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前 言
遼寧省盤(pán)錦市的遼河油田是我國(guó)產(chǎn)油基地之一，是產(chǎn)能大戶，但同時(shí)又是能耗大戶，在采油、集輸?shù)拳h(huán)節(jié)需要消耗大量能源。遼河油田位于太陽(yáng)能資源較豐富的地區(qū)，若能將太陽(yáng)能應(yīng)用于原油加熱中，必將在節(jié)能降耗、綠色環(huán)保方面起到極的作用。
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重要性及國(guó)外現(xiàn)狀
我國(guó)的原油凝固點(diǎn)普遍較高，粘度大，常溫下流動(dòng)性差，因此從油井出油后的輸運(yùn)過(guò)程中必須進(jìn)行加熱與保溫。據(jù)調(diào)查，在油田的采油、集輸?shù)冗^(guò)程中，產(chǎn)出的天然氣中至少有20%左右消耗在原油加熱與處理中。
太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)在降低油田能耗的應(yīng)用，主要包括三個(gè)方面：（1）原油預(yù)熱，將原油預(yù)熱并維持在50℃以上，以利于儲(chǔ)存（保持其流動(dòng)性）；（2）原油加熱，降低原油的粘度，明顯提高原油管的輸送能力：（3）水的加熱，原油熱采通常要注入熱水或蒸汽，利用太陽(yáng)能對(duì)水進(jìn)行加熱。
近年來(lái)，國(guó)外不斷地有太陽(yáng)能加熱在石油開(kāi)采及輸送的報(bào)道。
約旦大學(xué)在對(duì)一家電廠調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，該電廠5%的發(fā)電量用于加熱燃料油，因?yàn)檫@些燃料油在通常環(huán)境溫度下粘度較高，必須加熱到50℃并在該溫度下儲(chǔ)存，因而他們設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能燃料油預(yù)熱裝置，加熱燃料油使其溫度維持在50℃以上。
澳大利亞一家公司利用太陽(yáng)能加熱技術(shù)，通過(guò)采用透明蜂窩材料和選擇性吸收涂層等，在增加太陽(yáng)吸收比的同時(shí)，盡可能抑制對(duì)流和輻射散熱損失，對(duì)原油儲(chǔ)槽加熱以降低粘度。
土耳其科學(xué)家提出一種集太陽(yáng)能集熱器和儲(chǔ)存箱為一體的中低溫集熱裝置，當(dāng)燃油吸收太陽(yáng)輻射時(shí)粘度會(huì)降低，流動(dòng)會(huì)容易，再利用一塑料片抑制夜間儲(chǔ)存箱的對(duì)流散熱損失，這種燃油預(yù)熱裝置具有很好的效果。
然而，在國(guó)內(nèi)過(guò)去還未見(jiàn)有太陽(yáng)能加熱技術(shù)在油田開(kāi)采輸送過(guò)程中的應(yīng)用先例。
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原油加熱工藝參數(shù)要求
為了充分而有效地利用太陽(yáng)能資源，北京市太陽(yáng)能研究所與兄弟單位合作，實(shí)地考查了遼河油田興隆臺(tái)采油廠的實(shí)際情況，認(rèn)真分析了能耗現(xiàn)狀，并在開(kāi)展大量前期工作的基礎(chǔ)上，完成了興隆臺(tái)采油廠某站太陽(yáng)能加熱輸送油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。
從能源利用和現(xiàn)有技術(shù)的可行性來(lái)看，太陽(yáng)能加熱技術(shù)用于燃油或儲(chǔ)油預(yù)熱以提高原油管道的輸送能力，以及在原油熱采中利用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)對(duì)水進(jìn)行加熱，是目前石油企業(yè)利用太陽(yáng)能加熱以實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果最現(xiàn)實(shí)可行的技術(shù)方案。
表1給出了遼河油田興隆臺(tái)采油廠某站原油輸送加熱的具體工藝參數(shù)要求。表中的溫度指標(biāo)是比較適合太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換能量的低品位特性，所以利用太陽(yáng)能加熱來(lái)輸送原油符合現(xiàn)存的實(shí)際情況。
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太陽(yáng)能原油加熱系統(tǒng)技術(shù)方案
