王向宏 葉朝曦

（1.中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司；2.化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院）

我國(guó)原油凝點(diǎn)普遍較高，黏度大，常溫下流動(dòng)性差。原油的開(kāi)采通常需要進(jìn)行二次采油乃至三次采油，從油井出油后的儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程必須對(duì)原油進(jìn)行加熱保溫，以期利用原油黏度對(duì)溫度的敏感性，達(dá)到降黏減阻的目的。蒸汽驅(qū)油法是目前國(guó)際上應(yīng)用最為普遍的重油開(kāi)采技術(shù)，通過(guò)向油層注入高溫蒸汽，降低原油黏度，提高采收率。從各個(gè)單井出口的原油匯集到地面站計(jì)量后，在送往下一站的過(guò)程中，需要將原油加熱至50～60℃，以保持良好的流動(dòng)性。調(diào)查表明，原油開(kāi)采注水、注汽以及原油儲(chǔ)運(yùn)維溫、管輸?shù)燃夹g(shù)環(huán)節(jié)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(kāi)采的原油量近20%用于企業(yè)內(nèi)部能耗。為解決上述問(wèn)題，尋找開(kāi)發(fā)能源新技術(shù)和進(jìn)一步利用可再生能源取代常規(guī)原油開(kāi)采、集輸過(guò)程的加熱方式成為新的研究熱點(diǎn)。太陽(yáng)能是目前可再生能源開(kāi)發(fā)利用的重要領(lǐng)域，具有清潔、分布廣泛的特點(diǎn)，近年來(lái)隨著太陽(yáng)能光熱技術(shù)的發(fā)展，太陽(yáng)能熱利用已成為油氣田新能源開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)。

研究了國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能光熱技術(shù)在油氣田節(jié)能上的應(yīng)用現(xiàn)狀，基于目前油氣田上太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)存在的不足，分析了聚光式集熱技術(shù)在原油開(kāi)采、儲(chǔ)運(yùn)等方面應(yīng)用的可行性，并對(duì)太陽(yáng)能光熱技術(shù)應(yīng)用于油氣田節(jié)能中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了探討。

1 太陽(yáng)能節(jié)能技術(shù)在油氣田上的應(yīng)用

1.1 太陽(yáng)能光熱技術(shù)發(fā)展

人類(lèi)利用太陽(yáng)能的歷史非常悠久，太陽(yáng)能熱利用技術(shù)也最為成熟。太陽(yáng)能光熱技術(shù)的基本原理是將太陽(yáng)輻射能收集起來(lái)，通過(guò)與物質(zhì)的相互作用轉(zhuǎn)換成熱能加以利用。根據(jù)工作溫度的不同，太陽(yáng)能光熱技術(shù)可分為低溫（40～80 ℃）、中溫（80～250 ℃）和高溫（300～800 ℃）三類(lèi)[1]。低溫?zé)崂弥饕獮樯钣脽?；中溫?zé)崂脩?yīng)用領(lǐng)域?yàn)楣I(yè)用熱；高溫?zé)崂每捎糜谔?yáng)能熱發(fā)電。太陽(yáng)能光熱技術(shù)在三種不同工作溫度下的主要應(yīng)用領(lǐng)域，見(jiàn)表1。

表1 太陽(yáng)能光熱技術(shù)根據(jù)工作溫度分類(lèi)

根據(jù)集熱方式的不同，太陽(yáng)能集熱器可分為聚光式和非聚光式兩類(lèi)。非聚光式主要在低溫系統(tǒng)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(yáng)光照射而加熱其內(nèi)部的傳熱介質(zhì)，吸收太陽(yáng)輻射的面積與采集太陽(yáng)輻射的面積相等，并且能夠利用太陽(yáng)輻射中的直射輻射和散射輻射，具有結(jié)構(gòu)和制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，無(wú)需跟蹤系統(tǒng)以及幾乎不需要維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。但由于地面上太陽(yáng)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?zé)崂孟到y(tǒng)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(shù)還具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）使用的溫度范圍廣（50～800 ℃），適用性強(qiáng)。

