太陽能-熱泵復合加熱技術在采油三廠的應用探討

楊孝剛 王寶明 邢磊 牛金玲 樊曉慶 鄧海林 韓軍 強利東

（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，年日照時數在

2 560 h 以上，具備開發利用的客觀條件。

為了積極響應國家關于節能減排的倡導和要求，針對采油三廠探區的區域特點，結合現階段國內外在清潔能源和節能技術的發展成果，在油田產液加熱環節試驗了太陽能-熱泵復合加熱技術，并在現場進行了設備的運行測試，初步驗證了設備運行的可靠性，實現了產液加熱環節集約化管理和節能降耗的設計目標，為節能技術的進一步擴大運用取得了經驗。

1.2 井組原油集輸現狀

長慶油田采油三廠生產區域主要位于黃土高原，原油生產輸送主要依托單井管線匯集到增壓點站至接轉站集中外輸，原油脫水溫度為45 ℃，輸送溫度25～60 ℃，目前井口產液綜合含水50%左右，且有逐年遞增的趨勢。由于受氣候因素及原油品質的影響，在低溫輸送時會發生凝固或凝結，使原油的黏度增大，流動性變差，造成單井輸油管線結蠟堵塞，影響輸送效率，且管線堵塞會使油井井日回壓升高，抽油機負荷，為了保證原油的正常生產和輸送，在輸送過程中必須對原油進行加熱與保溫，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，造成能源浪費和環境污染，且安全隱患較大。同時，可用于產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、燃油和電能進行補充，使加熱成本大幅提高。

原油加熱依靠的設備為燃煤鍋爐、燃油鍋爐、燃氣鍋爐、伴生氣簡易加熱爐和電磁加熱器。據不完全統計采油三廠原油加熱生產環節每年消耗散燒原煤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-熱泵技術應用研究

2.1 太陽能-熱泵原油加熱系統功能簡介

2.1.1 系統構成

油田在用原油太陽能-熱泵復合加熱裝置通常由保溫換熱水箱、遠程控制柜、循環泵組、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、連接管道構成，具體構成見圖1。

圖1 系統結構示意圖

該裝置可根據安裝場站的實際條件進行配置選型，一般需要考慮的因素有總熱負荷、可利用面積和朝向、有無可利用的回注水和現場供電條件，根據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，優先使用太陽能，當太陽能能量不足時啟動熱泵進行加熱，滿足總熱負荷的需要。

為了提高節能率，降低成本和排放，在太陽能加熱系統中增加了熱泵技術，進一步減少了常規能源的消耗。熱泵技術是根據熱力學第二定律，通過使用壓縮機將環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，其過程中需要消耗一定的電能（圖2）。熱泵裝置從低溫熱源（如10 ℃的空氣或水）吸收熱量，吸收到的熱量連同壓縮機消耗的電能一起被輸出成為可用的高溫熱能（如45 ℃）。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生4.5 kWh 的熱能[1-4]。

2.1.2 遠傳控制系統

太陽能-熱泵原油加熱系統遠傳控制系統由PLC 控制柜、DTU（數據傳輸單元）、組態軟件、終端服務器構成（圖3）。太陽能-熱泵原油加熱系統通過裝置異地遠程監控、實時數據在線采集，確保了設備現場無人值守、實時數據在線監控，形成了適合油田野外生產要求的集成、穩定的自動化控制系統。

2017年、2018年抽穗期均遇持續1個月高溫，該組合結實率均在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，而該組合未發生倒伏，抗倒伏性強。

圖2 空氣熱泵技術原理

圖3 裝置遠程拓撲結構示意圖和遠程終端控制界面

2.1.3 系統功能

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

1）在優先使用太陽能的條件下，采用熱泵技術實現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，并可以根據各個場站的實際生產條件和環境狀態及時調節運行參數，使裝置在最經濟條件下穩定運行。

2）通過優選集熱材料和儲熱換熱方式，使太陽能利用率最大化，結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行科學配比，精確選型，取得合理的經濟效益。

3）系統主要部件參照油田行業標準設計制造，模塊化設計，增強可靠性和適用范圍。

4）裝置采用遠程PLC 云控制系統，及時調整經濟運行參數，實現設備無人值守[5-8]。

2.2 現場試驗

根據現場調研，2018 年在采油三廠4 個作業區現場試驗了原油太陽能-熱泵復合加熱技術，具體安裝明細見表1。

經過1 年以上的長時間運行，裝置節能效果顯著，運行期間通過采用不同方法在不同環境溫度條件下的運行數據分析，使我們對裝置的主要部件能效有了更進一步的了解，為今后太陽能和空氣源熱泵的現場設計應用提供了充分的參照。

1）分析測試數據。在相同的環境溫度下熱泵-太陽能復合模式的能效比最高，1 m3產液升溫1 ℃的單位耗電量最低。

2）運行數據分析。產液的平均溫升對設備整體的能效比和單位能耗影響較大，基于設備的運行原理，優先使用太陽能，其次采用空氣源熱泵，最后采用電加熱的加熱方法，如果設定的產液溫度高，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，在設備設計初期和實際運行的不同時期要考慮合理經濟的產液輸出溫度，避免過高的能耗補充。

3）現場的測試分析。驗證了原油太陽能-熱泵復合加熱技術的經濟性和可靠性，通過對不同加熱模式的實際數據分析，初步掌握了各個加熱手段的特點和優勢，為在油田生產的不同環境和外部條件下的具體應用提供了有價值的參考和經驗，而原油太陽能-熱泵復合加熱技術不斷成熟、推廣和應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，帶來巨大的經濟效益和環境效益。

表1 太陽能-熱泵原油加熱系統安裝明細

表2 太陽能-熱泵原油加熱系統測試數據

3 效果評價

3.1 理論計算

1）加熱爐節能監測標準。原油加熱系統節能測試及計算方法依據SY/T 6381—2016《加熱爐熱工測定》，太陽能-熱泵原油加熱系統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）節能效果評價計算標準。太陽能-熱泵原油加熱系統的節能指標計算執行SY/T 6422—2016《石油企業節能產品節能效果測定》，節能率計算方法按以下公式計算[8-10]：

式中，ξL——應用節能產品節能率，%；

B1——應用節能產品前的有效輸出熱量單耗，kg/MJ；

B2——應用節能產品后的有效輸出熱量單耗，kg/MJ。

3.2 現場應用測試評價

2018 年，采油三廠現場組織試驗4 臺太陽能，現場測試見表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到49.6 ℃，平均加熱效率 45.81%，平均日節電量為407.65 kWh，折合501 kg（標煤），達到了很好的節能效果。

表3 4 臺太陽能-熱泵輔助加熱裝置效果統計

4 結論

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

2）該系統在低成本條件下實現了對井組外輸原油的全年持續加熱，設備運行穩定，實現了異地遠程監控、實時數據采集和現場無人執守，能夠滿足油田野外環境應用的高集成、高穩定性需求。

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

4）該系統可有效防止油管結蠟，與傳統加藥和電加熱油管相比，成本低，操作簡單，具有廣闊的應用前景。