研究 | 三北地區(qū)油田生產(chǎn)光熱利用初探
發(fā)布者:admin | 來源:油氣與新能源 | 0評論 | 5066查看 | 2021-12-17 19:29:58    

摘要:降低熱能使用量及利用清潔能源替代化石能源的熱能使用是當(dāng)前油田綠色發(fā)展的主要方向。為加快推動油田光熱規(guī)?;?、規(guī)范化應(yīng)用,在分析西北、東北及華北地區(qū)(簡稱三北地區(qū))油田用熱情況及熱能替代方向、光熱技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及各種集熱技術(shù)特點的基礎(chǔ)上,結(jié)合稠油及稀油開發(fā)生產(chǎn)的不同用熱需求,明確了光熱在油田應(yīng)用需要解決的技術(shù)問題;結(jié)合油田應(yīng)用環(huán)境、油田光熱應(yīng)用的優(yōu)勢資源及制約因素,提出了“頂層設(shè)計、科研攻關(guān),示范引領(lǐng)、小步迭代,開拓商業(yè)合作模式、促進(jìn)規(guī)模應(yīng)用”的光熱利用路線,為三北地區(qū)油田企業(yè)加快推動光熱規(guī)?;锰峁┝藢嵤┞窂健?/p>


引言


西北、東北及華北地區(qū)(簡稱三北地區(qū))油田開發(fā)生產(chǎn)過程需要消耗大量的熱能,其中稀油油田開發(fā)生產(chǎn)過程中熱能主要消耗于油氣集輸處理環(huán)節(jié),用于加熱集油、熱化學(xué)脫水及原油穩(wěn)定等;稠油開發(fā)生產(chǎn)過程中熱能主要用于蒸汽驅(qū)替環(huán)節(jié)的鍋爐制蒸汽過程。熱能主要由天然氣、原油及原煤提供,占油田總能耗的80%以上。因此,降低熱能使用量及利用光熱、地?zé)岬惹鍧嵞茉刺娲茉吹臒崮苁褂檬钱?dāng)前油田綠色發(fā)展的主要方向。三北地區(qū)光熱資源相對豐富,同時油田低滲透及特低滲透油層占比較大,油區(qū)內(nèi)優(yōu)質(zhì)地?zé)豳Y源較為稀缺。


因此光熱利用是當(dāng)前油田“以熱替熱”的重要途徑。


1、油田光熱利用影響因素


光熱高效經(jīng)濟(jì)利用的影響因素較多,油田應(yīng)用環(huán)境具有多樣化特點,各油田區(qū)塊光熱利用優(yōu)勢資源與制約因素各有不同。


1.1光熱資源是光熱經(jīng)濟(jì)利用的重要前提


光熱資源是否豐富在很大程度上決定光熱利用項目的收益及可行性。年太陽能輻射總量、年日照時數(shù)、直射輻照、緯度等在一定程度上可以說明光熱資源豐富程度。三北地區(qū)緯度雖相對較高,但太陽能資源整體相對豐富,尤其是新疆南部及東部、青海及玉門油田、長慶油田部分區(qū)塊。但由于影響太陽能直射輻照的因素較多,除緯度高低外,還受地勢高低、云層厚度等影響,因此,光熱利用方案應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀筚Y料進(jìn)行具體的可行性論證。


1.2土地資源是制約光熱利用的最大限制條件


聚光集熱鏡場占地面積大,由當(dāng)前已建成的部分光熱高溫發(fā)電項目測算,根據(jù)聚光集熱方式不同,聚光集熱鏡場占地為(4.8~8.0)×104 m2/MW;而低溫?zé)崂苗R場占地面積相對較小,占地約為(3.2~3.8)×104 m2/MW。當(dāng)前,光伏及光熱發(fā)電多采用租用土地等方式,新疆克拉瑪依市、河北張家口市張北縣等地區(qū)租用價格為750元/(hm2·a);新疆吐魯番及哈密地區(qū)光伏發(fā)電租用價格為25年共計3×104元/hm2,土地使用稅為15.75元(/hm2·a)。


