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太陽能在油氣田地面工程中的應(yīng)用

文檔作者：侯磊1，張欣1，周偉2 文檔來源： 1．中國石油大學(xué)(北京) 2．中國石油西部管道公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年08月08日
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應(yīng)用能源技術(shù)2011年第1期(總第157期)
太陽能在油氣田地面工程中的應(yīng)用
侯磊1，張欣1，周偉2
(1．中國石油大學(xué)(北京)，北京102249；2．中國石油西部管道公司，新疆烏魯木齊830012)
摘要：介紹了太陽能在國內(nèi)外油氣田地面工程領(lǐng)域的利用情況，包括用太陽能加熱原油、
光熱效應(yīng)用于邊緣井站儲油罐維溫、太陽能照明以及太陽能用于計量間采暖，闡述每種應(yīng)用系
統(tǒng)的組成、原理和特點。分析了太陽能在油氣田地面工程中應(yīng)用中存在的問題，提出具體的解
決措施。
關(guān)鍵詞：太陽能；油氣田；加熱原油；照明；采暖
中圖分類號：$214 文獻標志碼：B 文章編號：1009—3230(2011)Ol一0040—04
Application of Solar Energy in Oil—Gas field Surface Engineering
HOU Leil，ZHANG Xinl，ZHOU Wei2
(1．China University of Petroleum，Beijing 102249，China；
2．Petrochina West Pipeline Company，Urumqi 830012，China)
Abstract：The Application status of solar energy in oil and
gas field surface engineering home and
abroad is presented．It includes heating crude oil in pipeline and temperature maintaining of tanks in
marginal well station，illuminating and heating for metering house．The composition，operation
principle，characteristics of the solar energy utilization systems ale narrated．The existing problems for
solar energy application are proposed．The corresponding solution measures are suggested．
Key words：Solar energy；Oil and gas field；Crude oil heating；Illumination；Heating．
O 前言
隨著我國油氣田的持續(xù)開發(fā)建設(shè)，能源節(jié)約
和環(huán)境污染顯得越來越重要。如何在有限的資源
和嚴格的環(huán)保要求的雙重制約下，實現(xiàn)油氣田地
面工程的能源節(jié)約已經(jīng)成為重要的研究課題。越
來越多的國家深刻意識到發(fā)展低碳經(jīng)濟的重要性
以及開發(fā)可再生資源的戰(zhàn)略價值。在可再生資源
中，太陽能以其儲量大、時間長久、開發(fā)利用清潔
性、存在普遍性和逐步顯露的經(jīng)濟性等優(yōu)勢，被各
個國家視為解決常規(guī)能源危機以及環(huán)境污染等問
