借助新能源综合体实现采油厂加热领域碳中和的技术路线研究
时间：2023-01-16 21:30:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
朱军李凯凯李守钦闫乃刚杨彪吴文华王立斌吕涛王学军罗艺
（1.中石化胜利油田东辛采油厂；
2.中石化胜利油田生产管理部；
3.中石化胜利油田发展规划部）
油藏开发过程的加热能耗主要由单井采出液的输送加热（含稠油热采等加热）、计量站（或中转站、集油阀组）的提温输送加热、联合站集输处理加热三大部分。加热领域的化石能耗主要由天然气、化石电能两大类构成，一般加热能耗占总能耗的2%～15%不等（东辛采油厂的加热能耗占全厂总能耗的8.79%，能耗实物包括天然气和化石电能）。
油田加热领域化石能耗，借助常规节能技术可进一步削减，但不能彻底解决；
采用光伏、风电等绿电，或者采用光热[1]、地热[2]、空气源热、污水余热等绿热直接替代加热领域化石能耗，或者加热温度难以满足工艺需要，或者存在不能全天候提供稳定热能的局限性，投资成本和运行成本也偏高。
围绕多能互补的新能源综合利用，不同领域和专业进行了大量的探索实践，如空调领域的“光伏+光热+空调”低碳模式[3]以及格力空调的“零碳源”模式，再如民用领域的“光伏+光热+地源热泵”复合供暖研究[4]，都为油田集油加热领域碳中和技术路线研究，以及高效、高性价比的新能源替代提供了有益的帮助。
常见新能源加热方式，有光热、空气源热泵、浅层地源热泵、污水热泵、光伏电加热等。
1.1 光热设施
光热设备有CPC真空管式集热器、平板集热器、槽式追光集热器三大类。CPC真空管集热器热损失低，北方冬季严寒地区应用多，但结构复杂，造价偏高；
平板集热器结构简单，造价低，热损失略高，用水做循环介质冬季易冻堵，但近年因保温性能提高，尤其是工业领域应用采用导热油、防冻液等循环介质，解决了冻堵问题；
槽式集热器光能利用率高，集热温度可达300℃以上，适宜较高温度领域，如稠油热采的辅助热源[5]，但结构复杂，投资成本和维护成本略高。
受制于天气影响是太阳能集热器最大的不足，油田加热领域应用时一般配套电加热装置，阴雨天气和夜间补充电加热能耗过高。
1.2 热泵系统
采用热泵技术获取自然热能（空气源、污水源、浅层地下水源）替代化石能源加热有一定局限性。
1）空气源热泵。空气源热泵因技术成熟、造价低推广较快，特别是高性能循环介质的研发[6]，出水温度提升到90℃左右，可以满足油田加热领域的温度需求。但在冬季气温≤-5℃时，热泵效率下降、电耗猛增。
2）浅层地源热泵。存在占地面积大、出水温度低、热源能量衰减问题，应用于油田加热领域有较大局限性。
3）污水源热泵。油田污水热源集中于联合站、接转站或低压污水管线沿程，不能覆盖油田计量站和单井的加热位置，而且污水介质腐蚀性、矿化度等因素对换热器要求高。
2.1 热泵技术的基本原理
热泵借助逆卡循环原理实现热能从低温端向高温端的转移[7]。具体过程：液态工质在蒸发器内吸收供给端的热能汽化，气体工质经压缩机压缩，在冷凝器内放热变为液体，把热能传给热量需求端，降温后的液态工质经膨胀阀降压，回到蒸发器内吸热蒸发。
在这个能量守恒的热量转移循环过程中，外界只输入了气体压缩和克服流动阻力所需电能，热能转移量与电能输入量的比值就是标志热泵能效特性的COP值。常见的热泵形式有空气源热泵（COP=1.7～3.8）、污水源热泵（COP=3～4.5）、CO2介质热泵（COP=2～6）。
2.2 热泵基本特性
以空气源热泵为例，说明一下热泵基本特性。从空气源热泵性能曲线图1可知，其有两个特点：在一定的环境温度下，热泵输出温度越低COP值越高，耗电量越低；
在输出温度一定时，环境温度越高COP值越高，耗电量越低。
图1 空气源热泵性能曲线Fig.1 Performance curve of gas source heat pump
2.3 提高热泵效能的途径
提高空气源热泵效能、压减电耗的途径有三个：根据热泵高效运行区间，动态调整热泵出水温度[8]；
通过光热等方式对空气源预热；
优化设定热泵最高出水温度，由系统根据光热情况优化热泵运行时间。
2.4 “光热+热泵+光伏”的新能源综合体
新能源综合体是针对能源需求的具体场景，将多能互补的新能源供应方式以组织单元净零排放和性价比最优为目标，通过工艺优化集成，完全消纳该场景化石能源消耗的供能组织单元。
“光热+热泵+光伏”的新能源综合体，是替代油田加热领域化石能源消耗，实现加热领域碳中和的最优技术路线。其核心要素热泵2～5倍的COP值，使其替代节能幅度高达50%～80%，是压减化石能耗的利器。