各省市土地租用價格各異,需要各油田企業(yè)根據(jù)土地類型積極與當(dāng)?shù)卣畢f(xié)商解決。西北及東北油區(qū)土地資源相對豐富,但華北油區(qū)多為濕地及耕地,土地資源相對緊張,當(dāng)前大港油田利用小區(qū)屋頂、井場及公園圍欄等設(shè)置光伏板??傊鉄崂眯韪鶕?jù)土地資源及征地成本因地制宜制定規(guī)劃方案。


1.3替代目標(biāo)的選擇是光熱高效利用的關(guān)鍵因素


當(dāng)前,三北地區(qū)油田總耗能約2 000×104 tce/a,天然氣消耗量超過100×108 m3/a,各種轉(zhuǎn)油站及脫水站近2 000座,光熱利用內(nèi)部市場需求大。同時各大油區(qū)地域遼闊,各區(qū)塊直射輻照、地勢高度均不同,結(jié)合不同的環(huán)境條件及用熱需求,光熱替代目標(biāo)的選擇應(yīng)以經(jīng)濟(jì)效益為中心循序漸進(jìn)。


受光熱替代燃料價格、替代熱品質(zhì)需求及運(yùn)行時數(shù)等因素影響,當(dāng)前,高溫光熱替代稠油熱采所需高溫高壓蒸汽的燃?xì)忮仩t方案經(jīng)濟(jì)效益較差(初始建設(shè)投資高且所替燃?xì)鈨r格低),替代燃油加熱爐經(jīng)濟(jì)效益相對好(原油價格相對高),替代常年運(yùn)行脫水爐、外輸爐較替代間歇運(yùn)行的采暖爐、摻水爐效益好,以站為單位的較大規(guī)模熱需求替代較以井為單位的小規(guī)模用熱需求替代經(jīng)濟(jì)效益好。


1.4技術(shù)路線是影響光熱項目經(jīng)濟(jì)性的主要因素


在稀油油田的低溫光熱應(yīng)用環(huán)境中,當(dāng)前有平板集熱、熱管集熱、線性菲尼爾及槽式聚光集熱等技術(shù)。各種技術(shù)適用性及經(jīng)濟(jì)性有較大差異,如:吸收反射光的聚光集熱系統(tǒng)較吸收直射光的平板及熱管集熱系統(tǒng)升溫速度快,但投資相對高;平板集熱器安裝施工管理方便,但熱損失相對較大;熱管集熱器啟動溫度低,但清洗管理難度相對大。同時,各種光熱技術(shù)也在根據(jù)應(yīng)用環(huán)境不斷改進(jìn)設(shè)計思路,各油田企業(yè)應(yīng)根據(jù)環(huán)境溫度、空氣清潔度、區(qū)域風(fēng)力等情況,結(jié)合技術(shù)進(jìn)步,綜合優(yōu)選經(jīng)濟(jì)適用的光熱利用技術(shù)路線。


2、油田光熱利用技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀


油田的用熱需求可分為兩大類,一類為稠油開發(fā)所需的300℃以上高溫高壓蒸汽用熱,另一類為稀油開發(fā)所需的40~80℃低溫?zé)崴脽帷?/p>


2.1光熱制蒸汽技術(shù)


2.1.1技術(shù)現(xiàn)狀


國外光熱制蒸汽用于稠油熱采于2011年在全球首次嘗試,目前已在阿曼、美國加利福尼亞州等地應(yīng)用,主要采用槽式及塔式聚光集熱系統(tǒng)。在加利福尼亞州建成的塔式聚光集熱稠油熱采項目,輸出功率29 MW,可提供14 MPa、540℃的蒸汽。


