在全球能源加速轉(zhuǎn)型、我國新能源轉(zhuǎn)向全面推廣的關(guān)鍵期，減少化石能源消耗首當(dāng)其沖。習(xí)近平總書記在 2020 年 9 月 22 日聯(lián)合國大會(huì)上提出“力爭(zhēng) 2030年碳達(dá)峰，2060 年碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)，中國石油天然氣集團(tuán)公司制定了“清潔替代、戰(zhàn)略接替、綠色轉(zhuǎn)型”的三步走戰(zhàn)略，明確“2025 年碳達(dá)峰，2050 年近零排放”的目標(biāo)路徑。

遼河油田原油產(chǎn)量連續(xù) 30 年保持千萬噸規(guī)模，其中，稠油、超稠油產(chǎn)量約占 60%，2021 年生產(chǎn)系統(tǒng)消耗天然氣18. 2 億 m³、電22. 4 億 kW·h，折合269. 59 萬 t標(biāo)煤，CO₂2排放量 567. 54 萬 t，能耗主要為天然氣。隨著近年來光熱發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)，熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)為油田“以電代氣”，綠色轉(zhuǎn)型提供了技術(shù)選擇，因此，在油氣生產(chǎn)高能耗系統(tǒng)應(yīng)用熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)，不僅有利于油田清潔能源替代，減碳排綠色發(fā)展，同時(shí)為國家電網(wǎng)起到填谷作用，以接納更多的風(fēng)電容量，降低電網(wǎng)棄風(fēng)率 ［1－3］ 。

1、 熔鹽簡(jiǎn)介

熔鹽一般是指無機(jī)鹽或其混合物的熔融態(tài)液體。

常見的熔鹽由堿金屬的硝酸鹽、氯化鹽、氟化鹽、碳酸鹽等組成，每種熔鹽的特性見表 1 ［4］ 。

由表 1 可見，硝酸鹽熔點(diǎn)低、腐蝕性低并已廣泛應(yīng)用于太陽能發(fā)電及電加熱熔鹽儲(chǔ)能熱力站等領(lǐng)域 ［5］ 。工程上常用的硝酸熔鹽分別為二元鹽(40% 硝酸鉀(KNO 3 )、60% 硝酸鈉(NaNO₃) )和三元鹽(53% 硝酸鉀 ( KNO₃ )、40% 亞 硝 酸 鈉 ( NaNO₂ )、7% 硝 酸 鈉(NaNO₃ ))，特性參數(shù)見表 2，二元鹽具有上限使用溫度高，接觸空氣不氧化，高溫下黏度接近于水，具有較好的流動(dòng)性等特點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行更加安全 ［6－8］ 。

2、 熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)簡(jiǎn)介

熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)于 20 世紀(jì) 80 年代就已經(jīng)在光熱發(fā)電領(lǐng)域中應(yīng)用［9］ ，熔鹽作為儲(chǔ)熱工質(zhì)，被聚焦光斑加熱后進(jìn)入高溫罐儲(chǔ)存，可以解決光熱發(fā)電中的能源儲(chǔ)存難題，發(fā)電時(shí)作為傳熱工質(zhì)與給水換熱產(chǎn)生過熱蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)做功［10］ 。表 3 為國內(nèi)外光熱發(fā)電成功案例，表 4 為青海德令哈光熱發(fā)電具體參數(shù)［11］ 。該技術(shù)在油田生產(chǎn)領(lǐng)域尚無應(yīng)用，可以借鑒其儲(chǔ)熱放熱循環(huán)技術(shù)，開展相關(guān)技術(shù)研究與應(yīng)用 ［12－14］ 。

3、 油田井場(chǎng)生產(chǎn)現(xiàn)狀

遼河井場(chǎng)加熱爐數(shù)量多且布置分散，主要用于采出液加熱升溫，加熱爐的平均負(fù)荷率多在 60% ～70%，一般從 30 ℃左右升溫至 60 ℃左右，井場(chǎng)加熱爐規(guī)格有 32、90、170、290 kW 等，實(shí)際常用的加熱負(fù)荷為 30、60 kW。以遼河油田某采油井場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際為例，加熱液量為 25 m³/d，含水率 84%，加熱溫度為 26 ～50 ℃，計(jì)算加熱負(fù)荷為 26. 85 kW。

