，可在陰天和夜間保持水箱溫度，持續(xù)對原油加熱。

2）集熱循環(huán)功能。在自動狀態(tài)下，集熱器溫度和水箱溫度的差值大于系統(tǒng)規(guī)定值，則開啟循環(huán)泵集熱，將水箱內(nèi)的低溫水循環(huán)至集熱器加熱后返回水箱。當(dāng)集熱器溫度和水箱溫度的差值小于系統(tǒng)規(guī)定值，表明集熱器無法進行加熱，則關(guān)閉循環(huán)泵。集熱循環(huán)可將太陽產(chǎn)生的熱量儲存于保溫水箱用于原油加溫。

3）系統(tǒng)自檢及報警保護功能。系統(tǒng)運行過程中對各個傳感器及設(shè)備運行狀態(tài)進行自檢，及時發(fā)出報警信息。報警類型包括傳感器故障報警、低溫報警、過熱報警、低水位報警、泵故障報警。報警信息通過控制柜聲光報警和觸摸屏頁面提示蜂鳴器報警，并以短信形式通知設(shè)備管理人員。關(guān)鍵設(shè)備發(fā)生故障后系統(tǒng)在發(fā)出報警信息的同時自動切換模式啟動保障系統(tǒng)運行，特殊情況下維護人員可遠程手動控制設(shè)備，保證系統(tǒng)異常得到及時處理。

4）遠程控制系統(tǒng)原理。遠程控制系統(tǒng)是為實現(xiàn)裝置的異地遠程監(jiān)控、實時數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場無人值守而建立的適合油田野外環(huán)境的高集成、高穩(wěn)定的自動化控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)由工控機/服務(wù)器、PLC、供配電設(shè)備、智能儀器儀表及執(zhí)行器、無線傳輸系統(tǒng)、無線事件通知（短信發(fā)生器）等部分組成，采用彩色觸摸屏操作界面，GPRS/以太網(wǎng)遠程監(jiān)控，實時動態(tài)顯示和控制整個生產(chǎn)工藝過程。全部控制元器件采用標(biāo)準工業(yè)元器件集成，抗干擾性強，硬件設(shè)備具備溫度保護功能，可在零下40℃低溫環(huán)境中穩(wěn)定運行?，F(xiàn)場操作簡便，運行穩(wěn)定。整個系統(tǒng)采用多路冗余設(shè)計，參數(shù)設(shè)置詳盡靈活，可最大發(fā)揮系統(tǒng)能效。

終端服務(wù)器采用目前先進的組態(tài)軟件，可同時監(jiān)控256套裝置，具備精美的工藝流程畫面、完善的工藝參數(shù)分析、交互式報表、故障診斷與恢復(fù)，全方位監(jiān)控過程，實現(xiàn)了過程參數(shù)的穩(wěn)定化控制。

2 現(xiàn)場試驗

試驗選址位于采油三廠XX井組，井場海拔1818 m，場內(nèi)共有采油井4口，停產(chǎn)3口，其中一口生產(chǎn)井管輸結(jié)蠟嚴重，日產(chǎn)液15 m3，含水70%，油井產(chǎn)油通過輸油管道輸送，為保持原油外輸配置60 kW電磁加熱器1套，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，冬季電磁加熱器全功率運行不間斷使用，可將原油加溫至40～50℃后外輸，耗電量大。

橇裝式太陽能輔助原油加熱裝置配置2100 mm×60 mm無機超導(dǎo)集熱管576支，理論上單日冬季集熱能力為1135 MJ，為確保系統(tǒng)在最不利天氣狀態(tài)下的日產(chǎn)熱能力，采用了12 kW×3組（1備2用）輔助電加熱。

圖2、圖3分別為橇裝式儲熱換熱水箱和太陽能加熱系統(tǒng)。

3 效益分析

太陽能加熱系統(tǒng)自2010年10月運行起，有效保證了原油外輸溫度維持在44～53℃，杜絕了油井結(jié)蠟造成管線運行不暢及凍堵現(xiàn)象發(fā)生。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，往年冬季該井場采用60 kW電磁加熱器全功率運行不間斷使用，可將原油加溫至40～50℃后外輸，單日耗電量1464 kWh。

因換熱方式不同，在使用本系統(tǒng)的情況下，原油升溫30℃外輸所需功率為20～24 kW，其中65%的能耗由集熱陣列提供，每日能耗應(yīng)為375 kWh，單日節(jié)能1089 kWh，按照1 kWh 0.6元計算，單日節(jié)約電費653元，冬季5個月節(jié)約98000元；春秋季2個月每日節(jié)能470 kWh，日節(jié)約電費282元，共16920元。相比原來的加熱方式，本系統(tǒng)全年可直接節(jié)約電費支出11.5×104元。

4 結(jié)論

太陽能加熱系統(tǒng)在低成本條件下實現(xiàn)了對井組外輸原油的全年持續(xù)加熱，設(shè)備運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了異地遠程監(jiān)控、實時數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場無人執(zhí)守，是適應(yīng)油田野外環(huán)境應(yīng)用的高集成、高穩(wěn)定性系統(tǒng)。

太陽能集熱技術(shù)的應(yīng)用是油田降低能源消耗、提高經(jīng)濟效益的可行性舉措，為長慶油田低碳綠色發(fā)展開辟了一條新途徑。

[1]范玉平.太陽能節(jié)能技術(shù)在油田的應(yīng)用[J].石油天然氣學(xué)報,2005.27（3）:568-569

[2]賈慶仲.太陽能在石油輸送中的應(yīng)用研究[J].太陽能學(xué)報,2004,25（4）:483-487.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.02.018

楊會豐，2008年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京），工程師，碩士研究生，主要從事油田節(jié)能工作，E-mail：yanghf_cq@petrochina.com.cn，地址：陜西省西安市未央?yún)^(qū)明光路長慶油田油氣工藝研究院節(jié)能室，710021。

2011-11-02)