太陽能光熱技術在油氣田中的節能應用

王向宏 葉朝曦

（1.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司；2.化學工程聯合國家重點實驗室，華東理工大學機械與動力工程學院）

我國原油凝點普遍較高，黏度大，常溫下流動性差。原油的開采通常需要進行二次采油乃至三次采油，從油井出油后的儲運過程必須對原油進行加熱保溫，以期利用原油黏度對溫度的敏感性，達到降黏減阻的目的。蒸汽驅油法是目前國際上應用最為普遍的重油開采技術，通過向油層注入高溫蒸汽，降低原油黏度，提高采收率。從各個單井出口的原油匯集到地面站計量后，在送往下一站的過程中，需要將原油加熱至50～60℃，以保持良好的流動性。調查表明，原油開采注水、注汽以及原油儲運維溫、管輸等技術環節需要消耗大量的石油、天然氣以及電力能源，就遼河油田而言，年開采的原油量近20%用于企業內部能耗。為解決上述問題，尋找開發能源新技術和進一步利用可再生能源取代常規原油開采、集輸過程的加熱方式成為新的研究熱點。太陽能是目前可再生能源開發利用的重要領域，具有清潔、分布廣泛的特點，近年來隨著太陽能光熱技術的發展，太陽能熱利用已成為油氣田新能源開發的一項新技術。

研究了國內外太陽能光熱技術在油氣田節能上的應用現狀，基于目前油氣田上太陽能熱水系統存在的不足，分析了聚光式集熱技術在原油開采、儲運等方面應用的可行性，并對太陽能光熱技術應用于油氣田節能中的關鍵問題進行了探討。

1 太陽能節能技術在油氣田上的應用

1.1 太陽能光熱技術發展

人類利用太陽能的歷史非常悠久，太陽能熱利用技術也最為成熟。太陽能光熱技術的基本原理是將太陽輻射能收集起來，通過與物質的相互作用轉換成熱能加以利用。根據工作溫度的不同，太陽能光熱技術可分為低溫（40～80 ℃）、中溫（80～250 ℃）和高溫（300～800 ℃）三類[1]。低溫熱利用主要為生活用熱；中溫熱利用應用領域為工業用熱；高溫熱利用可用于太陽能熱發電。太陽能光熱技術在三種不同工作溫度下的主要應用領域，見表1。

表1 太陽能光熱技術根據工作溫度分類

根據集熱方式的不同，太陽能集熱器可分為聚光式和非聚光式兩類。非聚光式主要在低溫系統中使用，而聚光式則考慮中高溫用熱。非聚光式直接接收太陽光照射而加熱其內部的傳熱介質，吸收太陽輻射的面積與采集太陽輻射的面積相等，并且能夠利用太陽輻射中的直射輻射和散射輻射，具有結構和制造工藝簡單，價格低廉，無需跟蹤系統以及幾乎不需要維護等優點。但由于地面上太陽輻射能的密度十分稀薄，以致于集熱器的集熱溫度一般多在100 ℃以下，因而普通非聚光式集熱器只考慮在低溫熱利用系統中使用。與非聚光式相比，聚光式集熱器在輻射能源和能量吸收體之間加入了聚光元件，將大面積的低能量匯聚成小面積上的高能量，能夠獲得更高的集熱溫度，聚光比越大，集熱溫度越高。此外聚光集熱技術還具有如下優點：

1）使用的溫度范圍廣（50～800 ℃），適用性強。

2）在相同的采光面積下，二者所采集的總體熱量相等，但聚光式集熱器獲得的是高品質熱量。

3）聚光技術的使用大幅度削減了吸收體的面積并對集熱面進行處理以降低熱損失，使得在較高的溫度下，同時得到較高的集熱效率，從而大大提高太陽能利用系統的總效率。

就目前而言，太陽能低溫集熱技術相對成熟，其中以太陽能熱水器的應用最為廣泛，商業化程度最高。在太陽能中溫技術與工業節能應用方面，國內研究較少，雖然全球已陸續建立了百余個太陽能熱利用工業領域應用工程，但總體上說還是缺少大系統的設計、建設和運行經驗，聚光、儲熱等技術的不完善是其主要的制約因素。據了解，當前我國的太陽能熱利用技術在工業領域的應用還幾乎處于空白[2]。太陽能光熱發電是指，通過聚光器收集太陽能，利用接收器將太陽能轉換成熱能加熱工質，形成蒸汽驅動熱動力裝置發電。太陽能熱發電站多建在戈壁荒漠之中，以美國和西班牙居多，國內已建成實驗性電站。現有的發電系統大致有槽式系統、塔式系統、碟式系統和菲涅爾式系統，其中槽式因其集熱溫度相對較低，目前技術最為成熟、建設風險最小，也是太陽熱發電中唯一實現商業化運作的系統。

