“余熱+光伏”能源互聯技術在油田聯合站的應用

劉子勇 劉宏亮 李靜靜 高中顯 任曉勇

（1.勝利石油管理局有限公司新能源開發中心；2.勝利石油管理局有限公司運輸分公司）

能源是經濟發展的基礎，隨著社會經濟的迅速發展，能源消耗量急劇增加，全球氣候變暖、極端天氣頻發等一系列環境問題開始出現，節能減排成為當前應對氣候變化的關鍵手段。為降低環境的影響，在減少化石能源的消耗量的同時，需要增加清潔可再生能源的開發利用效率。如何提高可再生能源的消納比例，實現可再生能源的高效利用，是目前亟需解決的問題和技術突破的主要方向[1]。

可再生能源都具有間歇性和波動性等特點，如太陽能光伏發電受晝夜、季節、氣候等隨機因素影響大，大規模接入電網會對電網電能質量和可靠性產生不利影響。為引導可再生能源利用形式，“就地分散開發、就近消納利用”成為當前國家對分布式發電項目的政策導向。同時，多能互補作為能源互聯網的物理基礎和落地形式，通過能源互聯技術對多種清潔能源進行優化組合配置，互補運行，取長補短，實現多能協同供應和能源綜合梯級利用，以提升電力系統消納間歇性可再生能源的能力和綜合效益。

1 區域資源概況

1.1 勝利油田能耗概況

勝利油田作為國內大型油氣生產基地，既是產能大戶，同時也是耗能大戶。隨著東部老油區采出液綜合含水日益上升，原油產量逐步遞減，地面工程系統能力過剩，運行能耗高，噸油氣成本居高不下，影響著油田開發整體效益。目前油氣生產主要耗能設備主要分布在機采、注水、注汽、集輸四大地面工程系統，現有主要耗能設備設施3 萬余臺，噸油氣綜合能耗達到110 kg/t（標煤），能源消耗占分公司油田板塊總能耗的90%以上。利用清潔能源替代常規化石能源，成為降低生產運行成本，削減安全風險的主要途徑之一[2]。

近年來，勝利油田以樂安聯合站為試點，充分利用油田采出水余熱資源和本區域太陽能資源，形成“余熱+光伏”的能源互聯技術，降低了聯合站原油加熱工藝環節對天然氣的消耗，提高了能源綜合利用效率。

1.2 油田采出水余熱資源

向油層注水保持油層壓力來提高原油采收率是目前我國油田主要開發手段。勝利油田采出液綜合含水高達90%左右，現有污水處理站72 座，日處理水量約89.9×104m3，溫度在43～60 ℃。污水回注前均經過了除油除懸浮物處理，并且對水質穩定性進行了控制，腐蝕、結垢的趨勢較弱，是有潛力進行綜合利用的地熱資源之一。按10 ℃溫差計算，年可利用余熱資源1 305×104GJ。同時與地熱能常規開發利用相比，具有與油田生產關系密切，不需要額外的地熱井鉆井及尾水回灌工程投資及運行費用，以及綠色節能、運行成本低等優點[3]。

1.3 太陽能資源

東營地區年平均太陽總輻射量為5 199 MJ/m2，即1 441 kWh/m2， 年平均日照時數2 712.5 h，水平面上的年平均峰值日照時數為4.29 h，即年峰值日照時數為1 390 kWh/m2左右，為太陽能資源三類地區，接近資源較豐富的二類地區[4]。

2 項目介紹

2.1 余熱利用部分

2.1.1 聯合站工藝概況

勝利油田樂安聯合站負責草橋區塊產出液的脫水、原油凈化外輸和污水處理。原油處理采用“稀油混摻+熱化學沉降”工藝，設計原油年脫水能力160×104t。樂安聯合站每年消耗天然氣458×104m3，通過燃氣加熱爐對含水原油及油水乳狀液進行加熱促進油水分離，或對外輸原油降黏輸送。污水處理采用“ 重力沉降＋過濾” 工藝。 設計能力1.0×104m/d，實際處理水量約為8 000～10 000 m3/d，溫度為56～60 ℃。污水余熱資源豐富、品質較高，熱量未經利用便回注至地層。

