偏遠(yuǎn)單井太陽能綜合利用技術(shù)應(yīng)用

趙德銀（中國石化西北油田分公司）

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偏遠(yuǎn)單井太陽能綜合利用技術(shù)應(yīng)用

趙德銀（中國石化西北油田分公司）

西北油田分公司塔河油田地處戈壁地區(qū)，偏遠(yuǎn)單井地面配套建設(shè)難度大。西北油田分公司首次在偏遠(yuǎn)單井提出了太陽能綜合利用技術(shù)。通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，在2014年4—10月井場(chǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和原油加熱系統(tǒng)可滿足井場(chǎng)用電及原油加熱需求，2013年11月—2015年3月，在光伏發(fā)電和柴油發(fā)電互補(bǔ)以及太陽能加熱原油和天然氣加熱原油互補(bǔ)的情況下可滿足井場(chǎng)用電及原油加熱需求。

太陽能加熱原油發(fā)電單井綜合利用

新疆太陽能資源尤為豐富，全年日照時(shí)數(shù)為2550～3500 h，年輻射照度總量比我國同緯度地區(qū)高10%～5%，比長江中下游地區(qū)高15%～25%。全年日照大于6 h的有250～325天，日照氣溫高于10℃的普遍在150天以上。新疆荒漠戈壁的土地面積每年接受的太陽輻射能相當(dāng)于4000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤［1］。因此，西北油田分公司根據(jù)偏遠(yuǎn)單井所處地區(qū)地理位置、光照強(qiáng)度，提出了單井太陽能發(fā)電-加熱原油綜合利用技術(shù)。

1　單井生產(chǎn)情況

示范單井（簡(jiǎn)稱為P1井），位于塔河阿探片區(qū)，距塔河油田采油一廠52 km，周邊沒有電網(wǎng)，離塔河電網(wǎng)或地方電網(wǎng)最近距離約為18 km。

2014年，P1井平均產(chǎn)液50 t/d，產(chǎn)氣700 m3/d，具體物性見表1。

表1　P1井原油物性

由于P1井離周邊接轉(zhuǎn)站輸送距離大于15 m，單井采用拉油流程，由于原油含蠟量較高，黏度較大，為保障采出液在拉運(yùn)過程保持較好的流動(dòng)性和減少結(jié)蠟，春、冬季加熱爐出口溫度為45℃，夏、秋季加熱爐出口溫度為35℃。

2　技術(shù)原理與應(yīng)用

2.1太陽能發(fā)電技術(shù)

2.1.1單井用電情況

示范井場(chǎng)用電主要包括生產(chǎn)和生活用電2部分，最大功率不超過23 kW。用電負(fù)荷明細(xì)見表2。

2.1.2井場(chǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

P1井場(chǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由多晶硅電池板陣列、并網(wǎng)逆變器、雙向逆變器、15 kW柴油發(fā)電機(jī)、并聯(lián)控制器、蓄電池組、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、通訊監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成（圖1）。

光伏陣列主要將太陽能轉(zhuǎn)為電能，輸出為680 V直流電源。每個(gè)陣列由20塊多晶硅電池板組成，每塊電池板功率為230 Wp，整個(gè)系統(tǒng)共180塊，共計(jì)41.4 kWp。

表2　示范井場(chǎng)用電負(fù)荷

圖1　光伏發(fā)電主要結(jié)構(gòu)

并網(wǎng)逆變器主要將多晶硅電池板陣列產(chǎn)生直流電源轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯庸┴?fù)載使用的380/220 V交流電源。

雙向逆變器主要作用是當(dāng)蓄電池組需充電時(shí)將交流電源轉(zhuǎn)化為直流電源，當(dāng)蓄電池組需放電時(shí)可將直流電源轉(zhuǎn)化為交流電源。

并聯(lián)控制器主要作用為檢測(cè)并自動(dòng)控制多晶硅電池板、蓄電池組、柴油發(fā)電機(jī)等各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到為負(fù)載提供可靠電源的目的。