目前我國尚無光熱制蒸汽用于稠油熱采的案例,但已建成50 MW、100 MW規(guī)模的光熱發(fā)電工程,分別采用槽式、塔式及菲涅爾式聚光集熱系統(tǒng)。


光熱發(fā)電的聚光集熱、儲熱及熱循環(huán)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的技術(shù)路線、建設(shè)及管理經(jīng)驗可為稠油開發(fā)光熱制蒸汽提供借鑒。


2.1.2應(yīng)用需求


太陽能具有不能連續(xù)供給的特點,全國一類地區(qū)全年日照時數(shù)僅為3 200~3 300 h。以光伏發(fā)電為例,在不儲能的情況下,2020年全國光伏年平均利用小時數(shù)僅為1 160 h。太陽能利用的有效時數(shù)在很大程度上影響項目的經(jīng)濟(jì)效益,有效利用時數(shù)越長,工程項目的收益越好。目前我國光熱發(fā)電項目均配套建設(shè)了儲能系統(tǒng),年利用小時數(shù)約為3 900~4 500 h。為節(jié)省初始建設(shè)投資,當(dāng)前儲熱系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模一般按不大于系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行24 h進(jìn)行設(shè)計。


為保證油田穩(wěn)定生產(chǎn)及保持地層壓力的連續(xù)性,稠油開發(fā)生產(chǎn)過程中的供熱系統(tǒng)需連續(xù)運(yùn)行,因此太陽能光熱制蒸汽系統(tǒng)與已建的燃?xì)饣蛉济褐普羝到y(tǒng)必須協(xié)同供能。當(dāng)前,稠油開發(fā)的燃?xì)饣蛉济哄仩t制蒸汽系統(tǒng)建設(shè)完善,太陽能光熱制蒸汽系統(tǒng)建成后,將部分替代已建燃?xì)饣蛉济哄仩t,形成以燃?xì)饣蛉济哄仩t為主,光熱制蒸汽為輔的聯(lián)合供熱系統(tǒng)。


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圖1稠油油田高溫光熱與蒸汽鍋爐聯(lián)合供熱系統(tǒng)流程示意圖


2.1.3需要解決的問題


光熱發(fā)電的技術(shù)路線在很大程度上可以移植到稠油開發(fā)制蒸汽系統(tǒng),但技術(shù)經(jīng)濟(jì)性面臨較大的挑戰(zhàn),如,為了提高發(fā)電效率,光熱發(fā)電系統(tǒng)多采用二元熔鹽作為儲熱及熱循環(huán)介質(zhì),高溫熔鹽溫度多達(dá)到550℃以上,而二元熔鹽凝固點較高,為280℃左右;若將二元熔鹽用于稠油熱采300~390℃溫度需求的儲熱及熱循環(huán)系統(tǒng),則將產(chǎn)生技術(shù)要求高、投資需求大、管理難度大等問題。而三元熔鹽工作溫度區(qū)間與稠油熱采所需蒸汽溫度較為匹配,但目前我國尚無三元熔鹽在300℃以上高溫制蒸汽的應(yīng)用實例,需要對其蓄熱性能及熱流動性進(jìn)行研究,需對儲熱方式(混凝土儲熱、三元熔鹽儲熱等)、儲熱時間以及與不同儲熱時間相匹配的集熱場建設(shè)規(guī)模進(jìn)行多方案比選,只有明確了技術(shù)性及經(jīng)濟(jì)性均適用的儲熱及熱循環(huán)技術(shù)路線,才能推動光熱在稠油系統(tǒng)的規(guī)?;瘧?yīng)用。


