油氣田開發(fā)的可再生能源利用模式

龍源（北京）太陽能技術(shù)有限公司

目前全球步入第三次能源轉(zhuǎn)型，世界能源體系中能源消費結(jié)構(gòu)持續(xù)清潔化，可再生能源的大規(guī)模開發(fā)和利用成為不可逆的新能源發(fā)展趨勢。伴隨中國經(jīng)濟(jì)由高速度向高質(zhì)量的階段性轉(zhuǎn)變和可再生能源技術(shù)的快速發(fā)展，我國企業(yè)能源的發(fā)展也出現(xiàn)了新思路和新契機(jī)[1]。分布式可再生能源具有“就近取材，本地消納”的特點，使得其供能具有簡單、高效、靈活、可靠的優(yōu)勢，在今后能源應(yīng)用中的比重會逐步提升。因地制宜地發(fā)展分布式可再生能源，實現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型、低碳發(fā)展戰(zhàn)略是各大中型企業(yè)的外在要求，也是獲取長期發(fā)展競爭優(yōu)勢的內(nèi)在需要。

大中型企業(yè)的可再生能源利用需要將其所具有的資源特性和應(yīng)用需求相結(jié)合，因地制宜地制定能源利用模式，挖掘應(yīng)用潛力，形成可復(fù)制、可推廣的建設(shè)模式，發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境價值[2]。本文以地面油氣田開采企業(yè)為例，根據(jù)其資源特點論述了可再生能源利用的特點和模式。

1 可再生能源開發(fā)優(yōu)勢

我國油氣田開采企業(yè)因其礦產(chǎn)資源、生產(chǎn)技術(shù)等特點，在可再生能源開發(fā)利用方面具有巨大的潛力，主要有以下幾方面優(yōu)勢：

（1）自然資源豐富。我國太陽能資源分布是西北高、東南低，而風(fēng)能資源分布是北高、南低，我國油氣田礦權(quán)區(qū)剛好處于較有利的資源品質(zhì)區(qū)。對于太陽能和風(fēng)能利用，油區(qū)范圍內(nèi)井場分布廣，閑置土地較多，土地是優(yōu)勢，可用于光伏及風(fēng)力發(fā)電站的規(guī)劃布局。油氣田礦權(quán)區(qū)內(nèi)4 000 m以淺地?zé)豳Y源量折合標(biāo)煤1.08×1012t，占全國總資源量的三分之二以上，優(yōu)質(zhì)地?zé)豳Y源主要分布在華北、冀東、大港、大慶、遼河、吉林等油田；而且每年采出水的余熱能約為177×104t標(biāo)煤，余熱能資源也十分豐富。

（2）消納潛力大。油田開發(fā)企業(yè)既是能源生產(chǎn)大戶，也是能源消耗大戶，未來隨著開發(fā)難度增大，能耗仍呈上升趨勢；因此從另一個角度看，油田開發(fā)企業(yè)也是清潔能源替代潛力大戶。油氣田具備用能市場龐大、電力消納能力強(qiáng)等有利優(yōu)勢，清潔能源利用模式將成為油氣田生產(chǎn)節(jié)能降耗、提質(zhì)增效的重要方向。

（3）技術(shù)發(fā)展相對成熟。近年來隨著國家各項產(chǎn)業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，在地?zé)衢_發(fā)、余熱利用、風(fēng)力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電等方面技術(shù)水平不斷提高，已進(jìn)入技術(shù)成熟期，光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電成本近幾年大幅下降，為油氣田開展清潔能源利用提供了有利條件。

2 可再生能源典型利用模式

我國石油企業(yè)正處于提質(zhì)增效轉(zhuǎn)變階段，在油田開發(fā)需求不斷增加的同時，能源需求也顯著提升，為可再生能源的發(fā)展提供了契機(jī)。隨著可再生能源技術(shù)進(jìn)步，可再生能源在企業(yè)發(fā)展需求十分巨大。

在可再生能源的利用模式中，一種簡單的方式是按照用能類型對可再生能源利用模式進(jìn)行劃分?？稍偕茉吹湫屠媚Ｊ教卣魅缦拢?/p>

（1）風(fēng)力發(fā)電。以風(fēng)能為可再生能源發(fā)電，根據(jù)風(fēng)能發(fā)電單機(jī)容量大、占地面積小的特點，利用油田自用土地以及生產(chǎn)用電消納能力，建設(shè)分布式風(fēng)力發(fā)電站。