技术路径：由热泵将原始加热能耗按COP值倍减，再通过“光热+热泵”组配，将热泵驱动能耗压减至最低，最后配套足量光伏，构成“光热+热泵+光伏”新能源综合体，实现原始加热能耗的彻底替代和净零排放。
油田加热设备包括：单井拉油罐电加热、单井加热炉、计量站加热炉、联合站或接转站加热炉。针对以上场景，借助“光热+热泵+光伏”新能源综合体，“由点到面，分步实施”，逐步实现加热领域碳中和。
3.1 单井拉油罐电加热系统净零模式的实践
2020年8月开始，东辛采油厂对辛56X2单井拉油罐电加热系统进行了新能源完全替代的净零排放实验。整个实验分为“空气源热泵”、“空气源热泵+光热”、“空气源热泵+光热+光伏”三个阶段，单井拉油“光热+热泵+光伏”净零排放工艺示意图如图2所示。
图2 单井拉油“光热+热泵+光伏”净零排放工艺示意图Fig.2 Schematic diagram of"photothermal+heat pump+photovoltaic"net zero emission process for single well oil pulling
第一阶段，空气源热泵（冬夏季平均COP＝2.5）替代将电能消耗从最初平均400 kWh/d降至160 kWh/d；
第二阶段，光热与空气源热泵组合将电能消耗从平均160 kWh/d降至80 kWh/d，加上抽油机耗电120 kWh/d，剩余化石电能平均200 kWh/d；
第三阶段，按照“发用相抵”的碳中和计算原则，匹配60 kWp（3.4 kWh/kWp）光伏，实现整体“净零”。
3.2 井组加热炉净零模式
永560x2等井组天然气加热炉替代方案，按照“光热+热泵+光伏”的净零模式，如图3所示，拟采用临近低压污水管线、废弃井井筒作为热源，配套热泵和光热，实现原始加热能耗梯级递减，最终按100 kWp/120 m平均装机容量，配套足量井场边界光伏，消纳剩余化石电能，实现加热系统局部净零。
图3 利用永四注低压污水余热回收替代加热炉方案示意图Fig.3 The scheme of replacing heating furnace with waste heat recovery of low pressure sewage from Yongsi injection
技术概括：对于注聚合物驱、短流程改造等原因采用就地分水的注采工艺，凡是低压污水流程所能覆盖的集油加热设施，均可以采用这种新能源综合体模式实现净零替代。
3.3 接转站加热炉净零模式
在无原油稳定功能、大地面调整影响不大的接转站，采用中低温热泵与光热集成，进行应用试点。在取得经验基础上，进一步向带稳定功能的联合站推广。
按“光热+热泵”能耗阶梯递减的技术路线，对于大功率热泵，可通过变频调整热泵出力，亦可借助光热提高热泵进水温度，提高热泵运行能效，降低热泵电耗。
因光热白天有效，为保证热泵运行稳定，光热系统首先进入一定容量的储能水罐，根据热泵进水温度允许波动范围，按照热泵进水预设温度由自控系统进行补水掺混。
3.4 原油稳定联合站加热炉净零模式
3.4.1 耦合式高温热泵
原油稳定功能联合站要求油温达到90℃，加热功率大。采用吸收式热泵与电驱热泵串联运行，研发耦合式高温热泵（热泵串）[9]，由电驱热泵为吸收式热泵提供热源驱动，实现能耗梯级递减。
在“热泵串”基础上，布局一定功率光热储能补热，提高电驱热泵运行效率或优化运行时间，将加热系统电驱功率降至最低，联合站“热泵串+光热”梯级递减替代加热炉方案示意图见图4。
图4 联合站“热泵串+光热”梯级递减替代加热炉方案示意图Fig.4 The scheme diagram of“heat pump string+photothermal”cascade decreasing alternative heating furnace from the united station
3.4.2 示例说明
1）吸收式热泵（C0P≈2）将原始加热功率从2 000 kW降至1 000 kW。
2）由电驱动高温热泵（C0P≈3.4）给吸收式热泵提供所需1 000 kW的加热功率，热泵驱动功率梯级递减至300 kW。
3）高效耦合式热泵的研发，将使前两个过程合并完成，耦合式热泵的理论COP≈6.7，可以直接将原始加热功率从2 000 kW倍减至300 kW的电驱动功率。
4）通过大规模的光热集热站与电驱动热泵系统相匹配，可将电驱动功率进一步降至100 kW左右，“光热+热泵串”工艺，实现高达10～20倍原始能耗梯级递减，为光伏配套最终实现联合站加热系统净零运行创造了条件。
5）最终，通过配套0.73 MWp的光伏容量或配套100 kW的ORC余热发电，即可消纳整个加热系统的化石电能消耗，实现加热系统的局部净零。