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(zhì)熱量。

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

就目前而言，太陽(yáng)能低溫集熱技術(shù)相對(duì)成熟，其中以太陽(yáng)能熱水器的應(yīng)用最為廣泛，商業(yè)化程度最高。在太陽(yáng)能中溫技術(shù)與工業(yè)節(jié)能應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)研究較少，雖然全球已陸續(xù)建立了百余個(gè)太陽(yáng)能熱利用工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用工程，但總體上說(shuō)還是缺少大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，聚光、儲(chǔ)熱等技術(shù)的不完善是其主要的制約因素。據(jù)了解，當(dāng)前我國(guó)的太陽(yáng)能熱利用技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用還幾乎處于空白[2]。太陽(yáng)能光熱發(fā)電是指，通過(guò)聚光器收集太陽(yáng)能，利用接收器將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成熱能加熱工質(zhì)，形成蒸汽驅(qū)動(dòng)熱動(dòng)力裝置發(fā)電。太陽(yáng)能熱發(fā)電站多建在戈壁荒漠之中，以美國(guó)和西班牙居多，國(guó)內(nèi)已建成實(shí)驗(yàn)性電站。現(xiàn)有的發(fā)電系統(tǒng)大致有槽式系統(tǒng)、塔式系統(tǒng)、碟式系統(tǒng)和菲涅爾式系統(tǒng)，其中槽式因其集熱溫度相對(duì)較低，目前技術(shù)最為成熟、建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)最小，也是太陽(yáng)熱發(fā)電中唯一實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)作的系統(tǒng)。

1.2 太陽(yáng)能光熱技術(shù)在油氣田上的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.2.1 太陽(yáng)能光熱技術(shù)在國(guó)外油氣田中的應(yīng)用

國(guó)外對(duì)太陽(yáng)能在燃料油儲(chǔ)存和原油輸送加熱中的應(yīng)用早有報(bào)道。1998年，約旦大學(xué)的Badran[3]等對(duì)當(dāng)?shù)匾患译姀S進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)該電廠5%的發(fā)電量用于加熱燃料油以保持其流動(dòng)性。為此他們?cè)O(shè)計(jì)了太陽(yáng)能燃油預(yù)熱裝置用于燃料油加熱，使得該裝置能夠?qū)⑷剂嫌蜏囟染S持在50 ℃以上。澳大利亞一家太陽(yáng)能公司利用透明蜂窩材料和選擇性涂層等增加太陽(yáng)能吸收系數(shù)同時(shí)抑制對(duì)流和輻射散熱，利用太陽(yáng)能熱二極管達(dá)到在管道輸送過(guò)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(chǔ)箱和集熱轉(zhuǎn)換裝置于一體的太陽(yáng)能熱二極管中低溫集熱裝置，采用一塑料片抑制夜間儲(chǔ)箱的對(duì)流散熱損失，用作燃油預(yù)熱裝置具有很好的效果。委內(nèi)瑞拉一條長(zhǎng)32 km 的稠油管道采用太陽(yáng)能熱二極管技術(shù)后，輸油溫度從28 ℃增加至60 ℃，輸送能力提高17%。自1994年以來(lái)，在世界各地，主要是熱帶和亞熱帶地區(qū)已建造了12 條示范輸油線(xiàn)（所用原油最低流動(dòng)溫度36 ℃），包括科威特、印度尼西亞和馬來(lái)西亞等國(guó)家和地區(qū)[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(yáng)能槽式聚光集熱試驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)間接加熱方式實(shí)現(xiàn)原油的化學(xué)破乳脫水。