題的有效方法。將太陽能應(yīng)用到油氣田地面工
程，不僅能節(jié)約大量能源，而且還能改善環(huán)境，符
合低碳經(jīng)濟發(fā)展的要求。文中主要介紹太陽能在
收稿日期：2010—10一ll 修訂日期：2010—12一15
作者簡介：侯磊f1966一)，男，副教授，博士，從事油氣儲運
【程教學(xué)科研工作。
國內(nèi)外油氣田地面工程中利用情況，分析太陽能
在油氣田地面工程應(yīng)用中存在的問題，并提出相
應(yīng)的改進措施。
1 太陽能在油氣田地面工程中的應(yīng)
用狀況
1．1太陽能在國外油氣田地面工程中的應(yīng)用
國外有較多的將太陽能在原油和燃油輸送加
熱中應(yīng)用的實例n-2]。1984年，澳大利亞太陽能
公司成功完成了稠油管道試驗，在太陽能充足的
條件下，原油溫度可提高40。c，夜間也可以提高
lo℃；委內(nèi)瑞拉一條長32kin的稠油管道采用太
陽能熱二極管技術(shù)后，輸油溫度從28℃增加至
60℃，輸送能力提高17％L31；在科威特、印度尼西
亞、馬來西亞等國家和地區(qū)也建有太陽能加熱示
范管道。土耳其Mohamad開發(fā)了一種集儲存箱
和集熱轉(zhuǎn)換裝置于一體的太陽能熱二極管中低溫
萬方數(shù)據(jù)
2011年第1期(總第157期) 應(yīng)用能源技術(shù)41
集熱裝置，采用一塑料片抑制夜間儲存箱的對流
散熱損失，對于燃料預(yù)熱具有較好的效果；澳大利
亞太陽能系統(tǒng)公司開發(fā)的Helitherm系統(tǒng)Ho，是利
用太陽能對管線伴熱，其核心是熱二極管，熱二極
管包括透明保溫材料、不透明保溫材料和光譜選
擇層，這三部分共同作用，產(chǎn)生二極管的效應(yīng)，吸
收陽光并保持熱量，該系統(tǒng)已取得了專利，在管線
上安裝Helitherm系統(tǒng)可以提高管道輸量，將油溫
保持在環(huán)境溫度以上50℃，降低泵送系統(tǒng)操作壓
力。
1．2太陽能在國內(nèi)油氣田地面工程中的應(yīng)用
1．2．1太陽能加熱原油系統(tǒng)
太陽能加原油熱系統(tǒng)主要由集熱、蓄熱、供熱
子系統(tǒng)和輔助熱源等4部分組成”J，如圖l所示。
集熱系統(tǒng)由真空管太陽能集熱器和循環(huán)管道組
成，在集熱和供熱子系統(tǒng)之間增設(shè)了蓄熱系統(tǒng)，以
解決太陽能的供給與需求在數(shù)量和時間上不能很
好地匹配和協(xié)調(diào)的問題。當太陽輻射能過多時，
蓄水箱吸收太陽能，將熱能儲存起來，需要熱能
時，蓄熱單元對管陣中的導(dǎo)熱介質(zhì)加熱；當太陽能
不充分時，需依靠加熱爐輔助加熱來維持系統(tǒng)的
正常運轉(zhuǎn)。
油溫
環(huán)境溫度
環(huán)境光照
蓄熱箱溫
圖1 太陽能加熱原油系統(tǒng)構(gòu)成
采用間接加熱，整個加熱系統(tǒng)與常規(guī)原油加
熱系統(tǒng)可以聯(lián)合運行，也可以獨立運行。系統(tǒng)設(shè)
有大小兩個蓄水箱，這樣可以將多余的熱量蓄存
起來，保證在太陽能輻射不足的時候，有充分的熱
量加熱原油。另外也可以減少系統(tǒng)的啟動時間。
采用熱管式真空管太陽能集熱器，這種集熱器具
有防凍抗凍能力強、系統(tǒng)承壓好、熱效率高、啟動
快、運行可靠、壽命長、安全經(jīng)濟等特點K一¨。
2005年，原油集輸太陽能加熱節(jié)能系統(tǒng)在中
國石油遼河油田興隆臺采油廠56站試運行一次
成功哺】，系統(tǒng)自動關(guān)閉天然氣加熱，在單純太陽
能加熱的情況下，經(jīng)過換熱器的原油最高溫度達
到85℃，之后系統(tǒng)啟動天然氣加熱，由雙系統(tǒng)共
同工作。該系統(tǒng)自正式投入生產(chǎn)運行至今，經(jīng)歷
