地热用于油田集输伴热及发电的经济性分析

  地热是重要的可再生清洁能源。国内外都非常重视地热的应用,意大利在1904年开始利用地热发 电,冰岛在1928年开始利用地热供热。我国地热资源分布较广,建立了西藏羊八井地热发电示范基地、天津地热区域供热示范基地及静海、雄县、新郑、福建省农科院等4个农业利用示范基地,形成了一 定的开发利用规模和地热产业。地热与石油是共存于沉积盆地的两种能源,在含油气盆地内油气田与地热田的形成条件有较多相似之处。在含油气盆地中油气田往往就是地热田,这种现象十分普遍。因地制宜,合理利用地热,必将给油田的油气生产带来经济效益。本文对地热用于油田集输伴热系统及发电进行经济性分析。

 

  1  地热水在集输伴热系统的应用油田集输伴热系统多采用燃油(气)热水锅炉加热维温水,消耗了大量的燃油(气)资源。随着油井的不断开采,采出液含水率逐渐增高,到了开采晚期,含水率高达95%以上。对于采油而言,这样的油井已无开采价值。但油井本身也是地热井,当出水温度较高(高于85℃)时还可继续开采。在得到少量油的同时,对采出的地热水加以利用,可完全替代燃油(气)热水锅炉,用于集输伴热系统维温,节省燃油(气)资源,还可以用于地热发电及居民供热。 从油井采出的地热水,含有少量的油与伴生气。

 

  先进入三相分离器,脱除油和伴生气,净化后的地热水进入换热器,与维温水换热。换热后的维温水主要用于油气集输伴热系统维温,通过热水管道将维温水输送至井口,回水管与输油管伴随至采油厂站,起到伴热维温的作用,以免管道内原油温度过低而凝固。

 

  2  地热发电方式及设备

 

  2.1 地热发电方式

 

  对温度不同的地热资源,有4种发电方式:①蒸汽直接发电方式,应用于高温(200℃左右)蒸汽热田。②闪蒸发电方式,可以把中低温地热水发电效率提高15%～20%。③中间介质(双循环式)发电方式,可利用的地热温度范围广(85～150℃)。发电系统蒸汽工作压力高于1个标准大气压,不需要抽真空设备,可以降低机组自身能耗。循环工质选用得当,可大幅提高热能利用率。美国目前运行的地热发电站多采用此方式。④全流循环式发电方式,是针对汽水混合型地热资源开发出的一种发电方式。

 

  2.2 地热发电设备

 

  我国的低温地热发电设备主要采用闪蒸发电方式,汽轮机、发电机基本沿用常规发电系统。发电机组体积庞大,没有实现橇装化。由于低温地热发电技术应用规模小,近年来我国的低温发电技术研究基本处于停滞状态。

 

  在美国有3家公司生产地热发电设备,分别为OMT公司、UTC公司、BarberNicholls公司。OMT公司主要制造高温(150℃以上)地热发电设备,应用 于美国加州和内华达州等地区,中低温发电技术处于初步研究实验阶段。目前,他们正在进行NPR-3油田地热发电项目,井口温度为87.7℃,装机容量为300kW。UTC公司主要制造中低温地热发电 设备,主要生产225型PureCycle? 中间介质(双循环式)地热发电机组。BarberNicholls公司是近两年发展起来的公司,只完成了两个项目,主要生产中高温地热发电设备。 OMT公司生产的地热发电设备单位装机容量造价约1500美元/kW,是UTC公司的3倍,而且发电机组装机容量较大,安装方式采用固定式,施工期长。UTC公司生产的发电设备外形小,采用橇装或车载式,安装期短,特别适合油田使用,因此我们关 注UTC公司生产的255型PureCycle? 地热发电机组。

 

  地热发电机组采用中间介质(双循环式)发电方式,依靠循环工质与地热水之间

 

  的热传递实现能量交换,工作原理见图1。地热水进入蒸发器,加热循环工质直至蒸发,循环工质蒸气推动涡轮发电。循环工质蒸气膨胀做功后进入冷凝器,在冷凝器中冷却成液态后,经循环泵进入蒸发器。

 

  3  工程实例①

 

  集输伴热系统 留北油田集输伴热系统以燃油热水锅炉房作为热源,流程见图2。由留北热力站输出的维温水分别输送至各个站点,最终返回留北热力站,继续经换热器升温。燃油热水锅炉年耗油量为3478t/a,维 温水日需求量为6720m3 /d。

 

  ② 经济性分析 留北油田有15口油井采出液含水率很高,基本 不含油气。单口井产液量为800m3 /d,出水温度为110℃,可作为加热维温水的热源,取代燃油热水锅炉房。维温水与地热水经换热器换热后,温度增至85℃,输送到各个站点,回水温度约50℃,可以满足维温要求。拆除原有热水锅炉循环泵(总功率为252kW),新增维温水循环泵(总功率为327.5kW)。

 

  井口温度为110℃,属中低温地热井,适合采用中间介质(双循环式)发电方式。除集输伴热系统使用一部分地热水外,其他进入地热水发电机组,发电机组装机容量为2×265kW。发电机组的地热水适用温度为85～150℃。地热水抽采设备采用潜油泵,单台功率为144kW,总功率为2160kW。

 

  燃油价格按4000元/t计,电价按0.6元/(kW?h)计,年运行时间按365d/a计。原热水锅炉循 环泵年电费为132.5×104 元/a,年燃油费用为1391.2×104 元/a。采用地热水替代燃油热水锅炉 及地热水发电后,新增维温水循环泵年电费为172.1 ×104元/a,潜油泵年电费为1135.3×104元/a,年 发电收益为278.6×104 元/a。

 

  经计算,改造后年经济效益约495×104 元/a,效益的主要来源为节省的燃油及发电。运行中,潜油泵耗电量最大,原因是利用采油工艺及采油的潜油泵开采低黏度、大流量的地热水,导致能耗加大。因此,应根据地热水低黏度的特点寻求更经济的开采手段。

 

  4 结论

 

  ① 油田地热的合理利用,可以创造出比较可观的经济效益。

 

  ② 地热水的利用适合采出水富余量大且稳定的油田,采出水温度应大于85℃。

 

  ③ 探寻新型的地热水开采工艺及设备,降低开采成本。