最近，有報(bào)道稱(chēng)國(guó)外已經(jīng)將太陽(yáng)能光熱技術(shù)用于重油的熱采。2011年2月，貝瑞石油公司在美國(guó)加利福利亞建設(shè)了一個(gè)太陽(yáng)能工廠用于提高原油采收率[8]。目前該項(xiàng)目還處于示范研究階段，蒸汽非穩(wěn)態(tài)注入對(duì)油藏采出率是否有影響，還沒(méi)有確切的研究成果。針對(duì)Coalinga 油田重油采收難度大、能源消耗高等技術(shù)難題，美國(guó)雪佛龍公司提出了“太陽(yáng)能蒸汽”的技術(shù)構(gòu)想，并于2011年9月建設(shè)了一座29 MW 的塔式蒸汽發(fā)生系統(tǒng)[9,10]，直接產(chǎn)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(yáng)能蒸汽系統(tǒng)來(lái)維持整座油田以及“太陽(yáng)能蒸汽”技術(shù)的可行性和在不同壓力與溫度下“蒸汽”的產(chǎn)量上運(yùn)轉(zhuǎn)的可能性。

1.2.2 太陽(yáng)能光熱技術(shù)在國(guó)內(nèi)油氣田中的應(yīng)用

我國(guó)重油開(kāi)發(fā)已有近三十年的歷史，但就太陽(yáng)能光熱技術(shù)在油氣田中的節(jié)能應(yīng)用在最近十年才逐漸被重視。在原油開(kāi)采上，王學(xué)忠[11]提出了在勝利油田利用太陽(yáng)能輔助采油的技術(shù)構(gòu)想，并以孤東油田為例，分析了太陽(yáng)能輔助采油的技術(shù)可行性，但至今為止還沒(méi)有應(yīng)用先例。在原油集輸太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)方面，遼河油田在國(guó)內(nèi)率先應(yīng)用。2002年上海交通大學(xué)為遼河油田設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能加熱輸送原油裝置技術(shù)方案[12]，2004年華南理工大學(xué)完成了“原油集輸太陽(yáng)能加熱節(jié)能系統(tǒng)”科研項(xiàng)目攻關(guān)并在遼河油田興隆臺(tái)采油廠投入應(yīng)用[13,14]。整個(gè)系統(tǒng)包括水路裝置、輸油裝置和控制裝置，采用太陽(yáng)能集熱器間接加熱原油，通過(guò)水/原油換熱器實(shí)現(xiàn)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(yáng)能集熱器陣列加熱，在單純太陽(yáng)能加熱的情況下，經(jīng)過(guò)換熱器的原油最高溫度達(dá)到83 ℃。而在太陽(yáng)能輻射不足時(shí)，則開(kāi)啟燃燒器和水套爐對(duì)原油進(jìn)行二次加熱。文獻(xiàn)[12]根據(jù)遼河油田原油加熱輸送過(guò)程中的工藝條件及特點(diǎn)，在太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)中采用了大小蓄熱水箱，小蓄熱水箱用于系統(tǒng)的快速啟動(dòng)，大蓄熱水箱用于多余熱量的儲(chǔ)存，延長(zhǎng)了系統(tǒng)的供熱時(shí)間，從而優(yōu)化了整個(gè)系統(tǒng)的使用效率。

在邊緣井儲(chǔ)油罐加熱維溫上，江蘇油田根據(jù)邊遠(yuǎn)井站集油工藝特點(diǎn)，研究了原油集輸太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)對(duì)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(jìn)行了“太陽(yáng)能+輔助電加熱系統(tǒng)”的供熱模式的應(yīng)用嘗試。隨后該項(xiàng)技術(shù)在張鋪區(qū)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(jīng)濟(jì)效益[15]。同樣，華北油田公司自2006年開(kāi)始著手太陽(yáng)能光熱技術(shù)在油氣田應(yīng)用的研究和探索以來(lái)，已在冀中、二連油區(qū)的一些邊緣井站安裝30 多套太陽(yáng)能加熱裝置[16]。而河南油田也于2008年在古城油礦新投入開(kāi)發(fā)的井場(chǎng)中使用太陽(yáng)能對(duì)高架儲(chǔ)油罐進(jìn)行伴熱維溫[17]。