了各種天氣變化的考驗，即使在低溫的天氣(一
22℃)時，系統(tǒng)也能安全穩(wěn)定地運行，平均日節(jié)約
天然氣240mM引。
1．2．2光熱效應(yīng)在邊緣井站儲油罐維溫中的應(yīng)用
傳統(tǒng)的邊緣井站耗能都是以電為主，其中大
部分電能用來加熱儲油罐。這種工藝生產(chǎn)方式不
僅耗電量很大，費用高，而且用于加熱的電加熱棒
易損壞，危險性高。利用太陽能效應(yīng)對邊緣井站
的儲油罐加熱系統(tǒng)進行節(jié)能改造。
單井儲油罐太陽能加熱裝置主要由太陽能集
熱器、高效儲能換熱器、控制器及熱水罐四大部分
組成。其中太陽能集熱和高效儲能換熱器為一體
化設(shè)計，控制器依據(jù)儲液罐內(nèi)溫度確定是否需要
補充加溫，整個系統(tǒng)實現(xiàn)了自動化控制。裝置結(jié)
構(gòu)圖如圖2所示。此系統(tǒng)以太陽能為主要能源，
當光照充足時，能夠利用太陽能持續(xù)加熱。只在
特殊氣候條件下需要使用電輔助加熱。集熱器以
閉路循環(huán)形式使加熱盤管內(nèi)載熱工質(zhì)循環(huán)，通過
熱交換系統(tǒng)對儲罐原油加溫。
圖2單井儲油罐太陽能加熱系統(tǒng)工作流程
2008年，河南油田首次使用太陽能裝置給油罐
加熱㈤1，在確保安全生產(chǎn)的情況下，滿足任何時間裝
運原油所需的45℃左右的溫度。該裝置采用電腦
控制，智能化自動運行，操作簡單，具有安全、節(jié)能、
萬方數(shù)據(jù)
42 應(yīng)用能源技術(shù)2011年第l期(總第157期)
高效的優(yōu)點。大港油田采油三廠棗大站卸油臺兩具
油罐罐共安裝8臺電加熱棒加熱運行，年耗電量約
80萬kW·h，日耗電量達2 200 kW·h，2009年實施
集群太陽能加溫裝置結(jié)合輔助電加熱的改造阻¨。
以太陽能為主要能源，陰雨天氣配合電輔助加熱，
通過加熱盤管間接加熱儲油罐內(nèi)液體，替代了原
有電加熱棒加熱的方法，從而在根本上杜絕了漏
電、液位低仍在加熱等事故造成的危害和隱患，真
正實現(xiàn)了安全生產(chǎn)。據(jù)電表計量統(tǒng)計，同期對比
13均節(jié)電1 400 kW·h。
1．2．3太陽能照明
太陽能照明系統(tǒng)由太陽能電池組件、光源、控
制器、蓄電池組等部分構(gòu)成，總體分為太陽能發(fā)
電、儲能和照明三部分。當陽光充足時，電池方陣
發(fā)電并對蓄電池充電，蓄電池儲存的電力經(jīng)逆變
器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，為照明系統(tǒng)供電；當連續(xù)陰雨天
時，導(dǎo)致太陽能供電不足，需要利用市電對照明系
統(tǒng)進行補充【12—31。
太陽能照明在油氣田地面工程中已經(jīng)得到了
廣泛的應(yīng)用。新疆油田在克拉瑪依六九區(qū)17號
站供熱站首次試驗和應(yīng)用太陽能照明系統(tǒng)。該系
統(tǒng)采用固定式3．4 kW太陽能離網(wǎng)發(fā)電，包括5個
680 Wp方陣、l臺5kW太陽能離網(wǎng)控制逆變一體
機，輸出220 V單相交流電。發(fā)電單元可以直接
為蓄電池充電，蓄電池儲能為照明裝置供電，負載
用電可以在太陽能用電和市電間切換。節(jié)能測試
結(jié)果表明，應(yīng)用太陽能照明系統(tǒng)，不僅實現(xiàn)了供熱
站夜間照明，而且用電負荷降為原來的1／10。
1．2．4太陽能在計量間采暖中的應(yīng)用
為了在油氣集輸系統(tǒng)中降低能耗，對油井采
取不加熱集油。雖然為油田生產(chǎn)節(jié)約了大量的熱
能，但同時由于不需要熱水伴熱，也影響了計量間
的冬季供暖。在沒有供熱來源和水源的條件下，