（2）太陽能光伏發(fā)電。以太陽能光伏為可再生能源發(fā)電，根據(jù)光伏發(fā)電單位容量小、建設(shè)容量靈活的特點，利用自用土地集中建站，也可以在生產(chǎn)場站、辦公區(qū)屋頂、空場等閑置場地分散建設(shè)。

（3）地?zé)峁崮堋８鶕?jù)地?zé)釡囟?，高溫地?zé)峥蛇M(jìn)行直接換熱應(yīng)用，低溫地?zé)峥刹捎醚h(huán)熱泵提取熱能供生產(chǎn)站場、生活及辦公區(qū)用熱。

（4）余熱供熱能。工業(yè)余熱采用循環(huán)熱泵提取熱能供生產(chǎn)站場、生活及辦公區(qū)用熱。

各油氣田因其特征和條件具有很多相似之處，在可再生能源開發(fā)及利用模式上也具有可復(fù)制性。通過充分結(jié)合油田生產(chǎn)生活方式、消納能力、電網(wǎng)建設(shè)水平以及可再生能源資源情況，制定開發(fā)規(guī)模和利用模式方案，并將可再生能源在各油田的利用模式與其當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)和環(huán)境綜合效益相結(jié)合[3]。

根據(jù)可再生能源工程案例信息分析結(jié)果，不同能源利用模式的應(yīng)用具有相應(yīng)的條件要求。

風(fēng)能、光伏發(fā)電模式的一般要求：比較充足的建設(shè)場地；風(fēng)能或太陽能資源豐富，保證較低的發(fā)電成本；建設(shè)地用電負(fù)荷比較穩(wěn)定，能消納所發(fā)電量。

地?zé)峒坝酂峁┠苣Ｊ降囊话阋螅航ㄔO(shè)地要有比較充足的熱能資源，保證較低的供能成本；建設(shè)地有相對集中的生產(chǎn)、生活用熱需求。

3 應(yīng)用場景分析

3.1 分布式集中風(fēng)能、光伏發(fā)電

油田用電主要為油氣開采和油、氣、水處理站場用電，具有用電總量多、用電地點分散、單一站場用電量小的特點，以油氣生產(chǎn)站場以及35 kV變電站為依托的新能源開發(fā)難以形成規(guī)模。因此，集中式的新能源發(fā)電站應(yīng)依托于油田110 kV變電站，利用油田礦權(quán)區(qū)的閑置土地建設(shè)。分布式集中風(fēng)能、光伏發(fā)電站以就地消納、不向上一級國家電網(wǎng)輸送電量為原則，其建設(shè)規(guī)模應(yīng)按照規(guī)范GB/T 33593—2017《分布式電源并網(wǎng)技術(shù)要求》執(zhí)行，發(fā)電容量不大于接入變電站（110 kV變電站）的最小運(yùn)行負(fù)荷[4]。油田電網(wǎng)太陽能、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)框架見圖1。

結(jié)合油田電網(wǎng)的實際情況，最大程度開發(fā)油田電網(wǎng)的接入及消納潛能，逐步建設(shè)油田電網(wǎng)新能源發(fā)電裝機(jī)規(guī)模。按各油田總規(guī)劃建設(shè)光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電站，總裝機(jī)容量可達(dá)到1 GW以上，預(yù)計將實現(xiàn)年發(fā)電量15.2×108kWh，節(jié)約標(biāo)煤50.7×104t。

圖1 油田電網(wǎng)太陽能、風(fēng)力發(fā)電示意圖Fig.1 Schematic diagram of solar and wind power generation

3.2 分布式小型光伏發(fā)電

油田的各類站場數(shù)量大，在運(yùn)各站場的廠房、辦公樓的屋頂以及廠區(qū)內(nèi)閑置的空地等可利用面積較大。另外，隨著油田滾動開發(fā)，部分站場及大量的油水井廢置，但其土地使用權(quán)仍為油田所有，這些可利用資源的主要特點是數(shù)量多、面積小[5]，適合建設(shè)小型分布式光伏發(fā)電項目，其中閑置站場空間以及廢置站場，按照其面積可建設(shè)的光伏項目裝機(jī)容量為100～1 000 kW，廢棄油水井井場可建設(shè)光伏裝機(jī)容量為30～80 kW。