當(dāng)前4種聚光集熱主流技術(shù)中,槽式和菲涅爾式屬于線性聚焦,塔式及碟式為點式聚焦。點式聚焦相對線性聚焦而言聚光比高、升溫速度快,最高集熱溫度可達(dá)1200℃。但當(dāng)前塔式聚光集熱系統(tǒng)初始建設(shè)投資高,碟式聚光集熱系統(tǒng)應(yīng)用規(guī)模相對較?。徊凼绞亲钕缺话l(fā)明出來的聚光集熱技術(shù),技術(shù)路線相對成熟,但近年來無較大突破;菲涅爾式相對較新,近年來在提高聚光比、減少熱損失及提高光熱轉(zhuǎn)換效率方面有一定改進(jìn)。由于各個環(huán)節(jié)的各類改進(jìn)技術(shù)分屬不同的廠家,因此對各種光熱提效技術(shù)的綜合應(yīng)用需要結(jié)合油田用能環(huán)境,深入開展技術(shù)路線對比、關(guān)鍵材料優(yōu)選,以及追光聚熱高效穩(wěn)定供能策略等關(guān)鍵技術(shù)研究。


另外,目前光熱在稠油開發(fā)應(yīng)用過程中的各種設(shè)計參數(shù)尚不明確、包含各種計算在內(nèi)的工藝包及相關(guān)的工程設(shè)計規(guī)范等均缺失,需要研究明確并制定,才能滿足三北地區(qū)油田光熱資源、燃料價格、用熱需求及品質(zhì)等個性化優(yōu)化方案編制的需求。


2.2光熱制熱水技術(shù)


2.2.1技術(shù)現(xiàn)狀


與光熱制蒸汽相比,光熱制熱水的熱品位降低,其技術(shù)難度也相對降低。儲熱及熱循環(huán)介質(zhì)由制蒸汽所需的熔鹽或混凝土改為軟化水,儲熱罐由熔鹽罐或混熱土改為鋼制水罐;儲熱及換熱系統(tǒng)運(yùn)行溫度與環(huán)境溫差變小,集熱管也可由真空改為非真空;整體聚光集熱鏡場建設(shè)面積相對制高溫蒸汽需求變小,儲熱規(guī)??稍谝欢ǔ潭仍黾樱M(jìn)而使光熱系統(tǒng)年運(yùn)行時數(shù)增加,投資收益向好。


近年來光熱制熱水在采暖供熱系統(tǒng)、工業(yè)用熱方面應(yīng)用案例較多,配套建設(shè)一定規(guī)模的儲熱蓄水裝置,全年供熱時間可達(dá)到8000h。


2.2.2應(yīng)用需求


三北地區(qū)各稀油油田油品物性相差較大,以對原油集輸系統(tǒng)影響較大的原油凝點為例,部分區(qū)塊原油凝點高達(dá)30℃以上,而部分區(qū)塊則為負(fù)值,因而原油生產(chǎn)用熱環(huán)節(jié)有較大差異。如,大慶及吉林油田,地處高寒地帶,多為“三高”(高凝點、高黏度、高蠟含量)原油,故多采用摻熱水集油方式,集油系統(tǒng)的天然氣消耗量占油氣生產(chǎn)總耗氣量的80%左右;而西部油田部分區(qū)塊,油品物性相對較好,集油多采用不加熱方式,轉(zhuǎn)油站用熱量相對較小,熱化學(xué)脫水環(huán)節(jié)耗氣量相對較大。


當(dāng)前,光熱資源在三北地區(qū)稀油開發(fā)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用尚處于起步階段,僅在部分單井拉油罐有應(yīng)用案例,在轉(zhuǎn)油站、脫水站等站場尚未開展規(guī)?;瘧?yīng)用。本著“抓能耗大戶、形成示范引領(lǐng)、總結(jié)經(jīng)驗形成標(biāo)準(zhǔn)、快速推廣形成規(guī)模化應(yīng)用”的原則,結(jié)合光熱資源情況,西北地區(qū)油田應(yīng)首先在脫水站,東北地區(qū)油田應(yīng)首先在轉(zhuǎn)油站進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)及示范應(yīng)用。


image.png

圖2摻水集油稀油油田低溫光熱與燃?xì)饧訜釥t聯(lián)合供熱系統(tǒng)流程示意圖


與稠油油田相比,光熱在稀油油田的應(yīng)用具有較大經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢,即光熱在與燃?xì)饧訜釥t互補(bǔ)協(xié)同應(yīng)用中將處于主導(dǎo)地位,有效利用小時數(shù)的大幅增加,將在很大程度上提高節(jié)能減排量與替代經(jīng)濟(jì)效益。


