兆阳光热：HLIACS低成本太阳能聚光集热系统应用于稠油清洁热采的技术经济性研究

　　稠油具有以下几个方面的特点，一是其胶质沥青含量较高；二是其在油层中具有较高的粘度；三是其流动阻力大，有时会难以流动。以上特点使得稠油的开采不能使用常规的开采技术，否则，难以获得较好的经济效益。研究人员发现，稠油的粘度随温度升高而快速下降，从而流动性增强。因此稠油热采技术成为稠油开采的主要方法之一。

　　稠油热采最常见的技术方法有蒸汽吞吐热采、蒸汽驱热采、稠油SAGD热采（蒸汽辅助重力泄油热采）以及火烧油层热采。

　　稠油热采使用的热水或热蒸汽一般是采用燃油/天然气锅炉加热产生的，但是由于目前基于优化能源结构、降低能耗、减少碳排放的原则，燃油/天然气锅炉显然不是最佳的蒸汽发生装置。太阳能是取之不尽、用之不竭的绿色可再生能源，采用太阳能产生蒸汽用于稠油热采是当前石油热开采方向的研究热点之一。

　　油汽比是衡量稠油热采的关键敏感经济指标，以油汽比为0.4计算，生产1t原油需要注入2.5t的蒸汽量。同时我国稠油主产区，集中在中石油和中石化下属的9个油田，如下图所示，大都位于光照资源较好的区域，具备利用太阳能的现实条件和资源基础。以目前中国的稠油开采量来看，每年至少需要2000万吨水当量的蒸汽。因此，利用太阳能集热装置来产生蒸汽具有十分广阔的市场前景。

图：中国太阳直射辐射情况及油田分布图

　　目前国际上已经有光热技术在稠油开采方面的成功应用案例。

　　2011年，美国GlassPoint公司与独立石油生产商Berry合作开发了第一个利用太阳能光热提高原油采收率（EOR，Enhanced Oil Recovery）的项目，装机规模为300kW，位于美国加州Kern。该项目是光热技术在石油开采领域的全球首次尝试。

　　2013年5月21日，Glasspoint与阿曼石油公司联合开发的阿曼 PDO 7MWth 槽式太阳能稠油注汽项目成功投运，第一次试运行的测试结果表明，蒸汽产能超出预期10%。

　　2015年7月，Glasspoint与阿曼石油开发公司合作共同打造Mirrah太阳能EOR项目。目前，该项目一期已成功向Amal West油田输送蒸汽。

　　2017年11月， GlassPoint公司宣布将于加州贝克尔斯菲市（Bakersfield）西部的Belridge油田建造装机850MWth的太阳能稠油开采项目。

　　常见的太阳能光热集热装置有槽式、塔式、线性菲涅耳式，目前普遍系统造价较高，与其他热源相比较，应用于稠油开采并没有明显的经济优势，在此不做展开介绍。

  

图：槽式太阳能热发电技术

  

图：塔式太阳能热发电技术

  

图：线性菲涅耳式太阳能热发电技术

（注：图片来源网络）

　　北京兆阳光热技术有限公司（下文简称兆阳光热）全自主知识产权研发的HLIACS太阳能聚光集热装置，在传统槽式、菲涅耳式等成熟可靠的线性聚光技术路线基础上进行了重大改进创新设计，采取东西轴倾斜布置方式，使用张家口张北地区特征年标准光照数据对单位镜面全年累计吸热体得热量进行精确积分测算，几种技术路线聚光集热场结构的单位镜面全年累计集热管得热量结果对比如下图所示，按单位面积镜面计算，HLIACS太阳能聚光集热装置获得的全年热量基本与南北轴槽式聚光集热装置（模组间距为12.5m，开口宽度为5.7m，镜面面积计算时按照弧长6.28m计算）相持平，但显著高于南北轴菲涅耳聚光集热装置约29%左右。

图：不同技术路线集热场各月单位镜面全年累计集热管得热量的分布图（均考虑吸热器热损）

　　考虑到经济性，太阳能聚光集热装置的集热量通常按照全年平均水平设计，南北轴水平槽式聚光集热装置出现夏天弃热较多，冬天热量相对不足的情况。东西轴向阳倾斜的HLIACS聚光集热装置各月份热量接收量差异小，全年接收热量相对均衡，夏天基本不必弃热，冬天获得的热量远大于南北轴布置方式。对于中高纬度地区，冬夏光照差异大，采用HLIACS结构具有显著的实用性，适合稠油主产区。