小型柴油發(fā)電機(jī)主要為在冬季或天氣光照條件不足時(shí)作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的補(bǔ)充備用電源。

蓄電池組主要作用儲(chǔ)存太陽能電池方陣受光照時(shí)所發(fā)出的電能并可隨時(shí)向負(fù)載供電，系統(tǒng)共建2組50 V、5000 Ah蓄電池組，總裝機(jī)容量為10 000 Ah。

環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)太陽能輻射量、環(huán)境溫度、風(fēng)速等運(yùn)行環(huán)境狀況；通訊監(jiān)控系統(tǒng)主要將系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳至管理中心或?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程遙控功能。

2.1.3現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

P1井光伏發(fā)電系統(tǒng)自2014年3月8日正式投運(yùn)以來，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行比較正常，4—10月，光伏發(fā)電量滿足井場(chǎng)用電負(fù)荷需求，2014年11月至2015年3月需使用柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電補(bǔ)充光伏發(fā)電不足，見圖2，圖3。

圖2　P1井光伏發(fā)電應(yīng)用情況

圖3　光伏發(fā)電次日持續(xù)時(shí)間

由上圖可知，在4—10月份間，由于日照時(shí)間相對(duì)較長，環(huán)境溫度較高，光伏發(fā)電系統(tǒng)除滿足當(dāng)日需求外，還能補(bǔ)給受沙塵暴、陰雨天帶來的影響，7、8、9月可滿足后續(xù)供電高達(dá)50 h以上。

2.2太陽能加熱原油綜合技術(shù)

2.2.1原理介紹

目前聚光型太陽能集熱系統(tǒng)主要有槽式、塔式、蝶式、菲涅爾式，目前工業(yè)化應(yīng)用的主要是槽式、塔式、菲涅爾式。由于菲涅爾式部分迎風(fēng)面小，抗風(fēng)沙能力強(qiáng)，更適合于戈壁地區(qū)，因此選用菲涅爾式集熱器［2］。

P1井原油加熱采用天然氣加熱與太陽能加熱相結(jié)合的方式，在5—10月份環(huán)境溫度較高時(shí)，采用太陽能加熱原油方式，11—3月份環(huán)境溫度較低需輔以天然氣加熱。其主要原理為：通過菲涅爾式太陽能集熱系統(tǒng)將導(dǎo)熱油加熱，加熱后的導(dǎo)熱油通過換熱器與原油換熱，換熱后的原油通過加熱爐流出，當(dāng)夜間、陰雨天或冬季導(dǎo)熱油溫度不高時(shí)開啟加熱爐，補(bǔ)充熱量，以達(dá)到節(jié)約天然氣的目的；當(dāng)導(dǎo)熱油熱量富裕量較多時(shí)，部分導(dǎo)熱油進(jìn)入導(dǎo)熱油儲(chǔ)油器，供夜間使用。

2.2.2太陽能加熱原油系統(tǒng)設(shè)計(jì)

原油加熱所需熱量計(jì)算如下：

式中：

Q——每日加熱單井混合物所需總熱量，kJ；

MO、MW、MQ——原油、水、天然氣的日均產(chǎn)量，t/d；

CO、CW、CQ——原油、水、天然氣比熱容，J/（kg·℃）；

太陽能集熱面積計(jì)算如下：

式中：

Q——每月日均加熱所需總能量，kJ；

M——每月日均加熱所需太陽能集熱面積，m2；

QSM——每月日均當(dāng)?shù)靥柲苊科矫纵椪樟浚琸J；

ηT——線性菲涅爾式太陽能集熱器光熱轉(zhuǎn)換效

率，取0.5；

ηE——換熱器效率，取0.85；

φ——管路損失，取0.1。

所需太陽能集熱面積差異較大，P1井范圍為159～955 m2，結(jié)合投資和熱量需求綜合考慮，P1井安裝太陽能集熱面積為500 m2。

2.2.3現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2014年4月，該技術(shù)在西北油田分公司P1井成功運(yùn)行，太陽能加熱導(dǎo)熱油溫度可達(dá)到120℃，4—10月僅依靠太陽能就能滿足加熱需求，2014年11月至2015年3月，依靠單井生產(chǎn)伴生氣作為單井燃料氣，滿足原油加熱要求。太陽能加熱原油系統(tǒng)運(yùn)行情況見表3。