4 、熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)在油田生產(chǎn)的探索

在現(xiàn)有熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)基礎(chǔ)上［15－17］ ，創(chuàng)新熔鹽—熱風(fēng)換熱技術(shù)路線，利用谷時(shí)電(22∶ 00—5∶ 00)或結(jié)合光伏發(fā)電系統(tǒng)白天時(shí)段進(jìn)行補(bǔ)電，通過設(shè)置在熔鹽儲(chǔ)罐的電加熱器，將熔鹽由 260 ℃加熱至 340 ℃，電能轉(zhuǎn)化為熱能儲(chǔ)存在熔鹽中;全天連續(xù)釋放高溫熔鹽中的熱能，通過鼓風(fēng)機(jī)將空氣與高溫熔鹽換熱成熱風(fēng)(220/170 ℃)，熱風(fēng)再與采出液進(jìn)行換熱，將采出液提溫后外輸。詳細(xì)設(shè)計(jì)如下:

1)設(shè)計(jì)參數(shù)及熔鹽基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

(1)熔鹽儲(chǔ)熱橇設(shè)計(jì)加熱/儲(chǔ)熱功率:30/120 kW;

(2)熔鹽設(shè)計(jì)溫度:260 ～340 ℃(二元熔鹽);

(3)熔鹽密度:1 924 ～1 873 kg/m³;

(4)熔鹽熱容:1 488 ～1 502 J/(kg·K);

(5)熔鹽儲(chǔ)罐:20 m³。

2)主要設(shè)備設(shè)計(jì)

(1)熔鹽儲(chǔ)罐。設(shè)備為臥式結(jié)構(gòu)，鞍座支撐型式，鞍座采用 120°包角，設(shè)有電加熱器供熔鹽蓄熱使用，設(shè)備內(nèi)部設(shè)有加熱盤管供熔鹽給空氣加熱(見圖 1)。

(2)設(shè)備主要參數(shù):

直徑:2 400 mm;

筒體長(zhǎng)度:4 700 mm;

設(shè)計(jì)壓力:管程:0. 77 kPa/殼程:常壓;

工作溫度:管程:170 ～220 ℃ /殼程:260 ～340 ℃;

工作介質(zhì):管程:空氣/殼程:熔鹽;

主要材質(zhì):管程:20 鋼管/殼程:Q345Ｒ 鋼板;

殼體厚度:10 mm;

設(shè)備總重:8. 05 t;

管道換熱參數(shù):換熱面積:80 m² 。

3)熔鹽 － 熱風(fēng)換熱器

設(shè)備為臥式結(jié)構(gòu)，鞍座支撐型式，鞍座采用 120°包角，本設(shè)備設(shè)置上下兩個(gè)筒體，通過換熱盤管連接為一體，含水油在管程輸送，殼程內(nèi)為熱空氣給盤管內(nèi)含水油加熱(見圖 2)。

設(shè)備主要參數(shù):

直徑:600 mm;

筒體長(zhǎng)度:3 050 mm;

設(shè)計(jì)壓力:管程:1. 0 MPa/殼程:常壓;

工作溫度:管程 35 ～50 ℃ /殼程:170 ～220 ℃;

工作介質(zhì):管程:含水油/殼程:空氣;

主要材質(zhì):管程:20 鋼管/殼程:Q345Ｒ 鋼板;

殼體厚度:8 mm;

設(shè)備總重:2 t;

管道換熱參數(shù):換熱面積:20m² 。

5、 熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)在油田生產(chǎn)的應(yīng)用效果及意義