遼河油田太陽(yáng)能原油加熱系統(tǒng)已于2005年建成并投入運(yùn)行，如圖1所示。系統(tǒng)平均每天節(jié)省30%左右的天然氣用量。
該太陽(yáng)能原油加熱輸送系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱器陣列、循環(huán)泵、輸送管道閥門、蓄熱箱、原油換熱器、水套加熱爐、控制系統(tǒng)等幾部分組成。圖2給出了系統(tǒng)流程示意圖。
3.1運(yùn)行原理
如圖2所示，在足夠的太陽(yáng)輻射條件下，開(kāi)啟循環(huán)泵P1，防凍液從蓄熱箱中抽出，經(jīng)閥門V1，進(jìn)入太陽(yáng)能集熱器陣列。被太陽(yáng)能加熱后的防凍液經(jīng)閥門V2，進(jìn)入換熱器。此時(shí)閥門V4關(guān)閉。防凍液與原油換熱后，經(jīng)閥門V3，返回蓄熱箱。
在換熱器中加熱后的原油，通過(guò)換熱器出口后進(jìn)入水套加熱爐中，水套加熱爐則根據(jù)所需原油溫度的高低進(jìn)行自動(dòng)點(diǎn)火加熱。
當(dāng)太陽(yáng)輻射富裕時(shí)，在保持閥門V2開(kāi)啟的情況下，同時(shí)開(kāi)啟閥門V4，被太陽(yáng)能加熱后的部分防凍液經(jīng)閥門V4，進(jìn)入蓄熱箱，使蓄熱箱內(nèi)的防凍液逐漸加熱，從而將多余的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)。
當(dāng)太陽(yáng)輻射不足時(shí)，關(guān)閉循環(huán)泵P1，防凍液停止循環(huán)。開(kāi)啟循環(huán)泵P2，防凍液經(jīng)閥門V5、V6，進(jìn)入換熱器。此時(shí)閥門V2關(guān)閉。防凍液與原油換熱后，經(jīng)閥門V3，返回蓄熱箱。
如果換熱器出口端的防凍液溫度接近進(jìn)口端的防凍液溫度，則關(guān)閉閥門V6，開(kāi)啟閥門V7，讓防凍液經(jīng)過(guò)閥門V7返回蓄熱箱。此時(shí)原油管道的閥門V9關(guān)閉，閥門V8開(kāi)啟，原油經(jīng)閥門V8直接進(jìn)入水套加熱爐
3.2 太陽(yáng)能集熱器陣列
考慮到盤(pán)錦地區(qū)冬季寒冷的氣候特點(diǎn)及要求原油的升溫指標(biāo)，決定選用熱管式真空管集熱器作為加熱原油的太陽(yáng)能集熱器。熱管式真空管集熱器具有耐冰凍、效率高、承壓大、啟動(dòng)快、保溫好、耐冷熱沖擊、運(yùn)行安全可靠、易于安裝維修等諸多優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)原油加熱工藝參數(shù)的要求，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察并結(jié)合當(dāng)?shù)靥?yáng)輻射資源的特點(diǎn)及真空管太陽(yáng)能集熱器的性能，確定采用245組熱管式真空管集熱器，總采光面積為392m2，包括1,960支真空集熱管。
太陽(yáng)能集熱器場(chǎng)地總面積近似為800m2（22m×36m）。從系統(tǒng)阻力及場(chǎng)地形狀考慮，采用串并聯(lián)的形式來(lái)布置真空管集熱器，如圖3所示。
系統(tǒng)運(yùn)行采用溫差控制方式。選用容積為5m3的蓄熱箱，儲(chǔ)存充余的熱量以備系統(tǒng)在無(wú)太陽(yáng)輻射時(shí)使用。
3.3 原油換熱器
系統(tǒng)采用間接加熱方式，即利用太陽(yáng)能集熱器提供熱量給傳熱介質(zhì)，該傳熱介質(zhì)再通過(guò)換熱器把熱量間接傳遞給原油。考慮到東北地區(qū)的氣候特點(diǎn)，選用防凍液作為系統(tǒng)第一循環(huán)的傳熱介質(zhì)。在換熱器中加熱后的原油，通過(guò)換熱器出口后進(jìn)入水套加熱爐中，水套加熱爐則根據(jù)所需原油溫度的高低進(jìn)行自動(dòng)點(diǎn)火加熱。
從理論上講，間接加熱方式的效率低于直接加熱方式，然而從安裝、調(diào)試、運(yùn)行、維護(hù)、維修等角度來(lái)看，采用間接加熱方式可以最大程度地利用現(xiàn)有成熟的太陽(yáng)能集熱技術(shù)和現(xiàn)有的太陽(yáng)能集熱器產(chǎn)品，因此這種技術(shù)方案可靠、穩(wěn)定；從成本角度來(lái)看，雖然間接加熱方式需增添一臺(tái)中間換熱器，但是可節(jié)省太陽(yáng)能集熱器改造的費(fèi)用，同時(shí)由于系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性強(qiáng)，因而可大大節(jié)約系統(tǒng)維護(hù)、維修費(fèi)用；另外，通過(guò)對(duì)原水套爐的改造，已將原有水套爐和換熱器的功能合二為一，進(jìn)一步減少了換熱過(guò)程中的能量損耗，既降低了成本，又提高了效率。