3.4.3 新能源综合体功能拓展与柔性能源局域网
“光热+热泵”的巧妙组合，可以在保持加热总功率不变的前提下，借助光热储热设施来动态调整热泵电驱动功率，对冲系统内光伏电站白天晚间波动，在“源网荷储”一体化柔性能源控制方面，给我们提供了一种全新的、机械友好型的柔性负载调节方式，使“光热+热泵+光伏”的新能源综合体具备了“柔性能源局域网”的特性。
将其进一步拓展为“光热+热泵+微燃机+光伏”组合模式，则可以利用天然气发电机高温尾气与热泵接力加热，更容易地将油温提到稳定系统所需90℃。同时又具备对冲光伏发电系统白天晚间波动的功能，从而形成热力、电力双能源有机融合、源头柔性的“能源局域网”。
3.5 办公场所净零模式的实践
采油厂、管理区以及采油班站办公场所，采用空气热源泵或地源热泵，配套光伏车棚、屋顶光伏光热，消纳热泵系统化石电能，光热主要用于降低热泵冬季电耗，夏季用于淋浴、化验室样筒清洗等用途。
应用实例：2021年投产的营二管理区采油1站“车棚光伏+空气源热泵局部净零试点项目”，车棚光伏年发电量8×104kWh，“就地消纳，余电上网”，消纳了空气源热泵冬夏季制暖制冷的化石电能，做到了“发用相抵，等量净零”。
4.1 基于安全限制条件布局光热
光热系统是热水循环，防爆安全限制少，在计量站、联合站加热炉替代中具有更多安装选择空间，均可以将光热与热泵系统匹配，实现能耗接力递减，为绿电消纳剩余的化石电能存量、实现局部碳中和创造条件。
4.2 基于井场资源发展绿热绿电
油田光热光伏建设，受土地资源和油气生产场所安全距离限制，大面积土地稀缺、零散井场资源丰裕。针对这一情况，胜利油田创新了“集簇式”井场边界光热光伏模式，将零散井场光热光伏“化零为整”，实现规模化应用，为油田区域性碳中和打开了局面，尤其是通过光伏电能直供机采装备的能源“局域网”建设，减少变损和逆变损耗，将传统节能降耗工作拓展到了绿电领域。
4.3 油田碳中和推进策略
在绿热绿电开发和碳中和推进中，两条腿走路：整合土地资源建设规模化光热站和光伏电站，推进整体碳中和[10]；
立足井场资源，创新绿电绿热生产模式和单井（井组、分系统）局部净零技术方法，批量复制，积少成多，推进整体碳中和。
碳中和推进中的三个并重：整体碳中和与区域碳中和并重，存量碳中和与增量碳中和（源头碳中和）并重，碳盘查与碳足迹并重。
4.4 碳流图和碳足迹评价中的符号体系
根据新能源综合体应用数量和范围、对采油厂和管理区吨油气当量产品附加碳含量的影响程度，以碳流图形式，油气产品碳足迹（C+）统计分析示意图见图5，并进行定期比对，以平均碳附加量为基准，进行产品碳附加和全生命周期碳含量评价，并创制了对应的符号表达体系，油气产品碳附加评价标识符号见表1。
图5 油气产品碳足迹（C+）统计分析示意图Fig.5 Statistical analysis diagram of carbon footprint（C+）of oil and gas products
表1 油气产品碳附加评价标识符号Tab.1 Identification symbols for carbon additional assessment of oil and gas products
不同采油厂集油加热领域的碳中和技术路线，尽管在具体工艺应用条件上存在较大差异，有许多特殊的工艺技术和装备需要专门攻关解决。但在总体技术脉络上，以热泵技术为核心，充分挖掘油田既有资源条件，集成光热、光伏等新能源形式，形成优化互补的“光热+热泵+光伏”新能源综合体，彻底替代化石能源加热系统，不论是从既有的实践结果，还是从不同场景的方案可行性论证结果看，均具有较高的性价比和可行性，适用于油田多种加热场景的局部碳中和，以及加热领域整体碳中和。
猜你喜欢 光热加热炉源热泵 暖通空调设计中地源热泵实践建材发展导向(2022年3期)2022-04-19中科院过程工程研究所研发新材料实现高效光热水净化科学导报(2021年81期)2021-11-27空气源热泵用于天然气加热的经济环保性煤气与热力(2021年9期)2021-11-06管板式光伏光热系统性能实验研究煤气与热力(2021年7期)2021-08-23空气源热泵供暖期耗电量计算煤气与热力(2021年6期)2021-07-28太阳能光热发电中导热油循环系统的设计开发上海节能(2020年3期)2020-04-13加热炉燃烧烟道系统的改造智富时代(2019年7期)2019-08-16加热炉燃烧烟道系统的改造智富时代(2019年7期)2019-08-16我国首个大型光热示范电站投运公民导刊(2018年11期)2018-05-14便携无火加热炉儿童故事画报·发现号趣味百科(2017年1期)2017-06-01