　　兆阳光热HLIACS太阳能聚光集热装置采取的直接蒸汽发生式（DSG）技术体系也同样来自兆阳光热核心技术，克服了过热蒸汽参数输出不稳定的固有缺陷和难点，实现以水作为吸热器的循环工质，直接产生高温高压蒸汽，运行技术成熟和整体运行成本低廉；水这种原料最为常见、工作温度高、廉价无污染、安全无毒、运行成本低，系统简单、所采用的阀门、仪表等零部件与常规火电站相同，有成熟的设计、施工、验收及运行规范规程可以借鉴，水工质系统运行维护经验丰富的人员数量众多等优点；相比熔融盐和导热油介质减少了对管道的腐蚀，同时也降低了对环境的污染，避免了泄漏、燃烧和爆炸的风险，大大提高了系统可靠性。

　　HLIACS太阳能聚光集热装置主要包括聚光器和吸热器。

　　聚光器由聚光反射镜、支架、传动跟踪装置和清扫装置组成。聚光器进行了高聚光倍率光学设计，小夹角复合高倍聚光设计，在实现综合聚光倍率高达150到200倍的情况下仍有较好的光学容差角度。高倍率时聚光集热效率明显提高，可有效利用低DNI强度的光照资源，弥补光照不足，特别适合我国稠油开采地区。

图：兆阳HLIACS聚光集热系统示意图

　　聚光反射镜结构由底层玻璃镜片、中间胶层，超白玻璃高反镜片三层结构构成，具有以下显著的优点：双平板玻璃冷弯成型，面形精度高，各处法线方向偏差＜3 mrad；使用超白薄玻璃镀膜，镜面反射率高达94.5%；复合结构增强了反射镜耐冲击强度，即使破裂仅对聚光效果只有微弱影响，聚光反射镜可长期稳定工作；聚光反射镜外表面玻璃结构保证反射镜耐腐蚀及磨损，耐恶劣气候。该聚光反射镜已经通过国家权威检测机构（国家安全玻璃及石英玻璃质量监督检测中心）的全面测试，各项指标均达到和超过国际水平，能够真正适应风沙侵蚀环境，预期使用寿命可达50年以上。

　　支架采用架空式金属支撑结构，维护简单。由于HLIACS聚光集热装置南低北高布置，集热场有一定的高度，因此在结构设计时进行集热场四周边缘区域的架空金属支撑结构增强设计，可有效起到围护挡风作用，使得集热场内部区域风速显著降低，从而大幅度减少内部镜场支撑结构的用钢量，显著降低建设成本。同时对于降低地面风速、保湿降尘、雨水收集、恢复植被及实现土地综合利用方面效果明显。

图：兆阳聚光集热装置全景

图： (上)架空式金属支撑结构(下)聚光中的集热场

　　聚光集热装置采用纯机械电机（减速机加连杆结构）的跟踪驱动方式，对光线追踪角度的控制更加精确，整套驱动的减速比可以达到约30万，大减速比驱动对长距离回路驱动精度更高。由于未采用液压装置，该驱动系统耐寒、抗风沙，即使布置在多风沙的严寒地区，也能有非常好的适应性，同时检查维护直观简单，工作量小。

　　全自动清扫装置，可实现自动每日干式旋压吹扫，无人操作，能耗低，无需耗费水资源，清洗频率为隔日清洗，经过折算30年的清洗寿命测试，镜面无损伤，可实现镜面反射率平均下降值不超过1%。

　　采用二次反射（CPC）-真空集热管吸收方案，主体结构包含真空集热管、CPC反光镜、金属框架等，其中CPC反光镜负责接收聚光器反射过来的太阳光并再次反射使光线向吸热管中心的真空集热管聚集；真空集热管具有优良的选择性吸收膜层，使聚集到内管表面的光能尽量多地被管道吸收，并利用真空夹层维持较小的热损率；金属框架为CPC反光镜和真空集热管提供了必要的定位支撑，同时承受外界风、雪、冰雹等荷载的冲击。

 

图：兆阳光热HLIACS太阳能聚光集热装置产生饱和蒸汽系统

　　如上图所示，兆阳光热HLIACS聚光集热系统用于稠油热采行业时，由于直接使用水工质产生饱和蒸汽，相比导热油、熔盐工质取消了换热环节，工艺流程非常简单实用，清洁安全，运行可靠。