除上述報(bào)道外，大港油田、長(zhǎng)慶油田等[18,19]均開(kāi)發(fā)了小規(guī)模的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，部分取代常規(guī)能源解決油罐或管輸?shù)墓釂?wèn)題，研究表明節(jié)能效果明顯。

總的來(lái)說(shuō)，油氣田利用太陽(yáng)能光熱技術(shù)降低能耗水平主要包括兩個(gè)方面：通過(guò)太陽(yáng)能集熱作用降黏減阻，提高原油的儲(chǔ)運(yùn)維溫和加工處理能力；利用太陽(yáng)能集熱裝置生產(chǎn)高溫蒸汽，實(shí)現(xiàn)老油田中重質(zhì)原油的熱力開(kāi)采。就全國(guó)乃至世界范圍而言，太陽(yáng)能光熱技術(shù)在油氣田中節(jié)能應(yīng)用的案例并不多見(jiàn)，現(xiàn)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(shù)在油氣田上應(yīng)用的可行性分析

與常規(guī)能源最大的不同在于，太陽(yáng)能是一種低密度、間隙性、空間分布不斷變化的能源，對(duì)于油氣田節(jié)能上的太陽(yáng)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(huán)節(jié)。太陽(yáng)能集熱器是收集太陽(yáng)輻射能并把它轉(zhuǎn)化為熱能的主要部件，也是影響整個(gè)系統(tǒng)光熱效率的關(guān)鍵部件。

目前國(guó)內(nèi)的原油加熱系統(tǒng)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(yáng)能熱水系統(tǒng)雖能較好地滿(mǎn)足原油在集輸工藝上的用熱，但由于我國(guó)的油氣田大部分集中在氣候較寒冷的北方地區(qū)，在冬季時(shí)水容易結(jié)凍，影響系統(tǒng)運(yùn)行，而且其較低的工作溫度也限制了太陽(yáng)能技術(shù)在油氣田上多方位應(yīng)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(xiàn)有的太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)，本文認(rèn)為若能將太陽(yáng)能聚光集熱技術(shù)，特別是商業(yè)化運(yùn)作較為成熟的槽式聚光集熱技術(shù)用于原油開(kāi)采、集輸?shù)裙に嚕ㄟ^(guò)選定合適的聚光比和傳熱介質(zhì)，定能很好地解決太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)冬季結(jié)凍和常規(guī)原油開(kāi)采過(guò)程中大能耗等問(wèn)題。

除了用于大規(guī)模發(fā)電外，以槽式集熱為基礎(chǔ)的太陽(yáng)能利用系統(tǒng)可以方便地產(chǎn)出100～350 ℃的蒸汽或熱水，從而廣泛地適用于油氣田的生產(chǎn)用熱，其應(yīng)用的關(guān)鍵在于如何生產(chǎn)出適合于油氣田的，性?xún)r(jià)比高的槽式太陽(yáng)能集熱設(shè)備。以導(dǎo)熱油為傳熱介質(zhì)的槽式太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)已被證實(shí)為目前最為成熟的聚光式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者[20,21]正在研究采用水做介質(zhì)的槽式太陽(yáng)能直接蒸汽發(fā)生系統(tǒng)（DSG），這些技術(shù)的發(fā)展為聚光式集熱系統(tǒng)在油氣田上節(jié)能應(yīng)用提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

