太陽能-熱泵復(fù)合加熱技術(shù)在采油三廠的應(yīng)用探討

楊孝剛 王寶明 邢磊 牛金玲 樊曉慶 鄧海林 韓軍 強(qiáng)利東

（1.長慶油田第三采油廠；2.長慶油田第四采油廠）

1 概況

1.1 資源狀況

長慶油氣區(qū)地處黃土高原和毛烏素沙漠，太陽能年輻射總量大于5 020 MJ/m2，年日照時數(shù)在

2 560 h 以上，具備開發(fā)利用的客觀條件。

為了積極響應(yīng)國家關(guān)于節(jié)能減排的倡導(dǎo)和要求，針對采油三廠探區(qū)的區(qū)域特點，結(jié)合現(xiàn)階段國內(nèi)外在清潔能源和節(jié)能技術(shù)的發(fā)展成果，在油田產(chǎn)液加熱環(huán)節(jié)試驗了太陽能-熱泵復(fù)合加熱技術(shù)，并在現(xiàn)場進(jìn)行了設(shè)備的運行測試，初步驗證了設(shè)備運行的可靠性，實現(xiàn)了產(chǎn)液加熱環(huán)節(jié)集約化管理和節(jié)能降耗的設(shè)計目標(biāo)，為節(jié)能技術(shù)的進(jìn)一步擴(kuò)大運用取得了經(jīng)驗。

1.2 井組原油集輸現(xiàn)狀

長慶油田采油三廠生產(chǎn)區(qū)域主要位于黃土高原，原油生產(chǎn)輸送主要依托單井管線匯集到增壓點站至接轉(zhuǎn)站集中外輸，原油脫水溫度為45 ℃，輸送溫度25～60 ℃，目前井口產(chǎn)液綜合含水50%左右，且有逐年遞增的趨勢。由于受氣候因素及原油品質(zhì)的影響，在低溫輸送時會發(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，影響輸送效率，且管線堵塞會使油井井日回壓升高，抽油機(jī)負(fù)荷，為了保證原油的正常生產(chǎn)和輸送，在輸送過程中必須對原油進(jìn)行加熱與保溫，長期以來原油集輸主要采取加熱爐燃燒伴生氣、煤等方式加熱提升輸送效率。但受燃燒條件的影響，傳統(tǒng)加熱方式因為燃燒不充分影響加熱效果，造成能源浪費和環(huán)境污染，且安全隱患較大。同時，可用于產(chǎn)液加熱的低成本的伴生氣卻逐年減少，能耗缺口只能依靠燃煤、燃油和電能進(jìn)行補(bǔ)充，使加熱成本大幅提高。

原油加熱依靠的設(shè)備為燃煤鍋爐、燃油鍋爐、燃?xì)忮仩t、伴生氣簡易加熱爐和電磁加熱器。據(jù)不完全統(tǒng)計采油三廠原油加熱生產(chǎn)環(huán)節(jié)每年消耗散燒原煤5 948.37 t、原油25 284 t、天然氣3 835.45×104m3、耗電量約38 456.3×104kWh。

2 太陽能-熱泵技術(shù)應(yīng)用研究

2.1 太陽能-熱泵原油加熱系統(tǒng)功能簡介

2.1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

油田在用原油太陽能-熱泵復(fù)合加熱裝置通常由保溫?fù)Q熱水箱、遠(yuǎn)程控制柜、循環(huán)泵組、超低溫空氣源熱泵模塊/水源熱泵模塊和可選安裝的太陽能金屬熱管集熱器、連接管道構(gòu)成，具體構(gòu)成見圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

該裝置可根據(jù)安裝場站的實際條件進(jìn)行配置選型，一般需要考慮的因素有總熱負(fù)荷、可利用面積和朝向、有無可利用的回注水和現(xiàn)場供電條件，根據(jù)不同的工況可選擇采用空氣源熱泵、水源熱泵并確定太陽能的集熱面積，裝置運行后，優(yōu)先使用太陽能，當(dāng)太陽能能量不足時啟動熱泵進(jìn)行加熱，滿足總熱負(fù)荷的需要。