2.2.3需要解決的問題


光熱在稀油油田的應(yīng)用研究,應(yīng)以形成技術(shù)路線并打通實施渠道為主,如,確定約束條件、明確設(shè)計參數(shù)、制定工藝方案、規(guī)范設(shè)計規(guī)模等,從而制定油田光熱利用工程的設(shè)計規(guī)范及實施指南,制定基層管理制度,促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)、規(guī)范化應(yīng)用及程序化管理。


重點需要攻關(guān)的技術(shù)難點是多能互補(bǔ)的協(xié)同優(yōu)化問題,綜合能源管理系統(tǒng)是保證多能協(xié)同互補(bǔ)供能體系安全、可靠、高效運(yùn)行的保障。光熱利用需根據(jù)氣象資料進(jìn)行日前供能預(yù)測,日內(nèi)根據(jù)光照強(qiáng)度跟蹤調(diào)整,與燃?xì)夤釋崿F(xiàn)動態(tài)調(diào)控。因此,聯(lián)合供熱機(jī)理數(shù)學(xué)模型構(gòu)建、多目標(biāo)優(yōu)化模型求解、不確定性出力及不穩(wěn)定產(chǎn)出的能源動態(tài)調(diào)控均是需要研究和攻關(guān)的方向,也是油田清潔能源綜合利用及多能互補(bǔ)供能體系面臨的共性問題,需要逐步對各個子系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化模型構(gòu)建并求解,最終達(dá)到多能耦合聯(lián)合供能動態(tài)優(yōu)化調(diào)控。


3、油田光熱利用建議


3.1進(jìn)行頂層設(shè)計,開展技術(shù)攻關(guān)


光熱在油田生產(chǎn)用熱環(huán)境與燃?xì)饣蛉济杭訜釥t實現(xiàn)互補(bǔ)聯(lián)合供熱,無論是在稀油的低溫?zé)崂眠€是稠油的高溫?zé)崂梅矫婢嬖谝欢ǖ募夹g(shù)問題。


建議油田企業(yè)組織技術(shù)機(jī)構(gòu)開展頂層設(shè)計,有序推進(jìn)、分步開展技術(shù)攻關(guān),為實施光熱有效替代提供技術(shù)支撐。


油田光熱專項技術(shù)研究應(yīng)遵循由易到難、逐步推進(jìn)的原則。首先,應(yīng)以促進(jìn)規(guī)范化、規(guī)?;瘧?yīng)用為攻關(guān)目標(biāo),解決稀油油田低溫?zé)崂妹媾R的技術(shù)問題及建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)需求,實現(xiàn)設(shè)計、施工、管理等項目全生命周期技術(shù)路線及實施路徑的貫通,盡快構(gòu)建流程化管理制度,為大力推動低溫光熱替代項目的實施、形成規(guī)模效益奠定基礎(chǔ);其次,應(yīng)跟蹤技術(shù)進(jìn)步,研究解決高效聚光集熱、高效儲熱及熱循環(huán)利用等關(guān)鍵技術(shù)突破,解決當(dāng)前稠油光熱利用技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益欠佳的問題。


3.2示范引領(lǐng),以小步迭代促進(jìn)規(guī)模替代


三北地區(qū)各油田區(qū)塊應(yīng)用環(huán)境不同,光熱資源與用能方式存在一定差異,光熱高效利用需要個性化設(shè)計。為了加快推廣應(yīng)用,建議各油田企業(yè)在技術(shù)路線明確的基礎(chǔ)上,積極開展示范工程建設(shè)。


