熔鹽儲能技術(shù)是利用熔鹽高熱容、高分解溫度、高流動性、低腐蝕性等特點，以其作為儲熱介質(zhì)，將谷時電或綠電等以熱能的形式儲存起來，再利用儲存的熱能放熱進行工業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)，該技術(shù)已廣泛應用于太陽能光熱發(fā)電、火力發(fā)電機組的調(diào)峰調(diào)頻、供暖與余熱回收利用等領(lǐng)域。

目前對熔鹽儲熱技術(shù)的研究普遍以太陽能光熱發(fā)電為中心展開，探索熔鹽儲熱技術(shù)如何在油田生產(chǎn)系統(tǒng)中得到應用，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，實現(xiàn)以較為低廉的谷時電加熱熔鹽進行儲熱放熱循環(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，對于“雙碳”目標實現(xiàn)意義重大。

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其沖。習近平總書記在2020年9月22日聯(lián)合國大會上提出“力爭2030年碳達峰，2060年碳中和”的戰(zhàn)略目標，中國石油天然氣集團公司制定了“清潔替代、戰(zhàn)略接替、綠色轉(zhuǎn)型”的三步走戰(zhàn)略，明確“2025年碳達峰，2050年近零排放”的目標路徑。

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標煤，CO2排放量567.54萬t，能耗主要為天然氣。隨著近年來光熱發(fā)電項目建設(shè)，熔鹽儲熱技術(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)應用熔鹽儲熱技術(shù)，不僅'有利于油田清潔能源替代，減碳排綠色發(fā)展，同時為國家電網(wǎng)起到填谷作用，以接納更多的風電容量，降低電網(wǎng)棄風率。

1   熔鹽簡介

熔鹽一般是指無機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。

表1熔鹽種類介紹

由表1可見，硝酸鹽熔點低、腐蝕性低并已廣泛應用于太陽能發(fā)電及電加熱熔鹽儲能熱力站等領(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，具有較好的流動性等特點，整個系統(tǒng)運行更加安'全。

表2硝酸鹽熔鹽特性參數(shù)

2    熔鹽儲熱技術(shù)簡介

熔鹽儲熱技術(shù)于20世紀80年代就已經(jīng)在光熱發(fā)電領(lǐng)域中應用，熔鹽作為儲熱工質(zhì)，被聚焦光斑加熱后進入高溫罐儲存，可以解決光熱發(fā)電中的能源儲存難題，發(fā)電時作為傳熱工質(zhì)與給水換熱產(chǎn)生過熱蒸汽，驅(qū)動汽輪機做功。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)。該技術(shù)在油田生產(chǎn)領(lǐng)域尚無應用，可以借鑒其儲熱放熱循環(huán)技術(shù)，開展相關(guān)技術(shù)研究與應用。

表3國內(nèi)外光熱發(fā)電成功案例

表 4 青海德令哈熔鹽儲熱工況參數(shù)

3    油田井場生產(chǎn)現(xiàn)狀

遼河井場加熱爐數(shù)量多且布置分散，主要用于采出液加熱升溫，加熱爐的平均負荷率多在60%～70%，一般從30℃左右升溫至60℃左右，井場加熱爐規(guī)格有32、90、170、290 kW等，實際常用的加熱負荷為30、60 kW。以遼河油田某采油井場生產(chǎn)實際為例，加熱液量為25 m3/d，含水率84%，加熱溫度為26～50℃，計算加熱負荷為26.85 kW。

4    熔鹽儲熱技術(shù)在油田生產(chǎn)的探索

在現(xiàn)有熔鹽儲熱技術(shù)基礎(chǔ)上，創(chuàng)新熔鹽—熱風換熱技術(shù)路線，利用谷時電(22∶00—5∶00)或結(jié)合光伏發(fā)電系統(tǒng)白天時段進行補電，通過設(shè)置在熔鹽儲罐的電加熱器，將熔鹽由260℃加熱至340℃，電能轉(zhuǎn)化為熱能儲存在熔鹽中;全天連續(xù)釋放高溫熔鹽中的熱能，通過鼓風機將空氣與高溫熔鹽換熱成熱風(220/170℃)，熱風再與采出液進行換熱，將采出液提溫后外輸。詳細設(shè)計如下：

1)設(shè)計參數(shù)及熔鹽基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

(1)熔鹽儲熱橇設(shè)計加熱/儲熱功率：30/120 kW;

(2)熔鹽設(shè)計溫度：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)熔鹽儲罐：20 m3。

2)主要設(shè)備設(shè)計

(1)熔鹽儲罐。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)。

圖1熔鹽儲罐設(shè)計圖

(2)設(shè)備主要參數(shù)：

直徑：2400 mm;

筒體長度：4700 mm;

設(shè)計壓力：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)。

圖2熔鹽－熱風換熱器設(shè)計圖

設(shè)備主要參數(shù)：

直徑：600 mm;

筒體長度：3050 mm;

設(shè)計壓力：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    熔鹽儲熱技術(shù)在油田生產(chǎn)的應用效果及意義

通過理論分析計算，遼河油田建設(shè)一臺試驗裝置，并于2023年1月投產(chǎn)運行，目前運行平穩(wěn)。該裝置每天利用7小時谷時電(840 kW·h)加熱熔鹽儲存熱量(2 963 MJ)，通過熱風循環(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，綜合熱效率為91.2%，達到節(jié)省天然氣2.7萬方/年，減排二氧化碳58.4 t/年的運行效果。

該裝置的投產(chǎn)，填補了熔鹽儲熱技術(shù)在油田生產(chǎn)的技術(shù)空白，可以幫助技術(shù)人員建立對熔鹽特性的認識，分析系統(tǒng)中熔鹽各部分的換熱效率，掌握熔鹽系統(tǒng)運行與維護安'全措施，分析對比熔鹽儲熱與其他儲熱方式的不同，探索建造、運行、安'全、環(huán)保、碳交易、電價機制等一系列生產(chǎn)運營經(jīng)驗，為熔鹽儲熱技術(shù)逐步擴大建設(shè)規(guī)模，應用于采油站、聯(lián)合站及注汽系統(tǒng)加熱積累經(jīng)驗，實現(xiàn)油田生產(chǎn)的綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展，助力雙碳目標實現(xiàn)。

本文作者：中油遼河工程有限公司，劉兵。