為了提高節(jié)能率，降低成本和排放，在太陽能加熱系統(tǒng)中增加了熱泵技術(shù)，進(jìn)一步減少了常規(guī)能源的消耗。熱泵技術(shù)是根據(jù)熱力學(xué)第二定律，通過使用壓縮機(jī)將環(huán)境空氣或水中的低品位能量提升至高品位能量并輸出的技術(shù)，其過程中需要消耗一定的電能（圖2）。熱泵裝置從低溫?zé)嵩矗ㄈ?0 ℃的空氣或水）吸收熱量，吸收到的熱量連同壓縮機(jī)消耗的電能一起被輸出成為可用的高溫?zé)崮埽ㄈ?5 ℃）。熱泵裝置輸出的熱量與消耗的電能的比值稱為熱泵的能效比或性能系數(shù)或效率（COP），比如一臺熱泵在某個工況的COP 為4.5，則每消耗1 kWh 的電能該熱泵可以產(chǎn)生4.5 kWh 的熱能[1-4]。

2.1.2 遠(yuǎn)傳控制系統(tǒng)

太陽能-熱泵原油加熱系統(tǒng)遠(yuǎn)傳控制系統(tǒng)由PLC 控制柜、DTU（數(shù)據(jù)傳輸單元）、組態(tài)軟件、終端服務(wù)器構(gòu)成（圖3）。太陽能-熱泵原油加熱系統(tǒng)通過裝置異地遠(yuǎn)程監(jiān)控、實時數(shù)據(jù)在線采集，確保了設(shè)備現(xiàn)場無人值守、實時數(shù)據(jù)在線監(jiān)控，形成了適合油田野外生產(chǎn)要求的集成、穩(wěn)定的自動化控制系統(tǒng)。

2017年、2018年抽穗期均遇持續(xù)1個月高溫，該組合結(jié)實率均在80%以上，抗高溫性好。2017年9月后，長時間陰雨，其他品種均有倒伏，而該組合未發(fā)生倒伏，抗倒伏性強(qiáng)。

圖2 空氣熱泵技術(shù)原理

圖3 裝置遠(yuǎn)程拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖和遠(yuǎn)程終端控制界面

2.1.3 系統(tǒng)功能

太陽能-熱泵原油加熱系統(tǒng)采用強(qiáng)制集熱循環(huán)方式將太陽能量以熱水方式保存至集熱水箱，實現(xiàn)對外輸原油的加熱，通過設(shè)置水箱溫度范圍，使原油溫度保持在一定溫度。

1）在優(yōu)先使用太陽能的條件下，采用熱泵技術(shù)實現(xiàn)場站管輸原油的定溫加熱，具備保持原油冬季正常輸送溫度的加熱能力，并可以根據(jù)各個場站的實際生產(chǎn)條件和環(huán)境狀態(tài)及時調(diào)節(jié)運行參數(shù)，使裝置在最經(jīng)濟(jì)條件下穩(wěn)定運行。

2）通過優(yōu)選集熱材料和儲熱換熱方式，使太陽能利用率最大化，結(jié)合不同場站的工藝條件，對太陽能、空氣源熱泵和水源熱泵多種加熱手段進(jìn)行科學(xué)配比，精確選型，取得合理的經(jīng)濟(jì)效益。

3）系統(tǒng)主要部件參照油田行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計制造，模塊化設(shè)計，增強(qiáng)可靠性和適用范圍。

4）裝置采用遠(yuǎn)程PLC 云控制系統(tǒng)，及時調(diào)整經(jīng)濟(jì)運行參數(shù)，實現(xiàn)設(shè)備無人值守[5-8]。

2.2 現(xiàn)場試驗

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，2018 年在采油三廠4 個作業(yè)區(qū)現(xiàn)場試驗了原油太陽能-熱泵復(fù)合加熱技術(shù)，具體安裝明細(xì)見表1。

經(jīng)過1 年以上的長時間運行，裝置節(jié)能效果顯著，運行期間通過采用不同方法在不同環(huán)境溫度條件下的運行數(shù)據(jù)分析，使我們對裝置的主要部件能效有了更進(jìn)一步的了解，為今后太陽能和空氣源熱泵的現(xiàn)場設(shè)計應(yīng)用提供了充分的參照。