小型光伏發(fā)電系統(tǒng)采用太陽能發(fā)電與交流低壓電網(wǎng)并網(wǎng)的供電方式。太陽電池方陣在太陽光輻照下發(fā)出直流電，經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電，與交流電網(wǎng)并網(wǎng)供電。其原理如圖2所示。

圖2 微電網(wǎng)供電系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of microgrid power supply system

3.3 油田采出水余熱利用

油田開發(fā)進(jìn)入中后期，油田采出水量越來越大，采出水具有水量大且穩(wěn)定、分布點相對集中、溫度較高、熱源充足且質(zhì)量較好等特點，而其中蘊(yùn)含的大量熱能并沒有得到有效回收和利用。污水余熱利用的潛力很大，在聯(lián)合站、轉(zhuǎn)油站等站場中，油氣集輸處理過程以及管線伴熱等生產(chǎn)用熱和站內(nèi)采暖與制冷輔助用熱需要大量的熱能，利用油田地下采出水作為低溫?zé)嵩矗ㄟ^熱泵技術(shù)置換出高品位熱源，取代常規(guī)制熱、加熱及制冷等裝置，節(jié)約原油、天然氣和原煤等常規(guī)化石能源的消耗，實現(xiàn)清潔能源替代、低碳環(huán)保、降低運(yùn)行成本的目標(biāo)，從而實現(xiàn)資源的有效回收與合理利用。熱泵工藝示意圖見圖3。

圖3 熱泵工藝示意圖Fig.3 Heat pump process diagram

油田結(jié)合自身生產(chǎn)情況，有效利用熱泵余熱回收技術(shù)，提取含油污水蘊(yùn)藏的熱能，將其合理利用到生產(chǎn)伴熱和冬季供暖中。常規(guī)油田采出水溫度一般在35～45 ℃左右，據(jù)測算，油田采出水量約13.6×108m3，按照溫度平均下降10 ℃、回收利用效率80%計算，可回收利用的熱能約為115×104t標(biāo)煤，相當(dāng)于目前在用加熱爐各種燃料消耗總和的28%。

3.4 油田長關(guān)低效井地?zé)?/h3>

油田生產(chǎn)過程中，部分油井的采出液含油量過低，失去開采價值，長期處于關(guān)閉狀態(tài)，因此可以利用油田長關(guān)低效井直接從地層取熱為地面建筑物冬季采暖提供熱源。通過將油田長關(guān)井改造作為取熱井，采取“取熱不取水”方式，單井循環(huán)取熱，套管注水、芯管出水（圖4）。井內(nèi)安裝換熱芯管并與地面熱泵連接為地面建筑供熱。例如，采用1口井深為2 150 m、射孔頂深為1 850 m的常關(guān)井為辦公區(qū)及車庫進(jìn)行供暖，核算供暖面積按2 000 m2計算。供暖初期，換熱孔出水溫度為22.2 ℃，進(jìn)水溫度為5.1 ℃；極寒天氣時，換熱孔出水溫度約為18 ℃，進(jìn)水溫度約為4 ℃；熱泵出水溫度為45 ℃，回水溫度為35 ℃。供暖室內(nèi)溫度可達(dá)18～21 ℃。

圖4 單井循環(huán)取熱工藝示意圖Fig.4 Single well circulation heat extraction process

采用油田長關(guān)低效井地?zé)峁幔捎行Ю糜吞锏拈e置資源，將深層的地?zé)豳Y源通過熱交換的方式得以利用，按上述規(guī)模改造長關(guān)低效井1口井，估算費用約為100萬元，預(yù)計每年可減少化石能源消耗折算標(biāo)煤56.9 t，節(jié)省供暖費用5.6萬元。

4 結(jié)束語

本文基于大量調(diào)研案例和實際數(shù)據(jù)，通過選取各油田的典型案例，探討了可再生能源典型利用模式應(yīng)用價值。在油田發(fā)展可再生能源系統(tǒng)需要改變能源利用模式與方式，應(yīng)根據(jù)各地區(qū)的實際地理及地址的自然情況，結(jié)合油田生產(chǎn)的實際用能和土地資源狀況，合理地制定可再生能源的利用方案。通過因地制宜地探索可再生能源的綜合梯級利用，實現(xiàn)多能源互補(bǔ)利用應(yīng)用模式的建立與推廣[6]，并在不同行業(yè)中開展典型分布式供能系統(tǒng)工程示范。