2.1.2 設計思路

余熱利用采用“電動壓縮式高溫熱泵+換熱器”技術，提取采出水余熱，通過三級升溫，完全替代現有加熱爐系統。采用“循環水+風機盤管”采暖系統替代現有蒸汽供暖系統。如圖1 所示。電動壓縮式高溫熱泵機組由壓縮機、冷凝器、節流閥、蒸發器組成，輸入壓縮機電功，而驅動熱泵循環，使工質在熱泵機組中每循環一次發生兩次相變，其中流經蒸發器時從低溫熱源吸熱蒸發以利用余熱，再被壓縮機壓縮后流經冷凝器，向高溫使用側放熱冷凝，實現制熱目的。

2.1.3 具體方案

熱泵余熱站內置熱泵機組、水泵、板式換熱器、電氣控制室，并入聯合站工藝流程，如圖2 所示：采出水進入換熱器，與低溫循環清水進行換熱，低溫清水在污水換熱器內吸收熱量溫度進入熱泵的蒸發器，在蒸發器內釋放熱量，由低溫清水循環泵輸送到污水換熱器完成循環。中介水由高溫清水循環泵輸送至熱泵，在熱泵的發生器和冷凝器內吸收熱量后溫度升到90 ℃，90 ℃的高溫熱水分別進入含水原油換熱器、稀油換熱器，在換熱器中換熱降溫至55 ℃后由高溫清水循環泵輸送回熱泵完成循環。

圖1 余熱利用項目設計方案

圖2 余熱利用項目工藝流程

2.1.4 能耗對比

余熱利用項目改造前，聯合站原油加熱爐燃氣量為458×104m3/a。項目改造后，余熱利用站用電量 約 為 908.7× 104kWh/a， 減 少 能 量 損 耗8.6×104GJ/a。

表1 余熱利用項目改造前后能耗對比情況

2.2 太陽能光伏發電部分

2.2.1 設計思路

樂安聯合站污水余熱利用項目具有用電量大等特點，并網接入條件優越，同時樂安聯合站現有閑置屋頂資源，特別適合建設屋頂太陽能分布式光伏并網電站。利用站內的原油處理站、污水處理站、余熱換熱站及鄰近單位等閑置屋頂建設安裝太陽能電池方陣。如圖3 所示。

圖3 聯合站閑置屋頂資源

主要技術原理：太陽電池方陣在太陽光輻照下發出直流電，經逆變器轉換為交流電，供余熱換熱站熱泵使用，系統同時又與電網相聯，在熱泵系統停運檢修時，可將太陽電池方陣發出的電量經并網逆變器逆變為符合所接電網電能質量要求的交流電饋入高壓電網[5]。 如圖4 所示。

圖4 太陽能光伏發電系統原理

2.2.2 具體方案

總裝機容量為783 kW，共計安裝2 900 塊270 W 多晶硅光伏組件。其中：

聯合站屋頂用1 120 塊光伏組件，污水處理站820 塊光伏組件，余熱利用站屋頂用480 塊，臨近單位屋頂用480 塊。

聯合站與臨近單位的并網逆變器，經交流匯流箱匯流后至交流并網配電箱，經三相計量表后接入0.4 kV 配電室Ⅰ段母線；余熱利用站與污水處理站的并網逆變器，經交流匯流箱匯流后至交流并網配電箱，經三相計量表后接入0.4 kV 配電室Ⅱ段母線。并入Ⅰ段母線的容量為399.6 kW，并入Ⅱ段母線的容量為383.4 kW。項目實施后，所發電量可實現全部自發自用。

根據光伏組件使用10 年輸出功率下降不得超過使用前的10%，光伏組件使用20 年輸出功率下降不得超過使用前的20%，光伏組件使用壽命不得低于25 年的特點，經測算可得：年均共可發電87.4×104kWh。

3 項目效益及推廣前景

“余熱+光伏”項目實現了清潔能源互聯利用，一是通過余熱利用減少了天然氣資源消耗；二是通過太陽能光伏發電減少了余熱利用系統耗電。促進了油田開發經濟效益和清潔能源利用效率的顯著提升。項目實施后，年可節約標煤2 938 t，年減排二氧化碳7 678 t、二氧化硫24.9 t、氮氧化物21.7 t。

勝利油田總占地面積833.4 km2，其中：井場占地266.7 km2，油田閑置土地、井場及廠礦屋頂等約130 km2，用電區域點多、面廣，石油礦場區域有足夠的建筑屋頂和場地資源，具有開發太陽能光伏、光熱和場地資源優勢。可根據油田資源條件及組成，因地制宜地實施“光伏+”能源互聯技術，發揮各類能源優勢，取長補短，有利于促進新能源消納和增加可再生能源利用比重，進一步推進油田綠色低碳發展。