可引入太陽能對計量間進行采暖。太陽能采暖系
統(tǒng)由兩個獨立的循環(huán)回路構(gòu)成，分別是集熱回路
和散熱回路。集熱回路是由集熱器和儲水箱構(gòu)成
的，它是由溫度控制柜控制的兩個溫控回路實現(xiàn)
的。散熱回路是由儲水箱和散熱設(shè)備組成。這兩
個回路在儲水箱水溫達到一定溫度后開始同時進
行循環(huán)工作¨引。
工作流程圖如圖3所示，太陽能采暖系統(tǒng)由
兩個獨立的循環(huán)回路構(gòu)成，分別是集熱回路和散
熱回路。集熱回路是由集熱器和儲水箱構(gòu)成的，
它是由溫度控制柜控制的兩個溫控回路實現(xiàn)的。
L、疋是兩個溫度傳感器測得的溫度，E是集熱
器內(nèi)熱媒的溫度，疋是水箱內(nèi)的溫度。散熱回路
是由儲水箱和散熱設(shè)備組成。這兩個回路是在儲
水箱的水溫達到一定溫度后開始同時進行循環(huán)工
作的。啟動儲水箱旁的循環(huán)泵，將水箱內(nèi)的水打
人集熱器，水溫逐漸升高。當E大于60℃時打
開電磁閥S。，數(shù)秒后啟動循環(huán)泵，將儲水箱內(nèi)冷
水頂入集熱器，這樣通過不斷抽冷水又不斷頂出
熱水回到水箱的循環(huán)，集熱器不斷將太陽曬熱的
水送人儲水箱，當正=疋時關(guān)閉電磁閥S，和熱
水泵，此時儲水箱水溫可以提供散熱回路所需散
熱量，室內(nèi)采暖系統(tǒng)的循環(huán)泵在智能溫度控制下
開始帶動室內(nèi)散熱器和管道循環(huán)，進行輻射散熱。
隨著熱量的散失，當死>45℃且瓦一疋>20℃
時，啟動電磁閥S。和熱水泵，開始新一輪加熱
循環(huán)。
S：電磁閥
圈3太陽能集熱系統(tǒng)原理流程圖
2 問題與建議
(1)太陽輻射強度因受地區(qū)、氣候、季節(jié)和晝
夜變化等因素影響，時強時弱，時有時無，具有不
穩(wěn)定性和間歇性。風(fēng)能和太陽能資源都具有不穩(wěn)
定性和間歇性，二者可以形成天然互補性，利用風(fēng)
萬方數(shù)據(jù)
2011年第1期(總第157期) 應(yīng)用能源技術(shù)43
能發(fā)電，將電能應(yīng)用于電加熱系統(tǒng)；利用太陽能產(chǎn)
生的熱量對原油進行加熱，可保證原油加熱系統(tǒng)
的持續(xù)穩(wěn)定工作。
(2)太陽能能流密度較低，日照較好的時候，
地面上每l m2面積所接受的能量只有1 kW左
右。往往需要相當大的采光集熱面才能滿足使用
要求，從而使裝置占地面積大。將太陽能技術(shù)與
熱泵技術(shù)結(jié)合起來，發(fā)展太陽能型熱泵，將太陽能
作為蒸發(fā)器的熱源，可同時提高太陽能集熱器效
率和熱泵系統(tǒng)性能。
(3)由于太陽能供熱技術(shù)受外界條件影響比
較嚴重而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，可以采用較好的蓄熱
材料和結(jié)構(gòu)，使得太陽能加熱系統(tǒng)在輻射充足時，
蓄熱結(jié)構(gòu)儲存足夠多的熱量，供夜晚和陰雨天等
情況下使用。
(4)研發(fā)新型集熱器，在滿足供熱需求的情
況下，盡量縮小集熱器面積，將太陽能加熱技術(shù)應(yīng)
用于更廣泛的場合，如大型儲罐內(nèi)原油加熱。
(5)對太陽能加熱設(shè)備，開發(fā)適用的防垢阻
垢技術(shù)以改善加熱效果。
(6)對于太陽能照明系統(tǒng)應(yīng)該提高配置，合
理匹配各組成部分，而不是單純地加大蓄電池
容量。
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萬方數(shù)據(jù)

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