　　兆阳光热已经完成首座15 MW线性菲涅耳式太阳能光热电站（使用HLIACS太阳能聚光集热技术）的设计，该项目总投资约7亿元人民币（含14h储热及部分配套展示设施），装机容量15 MW，聚光反射镜面积约40万平米，设计年发电量7500万度。目前该项目的一期集热装置效率性能测试已完成，结果表明各项指标均已经达到设计值。

表：单条回路测试时段效率测试数据

（注：理论输出功率=聚光集热装置输出功率-吸热器运行热损失，聚光集热装置输出功率=DNI*聚光反射镜面积*光热转换效率）

　　测试结果表明，单条回路（10822 m²聚光反射镜）测试时段理论输出能量与实际输出能量偏差率小于10%。2017年8月25日单条回路效率测试，测试时段理论输出能量与实际输出能量分别为11669.0676 kWh及11085.2448 kWh，负偏差小于5%；2017年8月29日单条回路效率测试，测试时段理论输出能量与实际输出能量分别为10685.62 kWh及11189.47 kWh，正偏差约为5%；2017年10月15日单条回路效率测试的测试时段理论输出能量与实际输出能量分别为11851.36 KWh及12165.28 KWh，正偏差约为3%。

　　经过实测运行验证可知，兆阳光热HLIACS系统具有较高的实际聚光集热效率，特别是在较低太阳直辐照（DNI）（250 W/m²左右）时，本项目的HLIACS聚光集热装置仍可输出合格的高温高压过热蒸汽，能够最大程度的充分采集利用太阳光照资源。

　　根据某油田所需热采的高温高压蒸汽参数要求，以HLIACS吸热器出口蒸汽48 MW 为计算依据而设计如下集热装置。按照张家口张北县太阳直辐射强度（1750 KWh/m²/a）为例进行测算（实际项目地点光照条件不同时，镜场面积会有相应调整相应），HLIACS方案的集热装置需要聚光反射镜面积约15万m²，最大输出功率为67MW，满足该油田开采所需热功率和参数要求。

　　考虑土地集约和尽量不挡光，该集热装置占地面积约为32万m²；参考北京兆阳光热技术有限公司已建项目情况测算，本项目预计建设工期5个月，总投资1.125亿元，折合到每平米集热场面积的系统造价约为750元，使用寿命在25年以上。

　　根据初步测算，该集热装置年制蒸汽量约15万吨（吸热器出口蒸汽参数15MPa，350℃左右）。以替代天然气为参考（取吨蒸汽耗天然气70 m³为例），可节约天然气约 1050万m³，相当于年节省天然气费用约2625万元（假设天然气价格为2.5元/m³）。另外，二氧化碳减排量为2.04万吨/年。本项目总投资以节省天然气为计算参考对象，项目投资有望在4.3年左右回收，进一步考虑气源及燃气锅炉等设备投资及运维费用，投资回收期将进一步大幅缩短，具有很好的投资经济性。随着天然气价格的不断上升，假设替代天然气价格上升，其经济性情况如下表所示。

表：不同天然气价格对应的投资回收年限（未考虑气源及燃气锅炉等设备投资及运维费用）

　　从上述分析可以看出，兆阳HLIACS太阳能聚光集热技术是一项成熟可靠且经济可行的稠油清洁热采节能减排新技术，投资回收快，效益高，既符合国家对能耗行业的节能减排要求，也能促进油田的绿色和可持续发展。随着太阳能聚光集热技术的不断成熟，其可靠性将不断提升、成本还有较大的下降空间，因此光热技术在稠油热采集输加热领域具有十分广阔的前景，值得关注。

　　通过此技术经济分析可以看出，兆阳HLIACS聚光集热系统在产生工业级高温高压饱和蒸汽方面，具有工质清洁环保、运行简单可靠的实用优势，在光照资源较好的地区已经具备很好的投资经济性（初步测算能够低于150元/吨的水平），实现蒸汽成本较大幅度低于天然气锅炉的生产方式，甚至可能接近燃煤蒸汽锅炉的成本水平，能够在大部分光照资源不太差的地区及广泛的应用领域进行大规模推广，为产业升级和节能减排做出显著贡献，产生巨大的经济、环境和社会效益。