1.2 太陽能光熱技術在油氣田上的應用現狀

1.2.1 太陽能光熱技術在國外油氣田中的應用

國外對太陽能在燃料油儲存和原油輸送加熱中的應用早有報道。1998年，約旦大學的Badran[3]等對當地一家電廠進行調研，發現該電廠5%的發電量用于加熱燃料油以保持其流動性。為此他們設計了太陽能燃油預熱裝置用于燃料油加熱，使得該裝置能夠將燃料油溫度維持在50 ℃以上。澳大利亞一家太陽能公司利用透明蜂窩材料和選擇性涂層等增加太陽能吸收系數同時抑制對流和輻射散熱，利用太陽能熱二極管達到在管道輸送過程中將原油加熱降黏的目的[4]。土耳其的Mohamad[5]提出一種集儲箱和集熱轉換裝置于一體的太陽能熱二極管中低溫集熱裝置，采用一塑料片抑制夜間儲箱的對流散熱損失，用作燃油預熱裝置具有很好的效果。委內瑞拉一條長32 km 的稠油管道采用太陽能熱二極管技術后，輸油溫度從28 ℃增加至60 ℃，輸送能力提高17%。自1994年以來，在世界各地，主要是熱帶和亞熱帶地區已建造了12 條示范輸油線（所用原油最低流動溫度36 ℃），包括科威特、印度尼西亞和馬來西亞等國家和地區[6]。

此外，在外輸原油的處理上，阿塞拜疆的Mammadov F. F.[7]建立了一套太陽能槽式聚光集熱試驗系統，通過間接加熱方式實現原油的化學破乳脫水。

最近，有報道稱國外已經將太陽能光熱技術用于重油的熱采。2011年2月，貝瑞石油公司在美國加利福利亞建設了一個太陽能工廠用于提高原油采收率[8]。目前該項目還處于示范研究階段，蒸汽非穩態注入對油藏采出率是否有影響，還沒有確切的研究成果。針對Coalinga 油田重油采收難度大、能源消耗高等技術難題，美國雪佛龍公司提出了“太陽能蒸汽”的技術構想，并于2011年9月建設了一座29 MW 的塔式蒸汽發生系統[9,10]，直接產生蒸汽注入油層加熱原油，提高采收率。目前雪佛龍公司還在研究如何完全依靠太陽能蒸汽系統來維持整座油田以及“太陽能蒸汽”技術的可行性和在不同壓力與溫度下“蒸汽”的產量上運轉的可能性。

1.2.2 太陽能光熱技術在國內油氣田中的應用

我國重油開發已有近三十年的歷史，但就太陽能光熱技術在油氣田中的節能應用在最近十年才逐漸被重視。在原油開采上，王學忠[11]提出了在勝利油田利用太陽能輔助采油的技術構想，并以孤東油田為例，分析了太陽能輔助采油的技術可行性，但至今為止還沒有應用先例。在原油集輸太陽能加熱系統方面，遼河油田在國內率先應用。2002年上海交通大學為遼河油田設計了太陽能加熱輸送原油裝置技術方案[12]，2004年華南理工大學完成了“原油集輸太陽能加熱節能系統”科研項目攻關并在遼河油田興隆臺采油廠投入應用[13,14]。整個系統包括水路裝置、輸油裝置和控制裝置，采用太陽能集熱器間接加熱原油，通過水/原油換熱器實現高溫水與低溫原油之間的換熱，最后將換熱后的低溫水流回蓄水箱，重新泵入太陽能集熱器陣列加熱，在單純太陽能加熱的情況下，經過換熱器的原油最高溫度達到83 ℃。而在太陽能輻射不足時，則開啟燃燒器和水套爐對原油進行二次加熱。文獻[12]根據遼河油田原油加熱輸送過程中的工藝條件及特點，在太陽能加熱系統中采用了大小蓄熱水箱，小蓄熱水箱用于系統的快速啟動，大蓄熱水箱用于多余熱量的儲存，延長了系統的供熱時間，從而優化了整個系統的使用效率。

在邊緣井儲油罐加熱維溫上，江蘇油田根據邊遠井站集油工藝特點，研究了原油集輸太陽能加熱系統對油罐和管路供熱的適用條件及范圍，并于2006年7月在安徽采油廠天83-1拉油站進行了“太陽能+輔助電加熱系統”的供熱模式的應用嘗試。隨后該項技術在張鋪區塊、天83 集油站、李堡集油站等均取得成功并獲得了良好的經濟效益[15]。同樣，華北油田公司自2006年開始著手太陽能光熱技術在油氣田應用的研究和探索以來，已在冀中、二連油區的一些邊緣井站安裝30 多套太陽能加熱裝置[16]。而河南油田也于2008年在古城油礦新投入開發的井場中使用太陽能對高架儲油罐進行伴熱維溫[17]。

除上述報道外，大港油田、長慶油田等[18,19]均開發了小規模的太陽能熱水系統，部分取代常規能源解決油罐或管輸的供熱問題，研究表明節能效果明顯。

總的來說，油氣田利用太陽能光熱技術降低能耗水平主要包括兩個方面：通過太陽能集熱作用降黏減阻，提高原油的儲運維溫和加工處理能力；利用太陽能集熱裝置生產高溫蒸汽，實現老油田中重質原油的熱力開采。就全國乃至世界范圍而言，太陽能光熱技術在油氣田中節能應用的案例并不多見，現有的也只是處于小范圍的示范摸索和理論研究階段。

