油田風能資源及風力發熱技術的應用

鄭茂盛，滕海鵬，胡 軍，王福寶，田洋洋，趙 淵，余歷軍

西北大學化工學院載能技術及應用研究所，陜西西安 710069

油田風能資源及風力發熱技術的應用

鄭茂盛，滕海鵬，胡 軍，王福寶，田洋洋，趙 淵，余歷軍

西北大學化工學院載能技術及應用研究所，陜西西安 710069

文章分析了我國主要油田的風能資源和用熱情況，以遼河油田加熱爐應用風力發熱技術設想為例，說明了風力發熱機功率計算方法。在概括介紹國內外風力發熱技術試驗研究的基礎上，著重介紹了西北大學開展的風力發熱技術研究工作。

風能資源；油田用熱；風力發熱；節能減排

1 我國主要油田風能資源概況

風是地表受熱不均而引起空氣流動的自然現象，風能是一種非常安全、清潔的能源[1-2]。從節約能源資源、減少環境污染等方面考慮，風能利用具有重要意義，并且已經成為當今世界能源領域的發展方向之一。氣象資料表明，我國距離地表10m以上高度可利用的風能為2.53 億 kW，海上可利用的風能是陸地上可利用風能的3 倍。

我國各大油田的風能資源也非常豐富。據悉，大慶油田的年平均風速為 3.8 m/s，春、秋季節風速較大，冬、夏季節風速較小。季風特征明顯，1 月以西北風為主（風頻33.3%），7月以偏南風為主（風頻36.9%）；從全年各風向頻率看，西北風向頻率最大，為 11%，南風向次之，為 9%，東風向最小，僅2.0%，其他風向在5%～7%左右。大慶油田全年風能可用時間約 4 000 h，在中西部地區，風能可用時間可達 4 500 h，東南部地區為3 800 h 左右；北部僅為 3 000 ～ 3 500 h。并且 3、4月份的平均風速最大，7月份的平均風速最小[3]。

勝利油田孤東采油廠地處風能資源較豐富區域，一年中孤東地區風速大于 3 m/s 的時間可達到 6 000 h 以上。 2008 年該廠在建設節能示范采油隊項目中，推廣應用了油井風電供電技術，目前正在試驗應用 20 kW 風網互補裝置 20 臺。

阿爾善油田地處內蒙古錫林郭勒盟，屬風能豐富區或較豐富區。該油田區域內 5 個氣象臺站 10 年累計的風能資料顯示出其年風能實際可利用時間為 4 739.16 h。

新疆各地的風能資源豐富，克拉瑪依和北塔山年有效風能 1 500 kW·h/m2，年有效起風時間約 4 000 h[4]。

長慶油田采氣三廠蘇 14-4 集氣站位于內蒙古烏審旗一帶，對測風數據的統計分析表明，年平均風速為2.9 m/s，屬風能可利用區；采油六廠盆 18-17 井組位于陜西定邊縣楊井鎮，在海拔 1 840 m 的山頂測得的年平均風速為 3 m/s，屬風能可利用區。

綜上所述，我國許多油田擁有不同程度的風能資源，合理地利用這些風能資源，可以為節能減排做出貢獻。

2 油田用熱情況

油田加熱是油田勘探開發中的重要技術之一，尤其是我國東部油田已經大面積進入油藏高含水期及稠油和天然氣的開發，加熱就顯得更為重要。目前，油田開發采用的加熱方式主要有市電電磁渦流加熱、油加熱和氣加熱，加熱技術在油田的典型用場如圖1所示。

圖1 加熱技術在油田的幾種典型用場

隨著油氣田勘探開發面積和開發難度增大，加熱爐在油田應用的數量越來越多。據統計，截至2005年中石油油田在用加熱爐數量 18 460 臺，加熱爐已經成為油田的主要能耗設備，中石油油田在用加熱爐每年能耗總量折合成原油約 170 萬t[5]；估計目前的加熱爐數量已超過20 000臺，耗能十分驚人。改進油田加熱技術并研發安全可靠的節能減排技術，對于確保石油工業生產、節能和提高生產效率有著重要的意義。