示范區(qū)應(yīng)以經(jīng)濟(jì)效益為中心,轉(zhuǎn)油站及脫水站熱替代應(yīng)遵循以下原則:優(yōu)選太陽能直射輻照相對高、土地資源相對豐富且用地成本相對低,具有一定的開發(fā)潛力的區(qū)域,并兼顧站內(nèi)加熱爐使用情況,如,選擇加熱爐腐蝕老化需更換的站場等。通過個性化優(yōu)化的方案比選,開展光熱應(yīng)用示范,同時培養(yǎng)技術(shù)隊伍,通過實戰(zhàn)積累實施經(jīng)驗。技術(shù)進(jìn)步與工程實現(xiàn)同步進(jìn)行,通過不斷改進(jìn)提升技術(shù),以小步迭代逐漸提高光熱利用項目的收益率,最終實現(xiàn)規(guī)模替代,獲得規(guī)模效益。


3.3開拓商業(yè)合作模式,促進(jìn)光熱利用的規(guī)模應(yīng)用長期以來,太陽能開發(fā)利用不是油田企業(yè)的主營業(yè)務(wù),油田企業(yè)光熱利用相關(guān)技術(shù)儲備較少;另外,光熱項目投資相對較大,投資回收期較長。因此,借助市場化機(jī)制,發(fā)揮外部資本市場滿足內(nèi)部用能需求,同時降低能耗成本及溫室氣體排放是一種合作共贏的選擇。合同能源管理是借助社會的資本優(yōu)勢、技術(shù)優(yōu)勢及管理經(jīng)驗獲得專業(yè)化服務(wù)解決方案的成熟模式。因此,建議優(yōu)選合作伙伴,大力推動以合同能源管理方式開展油田清潔能源替代。同時,各油田企業(yè)應(yīng)積極創(chuàng)新探索更多的商業(yè)合作模式、產(chǎn)融結(jié)合模式及經(jīng)營管理模式,借助社會力量加快布局,并積極開展優(yōu)選聚光鏡供應(yīng)商活動,建立長期戰(zhàn)略合作關(guān)系,以聯(lián)合采購、以量換價等方式爭取優(yōu)惠的市場采購價格,從多方位促進(jìn)光熱利用的規(guī)?;瘧?yīng)用。


4、結(jié)束語


大量的熱需求是油田生產(chǎn)過程中無法回避的問題,而加熱點分散、單座站加熱功率小、碳捕集成本高是長期存在的矛盾,作為直接燃燒排放主體責(zé)任方的油田企業(yè),需探索尋求替代化石燃料的有效方式。受地?zé)豳Y源限制,光熱是當(dāng)前油田生產(chǎn)化石燃料熱替代最現(xiàn)實的路徑。


為了加快推動油田光熱規(guī)模化、規(guī)范化應(yīng)用,需從科研攻關(guān)、示范引領(lǐng)、商業(yè)模式等方面開展頂層設(shè)計,以實現(xiàn)統(tǒng)籌部署、加快布局。在明確光熱利用技術(shù)路線,完成油田光熱利用技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)及制度體系建設(shè)的同時,應(yīng)注重培養(yǎng)技術(shù)人才隊伍、積累現(xiàn)場管理經(jīng)驗,從而促進(jìn)技術(shù)快速服務(wù)于生產(chǎn),促進(jìn)油氣生產(chǎn)提質(zhì)增效,助力油田企業(yè)“碳達(dá)峰”及“碳中和”目標(biāo)的實現(xiàn)。


注:本文轉(zhuǎn)自2021年8月版《油氣與新能源》,聯(lián)合作者為中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院呂莉莉,熊新強(qiáng),曾祿軒,中國石油天然氣股份有限公司勘探與生產(chǎn)分公司蘇春梅。轉(zhuǎn)載此文是出于傳遞更多信息之目的,若有來源標(biāo)注錯誤或侵犯了您的合法權(quán)益,請作者與本網(wǎng)聯(lián)系。

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