1.3 聚光式集熱技術在油氣田上應用的可行性分析

與常規能源最大的不同在于，太陽能是一種低密度、間隙性、空間分布不斷變化的能源，對于油氣田節能上的太陽能光熱利用而言，如何有效地收集和利用輻射能便成為其核心環節。太陽能集熱器是收集太陽輻射能并把它轉化為熱能的主要部件，也是影響整個系統光熱效率的關鍵部件。

目前國內的原油加熱系統普遍使用平板式和真空管式等非聚光式集熱器。非聚光式太陽能熱水系統雖能較好地滿足原油在集輸工藝上的用熱，但由于我國的油氣田大部分集中在氣候較寒冷的北方地區，在冬季時水容易結凍，影響系統運行，而且其較低的工作溫度也限制了太陽能技術在油氣田上多方位應用，特別是需要高溫高壓蒸汽的原油熱采工藝。由此，借鑒于貝瑞石油公司和雪佛龍公司的成功案例以及現有的太陽能熱發電技術，本文認為若能將太陽能聚光集熱技術，特別是商業化運作較為成熟的槽式聚光集熱技術用于原油開采、集輸等工藝，通過選定合適的聚光比和傳熱介質，定能很好地解決太陽能熱水系統冬季結凍和常規原油開采過程中大能耗等問題。

除了用于大規模發電外，以槽式集熱為基礎的太陽能利用系統可以方便地產出100～350 ℃的蒸汽或熱水，從而廣泛地適用于油氣田的生產用熱，其應用的關鍵在于如何生產出適合于油氣田的，性價比高的槽式太陽能集熱設備。以導熱油為傳熱介質的槽式太陽能光熱系統已被證實為目前最為成熟的聚光式太陽能集熱系統，國內外學者[20,21]正在研究采用水做介質的槽式太陽能直接蒸汽發生系統（DSG），這些技術的發展為聚光式集熱系統在油氣田上節能應用提供了良好的技術基礎。

當然，在油氣田上應用聚光式太陽能集熱器有一定的特殊要求，從設備維護的角度考慮，例如為了保持光學系統的準確性，需要考慮系統長期性的防塵、抗氧化和大氣腐蝕等。從工程實用的觀點看，聚光式集熱器維護復雜，制造和運行費用較高，這就限制了它的廣泛使用。然而，隨著太陽光熱技術以及材料、設計、制造行業的不斷發展，聚光式集熱器的應用領域也在不斷地拓寬，提高集熱效率、降低集熱成本，尋求高效穩定的聚光集熱系統已成為近幾年的研究熱點，相信在不久的將來，聚光式太陽能集熱技術定會在油氣田節能應用上大放異彩。

1.4 問題與討論

1）與常規能源不同，太陽能具有間歇性和不穩定性的特點，在原油加熱或開采過程中如何保證太陽能集熱系統持續穩定地工作，是太陽能光熱技術在油氣田節能應用中的一個關鍵性問題，也是一個難題。在太陽能系統中設置蓄熱裝置是解決太陽能穩定性問題最有效的方法之一。通過太陽能蓄熱系統可以將太陽能多余的熱量暫時儲存起來，等到沒有日照或陰雨天氣時再將這部分熱量釋放出來，從而保證整個系統熱量的平穩輸出，同時起到削峰填谷的作用。由于目前的技術還未能實現以太陽能為單一熱源進行全天候供熱，油氣田多半以電加熱、石油、天然氣等作為輔助能源。許多學者[21-22]也正在研究太陽能-熱泵、風光電一體化等聯合系統在油氣田上的應用。

2）太陽能集熱效率很大程度上決定了油氣田的節能效益，影響集熱效率的因素很多，如光學，結構和工作環境等，其中光學是最為關鍵因素。尋找新材料、新技術改善集熱器的光學性能、提高聚光集熱系統的跟蹤精度，從而提高太陽能集熱效率，是目前光熱技術發展的重要研究方向。

3）油氣田所在地區往往多風、大風甚至沙塵暴頻起，在油氣田上應用太陽能光熱技術要加強集熱器的抗風沙能力。集熱器是太陽集熱系統中的一個關鍵部件，集熱器的性能會顯著影響整個系統的總體性能。由于聚光器長期暴露在大氣中工作，塵土不斷沉積在表面，大大影響了集熱器的光熱性能，破壞力極大的風沙還會給太陽能集熱單元帶來破壞性的危害。

2 結語

從能源利用和現有的技術來看，太陽能光熱技術用于原油熱采或儲油預熱，提高原油的管輸能力是石油企業現實可行的利用太陽能實現油氣田節能的技術方案。經過多年的研究，太陽能光熱技術在油氣田節能應用方面已取得了初步的進展，然而，當前的太陽能利用還屬于低效率、小規模、發展不全面，仍然存在關鍵技術問題亟待突破。國內外的研究報道雖為我們展示了良好的應用前景，但太陽能在油氣田上的節能應用依然有很長的一段路要走。

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