以秦京輸油管道為例[6]，它有 6 個輸油站，原油以700 ～ 800 t/d 的流量通過輸油站。在夏季,輸油站使用大型燃油加熱爐對原油進行加熱,將溫度提高 8 ～ 9 ℃后送往下一站。根據實際耗油統計,春、夏、秋三季,每個站平均燃燒燃料油 280 kg/h 左右，6 個站的加熱爐每天平均燒掉 40 t 左右，冬季燒掉的更多。每年的加熱爐燃油指標為 20 000 t 左右（不包括鍋爐）,2005 年加熱爐實際燒油 19 500 t。如果采用其他節能設備,燃油指標就會大大降低[6]。

另外，石蠟基原油的特點是含蠟量高、黏度高、凝點高。這種原油在開采和輸送過程中的主要問題是石蠟的凝結，影響原油流動性，進而影響了原油的采集和運輸，導致原油的產量下降甚至停產[5]。

熱洗是最為傳統的清蠟方式之一，到目前為止仍在全國的油田中被廣泛應用。此法將原油加熱到一定溫度，經過一定的輸送距離仍能使油溫維持在高于石蠟的析出溫度，確保良好的流動特性。

在油的生活用熱方面，以油田公寓設計為例，假定某公寓住宿人員為 200 人，人均日熱水用量 30 kg，公寓住宿人員每天需要熱水達 6 000 kg，另外，到了冬季住宿人員還需要解決取暖等問題。生活用熱也是油田用熱的重要組成部分。

可見，油田對熱量的需求是相當普遍的。本文根據目前的研究現狀，提出采用風力發熱作為熱源或補充熱源，使油田進一步實現節能降耗。

3 風力發熱機功率計算

本文所述的風力發熱技術是指將風能直接轉化為熱能的技術，與風力發電、風力提水相比，風力發熱具有高能量轉換效率。下面以遼河油田加熱爐應用該項技術為例，說明風力發熱機功率計算方法。

遼河油田是我國主要的稠油開采地區。在其采油、集輸等過程中，使用傳統技術，即燃燒煤、油、天然氣和電加熱方法來實現原油增溫，每年都需要消耗大量天然氣和電能以滿足外輸系統加熱的需要，造成大量的能源消耗和嚴重的環境污染。如果把風力發熱技術應用于石油集輸環節，為集輸系統供熱，就可以節省大量原油。以遼河油田某小型采油井區為例[7]，其日產液量 100 m3，含水率 30%，產出液流入加熱爐時的溫度 40 ℃，流出加熱爐時的溫度 60 ℃，平均升溫 20 ℃。表1為其產出液的基本物性參數。

表1 遼河油田某井區產出液的基本物性參數

根據以上數據，計算加熱爐每天水、油加熱所需的熱量:

式中QW——每天加熱水所需的熱量；

QO——每天加熱油所需的熱量；

VO——油的體積；

CO——油的比熱容；

ρO——油的密度；

VW——水的體積；

CP——水的比熱容；

ρW——水的密度；

△t——溫升。

每天總熱負荷QT為:

所需功率為：

式中T——每天的加熱時間。

遼河地區風能資源豐富，其風能監測數據見表2[7]。

表2 遼河油田地區風能資源數據

如果采用風力發熱技術，可以安裝 1 臺或多臺總功率為 100 kW（最多不超過 150 kW）的風力發熱機。設風力發熱機塔高為 50 m，風機的風能利用率為 30%，則采用葉輪半徑約 27 m 的 1 臺風機就能滿足需要。

4 國內外風力發熱技術試驗研究概況

總的來說，國際上風力發熱技術仍處于探索和示范試驗階段。現階段風能致熱方式大體可分為七種，即風力發電—電加熱、液體攪拌、液體擠壓、固體摩擦、磁渦流、風力熱泵和壓縮空氣發熱等。除了利用“風力發電—電加熱”方式需要發電這個環節外，其他轉換方式均為風能直接轉換為熱能,本文將其稱為風力發熱，它減少了轉換環節，提高了利用效率。其中的風力磁渦流方式是通過風車的機械能直接推動磁渦流式發熱機，產生渦電流而發熱的；風力熱泵則是通過風車的機械能直接推動熱泵而發熱的，能用少量不可再生的能源將大量的低溫熱量升為高溫熱量。

