熔鹽儲能技術(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)，以其作為儲熱介質(zhì)，將谷時(shí)電或綠電等以熱能的形式儲存起來(lái)，再利用儲存的熱能放熱進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)，該技術(shù)已廣泛應用于太陽(yáng)能光熱發(fā)電、火力發(fā)電機組的調峰調頻、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(yáng)能光熱發(fā)電為中心展開(kāi)，探索熔鹽儲熱技術(shù)如何在油田生產(chǎn)系統中得到應用，分析熔鹽物性，研究其蓄熱溫度區間，適宜的加熱方式、關(guān)鍵設備部件及系統工藝流程等，實(shí)現以較為低廉的谷時(shí)電加熱熔鹽進(jìn)行儲熱放熱循環(huán)，滿(mǎn)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(shí)現意義重大。

在全'球能源加速轉型、我國新能源轉向全'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(shū)記在2020年9月22日聯(lián)合國大會(huì )上提出“力爭2030年碳達峰，2060年碳中和”的戰略目標，中國石油天然氣集團公司制定了“清潔替代、戰略接替、綠色轉型”的三步走戰略，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30年保持千萬(wàn)噸規模，其中，稠油、超稠油產(chǎn)量約占60%，2021年生產(chǎn)系統消耗天然氣18.2億m3、電22.4億kW·h，折合269.59萬(wàn)t標煤，CO2排放量567.54萬(wàn)t，能耗主要為天然氣。隨著(zhù)近年來(lái)光熱發(fā)電項目建設，熔鹽儲熱技術(shù)為油田“以電代氣”，綠色轉型提供了技術(shù)選擇，因此，在油氣生產(chǎn)高能耗系統應用熔鹽儲熱技術(shù)，不僅'有利于油田清潔能源替代，減碳排綠色發(fā)展，同時(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   熔鹽簡(jiǎn)介

熔鹽一般是指無(wú)機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。

表1熔鹽種類(lèi)介紹

由表1可見(jiàn)，硝酸鹽熔點(diǎn)低、腐蝕性低并已廣泛應用于太陽(yáng)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)系統運行更加安'全。

表2硝酸鹽熔鹽特性參數

2    熔鹽儲熱技術(shù)簡(jiǎn)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(jìn)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(shí)作為傳熱工質(zhì)與給水換熱產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽，驅動(dòng)汽輪機做功。表3為國內外光熱發(fā)電成功案例，表4為青海德令哈光熱發(fā)電具體參數。該技術(shù)在油田生產(chǎn)領(lǐng)域尚無(wú)應用，可以借鑒其儲熱放熱循環(huán)技術(shù)，開(kāi)展相關(guān)技術(shù)研究與應用。

表3國內外光熱發(fā)電成功案例

表 4 青海德令哈熔鹽儲熱工況參數

3    油田井場(chǎng)生產(chǎn)現狀

遼河井場(chǎng)加熱爐數量多且布置分散，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(chǎng)加熱爐規格有32、90、170、290 kW等，實(shí)際常用的加熱負荷為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

在現有熔鹽儲熱技術(shù)基礎上，創(chuàng )新熔鹽—熱風(fēng)換熱技術(shù)路線(xiàn)，利用谷時(shí)電(22∶00—5∶00)或結合光伏發(fā)電系統白天時(shí)段進(jìn)行補電，通過(guò)設置在熔鹽儲罐的電加熱器，將熔鹽由260℃加熱至340℃，電能轉化為熱能儲存在熔鹽中;全天連續釋放高溫熔鹽中的熱能，通過(guò)鼓風(fēng)機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。詳細設計如下：

1)設計參數及熔鹽基礎數據

(1)熔鹽儲熱橇設計加熱/儲熱功率：30/120 kW;

(2)熔鹽設計溫度：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)主要設備設計

(1)熔鹽儲罐。設備為臥式結構，鞍座支撐型式，鞍座采用120°包角，設有電加熱器供熔鹽蓄熱使用，設備內部設有加熱盤(pán)管供熔鹽給空氣加熱(見(jiàn)圖1)。

圖1熔鹽儲罐設計圖

(2)設備主要參數：

直徑：2400 mm;

筒體長(cháng)度：4700 mm;

設計壓力：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;

設備總重：8.05 t;

管道換熱參數：換熱面積：80㎡。

3)熔鹽－熱風(fēng)換熱器

設備為臥式結構，鞍座支撐型式，鞍座采用120°包角，本設備設置上下兩個(gè)筒體，通過(guò)換熱盤(pán)管連接為一體，含水油在管程輸送，殼程內為熱空氣給盤(pán)管內含水油加熱(見(jiàn)圖2)。

圖2熔鹽－熱風(fēng)換熱器設計圖

設備主要參數：

直徑：600 mm;

筒體長(cháng)度：3050 mm;

設計壓力：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;

設備總重：2 t;

管道換熱參數：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(guò)理論分析計算，遼河油田建設一臺試驗裝置，并于2023年1月投產(chǎn)運行，目前運行平穩。該裝置每天利用7小時(shí)谷時(shí)電(840 kW·h)加熱熔鹽儲存熱量(2 963 MJ)，通過(guò)熱風(fēng)循環(huán)換熱系統全天連續加熱采出液，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%，達到節省天然氣2.7萬(wàn)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，分析系統中熔鹽各部分的換熱效率，掌握熔鹽系統運行與維護安'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(jià)機制等一系列生產(chǎn)運營(yíng)經(jīng)驗，為熔鹽儲熱技術(shù)逐步擴大建設規模，應用于采油站、聯(lián)合站及注汽系統加熱積累經(jīng)驗，實(shí)現油田生產(chǎn)的綠色低碳轉型發(fā)展，助力雙碳目標實(shí)現。

本文作者：中油遼河工程有限公司，劉兵。