表3　太陽能加熱單井加熱原油運(yùn)行情況

3　經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效益分析

3.1經(jīng)濟(jì)效益分析

采用光伏發(fā)電可節(jié)約柴油機(jī)發(fā)電56 280 kWh/a，柴油機(jī)發(fā)電成本按3元/kWh計(jì)算，可節(jié)約發(fā)電費(fèi)用16.9萬元/a，柴油發(fā)電機(jī)由30 kW改用為15 kW，減少租賃費(fèi)用10萬元/a，即采用光伏發(fā)電可節(jié)約26.9萬元/a。

采用太陽能加熱原油年可節(jié)約天然氣60 000 m3。天然氣價(jià)格按1.2元/m3計(jì)，可增加效益7.2萬元。

3.2環(huán)境效益

1 L柴油約發(fā)電9.98 kWh［3］，由于光伏發(fā)電可節(jié)約柴油機(jī)發(fā)電56 280 kWh/a，因此節(jié)約柴油約為5639 L，即可減少二氧化碳排放4060 kg/a。按1 m3天然氣燃燒產(chǎn)生1.8 kg二氧化碳計(jì)算［4］，節(jié)約天然氣60 000 m3可減少二氧化碳排放11 280 kg/a。

因此，偏遠(yuǎn)單井采用太陽能光伏發(fā)電-加熱原油綜合利用技術(shù)，可產(chǎn)生效益34.1萬元/a，減少二氧化碳排放15.34 t/a。

4　結(jié)論

1）采用光伏發(fā)電與柴油機(jī)發(fā)電互補(bǔ)的形式可以滿足單井井場(chǎng)用電需求，每年4—10月份光伏發(fā)電量滿足井場(chǎng)用電負(fù)荷需求，11月至次年3月份需使用柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電補(bǔ)充光伏發(fā)電不足。

2）采用太陽能加熱原油與天然氣加熱原油互補(bǔ)方式可滿足單井井場(chǎng)加熱需求，每年4—10月僅依靠太陽能就能滿足加熱需求，11月至次年3月，依靠單井生產(chǎn)伴生氣做為單井燃料氣，滿足原油加熱要求。

3）偏遠(yuǎn)單井采用太陽能光伏發(fā)電加熱原油綜合利用技術(shù)可產(chǎn)生效益34.1萬元/a，減少二氧化碳排放15.34 t/a，具有較好的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益。

［1］孟月云，吳淑琴.淺談新疆資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化中的太陽能［J］.能源與節(jié)能，2011（5）：9-10.

［2］謝文韜.菲涅爾太陽能集熱器集熱性能研究與熱遷移因子分析［D］.上海：上海交通大學(xué)，2012.

［3］王志永.柴油機(jī)發(fā)電成本的分析及降低成本的措施［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2001，30（6）：37-38.

［4］吳曉蔚.火電行業(yè)溫室氣體排放因子測(cè)算與排放量估算及減排對(duì)策［D］.南京：南京信息工程大學(xué)，2010.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.11.006

2015-07-22）

趙德銀，工程師，2012年畢業(yè)于西南石油大學(xué)（化學(xué)工藝專業(yè)），從事油氣集輸技術(shù)研究工作，E-mail:zdyjoe@126.com，地址：新疆烏魯木齊長春南路466號(hào)中國石化西北石油科研生產(chǎn)園區(qū)，830011。