國外風力發熱的研究主要集中在發達國家，在亞洲以日本為主，在美洲美國處于領先地位，在歐洲主要有芬蘭、丹麥等。在國內，1985年才召開行業性風力發熱研討會，研究工作主要由大學承擔。先后有西安交通大學、沈陽工業大學、西北大學和廣西大學等開展研究工作。西安交通大學和沈陽工業大學選擇液壓致熱方式、西北大學選擇磁渦流和熱泵方式[8]、廣西大學選擇渦流式致熱方式作為他們的研究課題。

近年來，西北大學獲得陜西省“13115”重大創新工程項目、陜西省重大科技創新專項以及中國石油天然氣集團公司創新基金的支持，開展了風力發熱技術的研究與開發，設計制造了勵磁式和永磁式電磁渦流試驗裝置及溫度顯示系統，其中永磁式電磁渦流加熱裝置的功率達到 10 kW。這兩種試驗裝置在電動力推動下，其磁極呈現穩定“通斷”，頻率都達到 300 Hz。此外，風力熱泵發熱裝置功率達到 20 kW。各裝置的能量轉換效率都在90% 以上，并且掌握了風機結構與發熱機發熱效率之間的關系。圖2是研制的風力發熱機現場試驗照片。

圖2 風力發熱機現場試驗

5 結束語

許多石油礦區處于具有豐富風能資源的區域，適合應用風能發熱技術，可以作為油田加熱和生活用熱的熱源或補充熱源，進而降低采油成本。因此，應積極開展將風力發熱技術應用于油田的研究工作，這對于節能降耗、保護環境具有重要意義。

[1]Sandra Eriksson,Hans Bernhoff,Mats Leijon.Evaluation of different turbine concepts for wind power [J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2008,12(5):1 419?1 434.

[2]A Dragomirescu.Performance assessment of a small wind turbine with cross flow runner by numerical simulations [J].Renewable Energy,2011,36（3）:957-965.

[3]李冰,趙玲,杜暢.大慶油田風能資源評價[J].沈陽工程學院學報（自然科學版）,2011,7（4）:298-300.

[4]郭洪旭，趙黛青，黃瑩，等.天山北坡經濟帶風能的區域分布及開發潛力估算[J].重慶大學學報，2012,35(8)：80-86..

[5]馬衛國，孫洪鈺，馮定.油田用加熱爐技術現狀與發展方向[J].石油機械，2006,34（10）：70-71.

[6]常光宇,嚴江,李文穎,李景華.輸油管道太陽能加熱爐的設計及運行思路[J].中外能源,2007,12（1）:111-114.

[7]徐恩寬.油氣集輸中風能和光能的綜合利用 [J].內蒙古石油化工,2008,18（13）:37-38.

[8]王福寶，鄭茂盛，滕海鵬，等.垂直軸阻力差型風車驅動磁渦流致熱分析[J].西北大學學報，2013，43(4)：545-548.

Wind Energy Resources and Application of Wind Heating Technology in Oilfields

Zheng Maosheng,Teng Haipeng,Hu Jun,Wang Fubao,Tian Yangyang,Zhao Yuan,Yu Lijun
Institute for Energy Trans mission Technology and Application,School of Chemical Engineering of Northwestern University,Xi'an 710069,China

The wind energy resources and the applications of heating energy in domestic main oilfields are discussed in this paper.Taking the possible usage of wind heating technique in heating furnaces of Liaohe Oilfield for example,the power calculation method of wind heating machanism is described.Based on the summary of the experimental researches of wind heating technology at home and abroad,the research work of wind heating technology conducted by Northwestern University is illustrated emphatically.

wind energy resources；wind heat；oil heating；energy-saving

陜西省13115工程項目（2008ZDKG-54）；陜西省重大科技創新專項（2011ZKC07-4）

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.01.002

鄭茂盛（1962-），男，陜西西安人，教授，1995年畢業于西北工業大學，博士，長期從事能源材料和技術研究。

2013-03-15