通過理論分析計(jì)算，遼河油田建設(shè)一臺(tái)試驗(yàn)裝置，并于 2023 年 1 月投產(chǎn)運(yùn)行，目前運(yùn)行平穩(wěn)。該裝置每天利用 7 小時(shí)谷時(shí)電(840 kW·h)加熱熔鹽儲(chǔ)存熱量(2 963 MJ)，通過熱風(fēng)循環(huán)換熱系統(tǒng)全天連續(xù)加熱采出液，采出液溫度由 26 ℃加熱至 50 ℃后(全天熱量 2758 MJ)，外輸至集油平臺(tái)，綜合熱效率為91. 2%，達(dá)到節(jié)省天然氣2. 7 萬方/年，減排二氧化碳58. 4 t/年的運(yùn)行效果。

該裝置的投產(chǎn)，填補(bǔ)了熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)在油田生產(chǎn)的技術(shù)空白，可以幫助技術(shù)人員建立對(duì)熔鹽特性的認(rèn)識(shí)，分析系統(tǒng)中熔鹽各部分的換熱效率，掌握熔鹽系統(tǒng)運(yùn)行與維護(hù)安全措施，分析對(duì)比熔鹽儲(chǔ)熱與其他儲(chǔ)熱方式的不同，探索建造、運(yùn)行、安全、環(huán)保、碳交易、電價(jià)機(jī)制等一系列生產(chǎn)運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，為熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)逐步擴(kuò)大建設(shè)規(guī)模，應(yīng)用于采油站、聯(lián)合站及注汽系統(tǒng)加熱積累經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)的綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展，助力雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

［1］劉炳成． 降低熔鹽結(jié)晶率［J］． 當(dāng)代化工研究，2018(8):106 －107．

［2］劉中博，張建亮． 熔鹽儲(chǔ)罐泄漏原因分析及建議［J］． 電力設(shè)備管理，2023(18):204 －206．

［3］向錫炎，周孑民，陳曉玲，等． 熔鹽爐及熔鹽加熱系統(tǒng)［J］．工業(yè)加熱，2008，37(2):30 －33．

［4］齊忠誠，朱志偉，李 凌． 熔鹽蓄熱裝置預(yù)熱過程的數(shù)值模擬［J］． 化學(xué)工程，2023，51(8):12 －17．

［5］吳 婭，王方明，王毅． 熔鹽儲(chǔ)能在鋼鐵發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］． 冶金動(dòng)力，2023(4):1 －5，16．

［6］蔡勝利． 熔鹽爐事故原因分析［J］． 輕金屬，2000(9):12 －14．

［7］喬正陽． 熔鹽爐的改造及性能分析［J］． 工業(yè)爐，2021，43(4):60 －62．

［8］羅志波，王懷有，王 敏，等． 純度對(duì) 60% NaNO 3 － 40%KNO 3 二元熔鹽熱物性的影響［J］． 無機(jī)鹽工業(yè)，2023，55(6):43 －49．

［9］高宏星，柳 維． 熔鹽在固堿生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］． 中國氯堿，2017(12):6 －7．

［10］葉冬挺，鄭維棟，李芳芽，等． 高溫熔鹽儲(chǔ)罐泄漏原因及預(yù)防措施［J］． 設(shè)備管理與維修，2023(1):149 －151．

［11］張鐘平，劉 亨，謝玉榮，等． 熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與研究進(jìn)展［J］，綜合智慧能源，2023，45(9):45 －47．

［12］胡 瓏． 提高熔鹽系統(tǒng)運(yùn)行率［J］． 當(dāng)代化工研究，2018(6):66 －67．

［13］林俊光，仇秋玲，羅海華，等． 熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀［J］． 上海電氣技術(shù)，2021，14(2):70 －73．

［14］孫育濱，高 偉． 熔鹽換熱系統(tǒng)在化工行業(yè)的應(yīng)用［J］． 廣東化工，2022，49(11):21 －23．

［15］魏子敬． 熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)在供熱領(lǐng)域的應(yīng)用［J］． 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2022，12(2):186 －188．

［16］張國龍，居文平，常東鋒，等． 電阻式熔鹽加熱器動(dòng)態(tài)建模與參數(shù)化分析［J］． 熱力發(fā)電，2023，52(9):155 －161．

［17］張士憲，趙曉萍，時(shí)彥林． 熔鹽的應(yīng)用及發(fā)展前景［J］． 中小企業(yè)管理與科技，2017(14):126 －127．

相關(guān)鏈接