摘要：在全球能源加速轉(zhuǎn)型、我國(guó)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。目前國(guó)內(nèi)油田在生產(chǎn)過(guò)程中化石能源消耗普遍占比較高，都在積極開(kāi)展綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展。熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)是利用熔鹽高熱容、高分解溫度、高流動(dòng)性、低腐蝕性等特點(diǎn)，以其作為儲(chǔ)熱介質(zhì)，將谷時(shí)電或綠電等以熱能的形式儲(chǔ)存起來(lái)，再利用儲(chǔ)存的熱能放熱進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能光熱發(fā)電、火力發(fā)電機(jī)組的調(diào)峰調(diào)頻、供暖與余熱回收利用等領(lǐng)域.目前對(duì)熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)的研究普遍以太陽(yáng)能光熱發(fā)電為中心展開(kāi)，探索熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)如何在油田生產(chǎn)系統(tǒng)中得到應(yīng)用，分析熔鹽物性，研究其蓄熱溫度區(qū)間，適宜的加熱方式、關(guān)鍵設(shè)備部件及系統(tǒng)工藝流程等，實(shí)現(xiàn)以較為低廉的谷時(shí)電加熱熔鹽進(jìn)行儲(chǔ)熱放熱循環(huán)，滿足油田生產(chǎn)加熱需求，提高油田綠電消納水平，減少化石能源消耗，對(duì)于“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)意義重大。

在全球能源加速轉(zhuǎn)型、我國(guó)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(shū)記在2020年9月22日聯(lián)合國(guó)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(guó)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(wàn)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(wàn)t標(biāo)煤，CO2排放量567.54萬(wàn)t，能耗主要為天然氣。隨著近年來(lái)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(guó)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熔鹽簡(jiǎn)介

熔鹽一般是指無(wú)機(jī)鹽或其混合物的熔融態(tài)液體。常見(jiàn)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(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn)，硝酸鹽熔點(diǎn)低、腐蝕性低并已廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能發(fā)電及電加熱熔鹽儲(chǔ)能熱力站等領(lǐng)域。工程上常用的硝酸熔鹽分別為二元鹽(40%硝酸鉀(KNO3)、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(jiàn)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。

表1熔鹽種類介紹

表2硝酸鹽熔鹽特性參數(shù)

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，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(guò)熱蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)做功。表3為國(guó)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)。該技術(shù)在油田生產(chǎn)領(lǐng)域尚無(wú)應(yīng)用，可以借鑒其儲(chǔ)熱放熱循環(huán)技術(shù)，開(kāi)展相關(guān)技術(shù)研究與應(yīng)用。

表3國(guó)內(nèi)外光熱發(fā)電成功案例

表 4 青海德令哈熔鹽儲(chǔ)熱工況參數(shù)

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，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(guò)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(guò)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：1924～1873 kg/m3;

(4)熔鹽熱容：1488～1502 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(pán)管供熔鹽給空氣加熱(見(jiàn)圖1)。

圖1熔鹽儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)圖

（2)設(shè)備主要參數(shù)：

直徑：2 400 mm;

筒體長(zhǎng)度：4700 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㎡。

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(guò)換熱盤(pán)管連接為一體，含水油在管程輸送，殼程內(nèi)為熱空氣給盤(pán)管內(nèi)含水油加熱(見(jiàn)圖2)。

圖2熔鹽－熱風(fēng)換熱器設(shè)計(jì)圖

設(shè)備主要參數(shù)：

直徑：600 mm;

筒體長(zhǎng)度：3050 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：20㎡。

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(guò)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(guò)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(wàn)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(yíng)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)。

本文作者：中油遼河工程有限公司，劉兵。