換熱設(shè)備在煉油、石油化工以及在其它工業(yè)中使用廣泛。在換熱器選型時(shí)，考慮的因素很多，例如材料、壓力、溫度、溫度差、壓力降、結(jié)垢的情況、流體的狀態(tài)、應(yīng)用方式、修檢和清理等。
原油輸送管道有一定的壓力，而且原油的粘度較大，易結(jié)垢，有一定的腐蝕性。考慮到換熱器的清洗、維護(hù)、維修、裝拆方便等因素，決定采用固定管板式波紋管高效換熱器。表2給出了高效換熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)。在換熱器內(nèi)，原油走管程，防凍液走殼程。換熱面積為55m2 左右，如圖4所示。
表2 高效換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)和工作參數(shù)
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參 數(shù) 名 稱 |
管 程 |
殼 程 |
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介質(zhì) |
原油（油、水、氣） |
防凍液 |
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工作溫度（℃） |
55～68 |
60～73 |
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設(shè)計(jì)溫度（℃） |
70 |
90 |
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工作壓力（M Pa） |
0.6 |
0.4 |
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設(shè)計(jì)壓力（M Pa） |
0.78 |
0.58 |
固定管板式波紋管高效換熱器是在原有傳統(tǒng)管殼式換熱器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，改變換熱管的形狀以取代傳統(tǒng)換熱器的光管。該換熱器的最大優(yōu)點(diǎn)是傳熱系數(shù)高，由于傳熱流體在管內(nèi)、管外形成了充分的湍流，因而傳熱系數(shù)大大提高，達(dá)到了強(qiáng)化傳熱的目的。
該換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維修，節(jié)省投資。它繼承了管殼式換熱器的堅(jiān)固耐用、安全可靠等特點(diǎn)，同時(shí)又克服了傳統(tǒng)管殼式換熱器的換熱能力差、易堵塞、易結(jié)垢等缺點(diǎn)。
該換熱器還具有抗污作用，由于流體不斷改變流動(dòng)方向而沖刷換熱管的管壁面，因而沉積物質(zhì)不易在壁面停留，使換熱器能夠保持連續(xù)而穩(wěn)定的高效換熱性能。由于該換熱器的傳熱系數(shù)比原管殼式換熱器提高了很多，因而在相同換熱條件下可大大減少換熱面積，而且不必采用很高的流速，從而降低了換熱器的流動(dòng)阻力，減少了換熱器的附屬設(shè)備投資。
換熱管具有傳熱效率高、不腐蝕、不易結(jié)垢等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)換熱管形狀的改變，不但實(shí)現(xiàn)了管材、管徑、壁厚等參數(shù)的優(yōu)化組合，獲得了換熱設(shè)備設(shè)計(jì)的最佳選擇，而且具有良好的傳熱與流體力學(xué)性能；另外，由于換熱管形狀的改變，管壁得到強(qiáng)化，使換熱管的抗爆破和抗拉伸強(qiáng)度及耐應(yīng)力腐蝕性能都得到提高，從而提高了換熱設(shè)備的可靠性和使用壽命。
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結(jié) 語(yǔ)
遼河油田太陽(yáng)能原油加熱系統(tǒng)開(kāi)創(chuàng)了太陽(yáng)能加熱技術(shù)在油田開(kāi)采輸送過(guò)程中的應(yīng)用，它不僅為油田節(jié)省了大量的天然氣消耗，而且在綠色環(huán)保方面取到了積極的示范與推廣作用。經(jīng)過(guò)方案的經(jīng)濟(jì)性分析，該項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)油田的推廣使用將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
來(lái)源：北京市太陽(yáng)能研究所集團(tuán)有限公司 律翠萍