當(dāng)然，在油氣田上應(yīng)用聚光式太陽(yáng)能集熱器有一定的特殊要求，從設(shè)備維護(hù)的角度考慮，例如為了保持光學(xué)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，需要考慮系統(tǒng)長(zhǎng)期性的防塵、抗氧化和大氣腐蝕等。從工程實(shí)用的觀點(diǎn)看，聚光式集熱器維護(hù)復(fù)雜，制造和運(yùn)行費(fèi)用較高，這就限制了它的廣泛使用。然而，隨著太陽(yáng)光熱技術(shù)以及材料、設(shè)計(jì)、制造行業(yè)的不斷發(fā)展，聚光式集熱器的應(yīng)用領(lǐng)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(wěn)定的聚光集熱系統(tǒng)已成為近幾年的研究熱點(diǎn)，相信在不久的將來(lái)，聚光式太陽(yáng)能集熱技術(shù)定會(huì)在油氣田節(jié)能應(yīng)用上大放異彩。

1.4 問(wèn)題與討論

1）與常規(guī)能源不同，太陽(yáng)能具有間歇性和不穩(wěn)定性的特點(diǎn)，在原油加熱或開(kāi)采過(guò)程中如何保證太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定地工作，是太陽(yáng)能光熱技術(shù)在油氣田節(jié)能應(yīng)用中的一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題，也是一個(gè)難題。在太陽(yáng)能系統(tǒng)中設(shè)置蓄熱裝置是解決太陽(yáng)能穩(wěn)定性問(wèn)題最有效的方法之一。通過(guò)太陽(yáng)能蓄熱系統(tǒng)可以將太陽(yáng)能多余的熱量暫時(shí)儲(chǔ)存起來(lái)，等到?jīng)]有日照或陰雨天氣時(shí)再將這部分熱量釋放出來(lái)，從而保證整個(gè)系統(tǒng)熱量的平穩(wěn)輸出，同時(shí)起到削峰填谷的作用。由于目前的技術(shù)還未能實(shí)現(xiàn)以太陽(yáng)能為單一熱源進(jìn)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(xué)者[21-22]也正在研究太陽(yáng)能-熱泵、風(fēng)光電一體化等聯(lián)合系統(tǒng)在油氣田上的應(yīng)用。

2）太陽(yáng)能集熱效率很大程度上決定了油氣田的節(jié)能效益，影響集熱效率的因素很多，如光學(xué)，結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境等，其中光學(xué)是最為關(guān)鍵因素。尋找新材料、新技術(shù)改善集熱器的光學(xué)性能、提高聚光集熱系統(tǒng)的跟蹤精度，從而提高太陽(yáng)能集熱效率，是目前光熱技術(shù)發(fā)展的重要研究方向。

3）油氣田所在地區(qū)往往多風(fēng)、大風(fēng)甚至沙塵暴頻起，在油氣田上應(yīng)用太陽(yáng)能光熱技術(shù)要加強(qiáng)集熱器的抗風(fēng)沙能力。集熱器是太陽(yáng)集熱系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵部件，集熱器的性能會(huì)顯著影響整個(gè)系統(tǒng)的總體性能。由于聚光器長(zhǎng)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(fēng)沙還會(huì)給太陽(yáng)能集熱單元帶來(lái)破壞性的危害。

2 結(jié)語(yǔ)

從能源利用和現(xiàn)有的技術(shù)來(lái)看，太陽(yáng)能光熱技術(shù)用于原油熱采或儲(chǔ)油預(yù)熱，提高原油的管輸能力是石油企業(yè)現(xiàn)實(shí)可行的利用太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)油氣田節(jié)能的技術(shù)方案。經(jīng)過(guò)多年的研究，太陽(yáng)能光熱技術(shù)在油氣田節(jié)能應(yīng)用方面已取得了初步的進(jìn)展，然而，當(dāng)前的太陽(yáng)能利用還屬于低效率、小規(guī)模、發(fā)展不全面，仍然存在關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題亟待突破。國(guó)內(nèi)外的研究報(bào)道雖為我們展示了良好的應(yīng)用前景，但太陽(yáng)能在油氣田上的節(jié)能應(yīng)用依然有很長(zhǎng)的一段路要走。

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