1）分析測試數(shù)據(jù)。在相同的環(huán)境溫度下熱泵-太陽能復(fù)合模式的能效比最高，1 m3產(chǎn)液升溫1 ℃的單位耗電量最低。

2）運行數(shù)據(jù)分析。產(chǎn)液的平均溫升對設(shè)備整體的能效比和單位能耗影響較大，基于設(shè)備的運行原理，優(yōu)先使用太陽能，其次采用空氣源熱泵，最后采用電加熱的加熱方法，如果設(shè)定的產(chǎn)液溫度高，則溫升加大到一定程度所造成的能源消耗大多是由電加熱提供，所以，在設(shè)備設(shè)計初期和實際運行的不同時期要考慮合理經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)液輸出溫度，避免過高的能耗補(bǔ)充。

3）現(xiàn)場的測試分析。驗證了原油太陽能-熱泵復(fù)合加熱技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，通過對不同加熱模式的實際數(shù)據(jù)分析，初步掌握了各個加熱手段的特點和優(yōu)勢，為在油田生產(chǎn)的不同環(huán)境和外部條件下的具體應(yīng)用提供了有價值的參考和經(jīng)驗，而原油太陽能-熱泵復(fù)合加熱技術(shù)不斷成熟、推廣和應(yīng)用也會為長慶油田逐步取締散燒燃煤鍋爐、減少原油和電能消耗提供合理有效的解決方案，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

表1 太陽能-熱泵原油加熱系統(tǒng)安裝明細(xì)

表2 太陽能-熱泵原油加熱系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

3 效果評價

3.1 理論計算

1）加熱爐節(jié)能監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)。原油加熱系統(tǒng)節(jié)能測試及計算方法依據(jù)SY/T 6381—2016《加熱爐熱工測定》，太陽能-熱泵原油加熱系統(tǒng)的熱效率評價則按照以下公式計算：

式中：ηT——太陽能集熱器效率，%；

ΔQy——太陽能輔助電加熱裝置有效輸出熱能，kJ/h；

QT——太陽輻射熱能，kJ/h。

2）節(jié)能效果評價計算標(biāo)準(zhǔn)。太陽能-熱泵原油加熱系統(tǒng)的節(jié)能指標(biāo)計算執(zhí)行SY/T 6422—2016《石油企業(yè)節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果測定》，節(jié)能率計算方法按以下公式計算[8-10]：

式中，ξL——應(yīng)用節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能率，%；

B1——應(yīng)用節(jié)能產(chǎn)品前的有效輸出熱量單耗，kg/MJ；

B2——應(yīng)用節(jié)能產(chǎn)品后的有效輸出熱量單耗，kg/MJ。

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用測試評價

2018 年，采油三廠現(xiàn)場組織試驗4 臺太陽能，現(xiàn)場測試見表3：在正常運行中的太陽能-熱泵輔助加熱裝置，運行時出口原油平均溫度達(dá)到49.6 ℃，平均加熱效率 45.81%，平均日節(jié)電量為407.65 kWh，折合501 kg（標(biāo)煤），達(dá)到了很好的節(jié)能效果。

表3 4 臺太陽能-熱泵輔助加熱裝置效果統(tǒng)計

4 結(jié)論

1）長慶油田第三采油廠太陽能資源豐富，伴生氣資源匱乏，且太陽能技術(shù)成熟度高，推廣應(yīng)用該項技術(shù)是可行的。

2）該系統(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(yuǎn)程監(jiān)控、實時數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場無人執(zhí)守，能夠滿足油田野外環(huán)境應(yīng)用的高集成、高穩(wěn)定性需求。

3）太陽能-熱泵原油加熱系統(tǒng)的應(yīng)用是油田降低能源消耗、提高經(jīng)濟(jì)效益的可行性舉措，且減少了碳排放，為長慶油田低碳綠色發(fā)展開辟了一條新途徑。

4）該系統(tǒng)可有效防止油管結(jié)蠟，與傳統(tǒng)加藥和電加熱油管相比，成本低，操作簡單，具有廣闊的應(yīng)用前景。