阅读说明：本技术 油田站场集输中采用热声热泵加热稠油的工艺方法及系统 (Process method and system for heating thick oil by using thermoacoustic heat pump in gathering and transportation of oil field station ) 是由 甘冬丽 吴园园 姜涛 邓富康 李康春 张燕杰 全嘉榕 冯清 窦明远 李浩铭 邹帅 于 2019-11-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种油田站场集输中采用热声热泵加热稠油的工艺方法,采用热声驱动双作用行波热泵产生热声正效应及热声逆效应,以水作为传热介质,将低位空气源的热量,传递给高位稠油。热声驱动双作用行波热泵包括双作用行波发动机和双作用行波热泵,双作用行波发动机以太阳能驱动为主,油田伴生气燃烧驱动为辅,使加热器与主水冷器和次水冷器之间形成温差,发生热声正效应,产生声功输入双作用行波热泵,通过热声转换作用,换热给回注污水,回注污水再经换热器换热给稠油,实现加热稠油。本发明工艺方法以清洁能源驱动为主,油田伴生气燃烧驱动为辅,实现节能、减排、低碳；同时,系统使用寿命长,一次性投资较小,长期收益,便于维运。(The invention discloses a process method for heating thick oil by using a thermoacoustic heat pump in gathering and transportation of an oil field station. The thermoacoustic driven double-acting traveling wave heat pump comprises a double-acting traveling wave engine and a double-acting traveling wave heat pump, wherein the double-acting traveling wave engine is mainly driven by solar energy, the combustion drive of oilfield associated gas is assisted, so that a temperature difference is formed between a heater and a main water cooler and a secondary water cooler, a thermoacoustic positive effect is generated, acoustic power is generated and input into the double-acting traveling wave heat pump, and through the thermoacoustic conversion effect, heat is exchanged for reinjection sewage, and the reinjection sewage is exchanged for thick oil through a heat exchanger, so that the thick oil is heated. The process method of the invention mainly uses clean energy drive and uses oil field associated gas combustion drive as assistance, thereby realizing energy conservation, emission reduction and low carbon; meanwhile, the system has long service life, small one-time investment, long-term income and convenient maintenance and transportation.)

油田站场集输中采用热声热泵加热稠油的工艺方法及系统

技术领域

本发明属于油气储运应用技术领域，具体是一种油田站场集输中采用热声热泵加热稠油的工艺方法。

背景技术

稠油是沥青质和胶质含量较高，粘度较大的原油。通常把相对密度大于0.92(20℃)，地下黏度大于50厘泊(或石油层温度下脱气的原油黏度为1000～10000毫帕·秒的高粘度重质原油)的原油叫稠油。由于稠油的密度大，也称为重油。稠油除粘度外密度也高。其含轻质馏分少，胶质与沥青含量高。稠油的粘度随温度变化，改变显著，如当温度增加8～9℃，粘度可减少30～40％以上。因此，对于稠油的开采、输送，大多使用加热方式，降低其粘度。在油层温度下，脱气原油粘度大于10000毫帕·秒的原油称为特稠原油。稠油和稀油的直观对比，稀油可以像水一样流动，而稠油却很难流动，这是稠油粘度高造成的，有的稠油粘度高达几百万毫帕·秒，像"黑泥"一样，可用手抓起或工具搬运。其实质，就是流动性太差。

大部分稠油表现出高含蜡、高含沥青质和胶质、高粘度和高凝固点的特性。稠油中沥青质和胶质的质量分数越高，凝固点也越高，导致稠油在大气环境温度下呈现高粘度。此外，油田站场集输区域跨度大，所处环境条件多变，昼夜温差变化较大。随着温度的降低，高含蜡、沥青质胶质的稠油会在输油管道或储罐内壁出现逐渐析出蜡晶，并且按分子量的高低依次不断析出、聚结、长大，使稠油凝固；同时，沥青胶质也依次均匀的吸附在已析出的蜡晶上或共晶长大，加剧了稠油的凝固。稠油的温度越低，其粘度越高。附着在管道内壁的晶体逐渐增多变厚，原有流通内径变小，甚至出现管道结晶堵塞管道的现象，造成稠油输送困难，成本增加，对油气向站场集输管道安全、稳定的运行造成巨大的影响。

稠油的输送过程中除了采用添加降凝剂、在集输装置覆盖保温材料外，通常还对稠油储运进行加热。油田站场输送管线要设置加热站给稠油加热，降低稠油的粘度，减少水力摩阻，使管道输送方便，节省动力。而传统的稠油加热技术需要消耗大量的电能和燃料，其综合能耗在输油成本中占有很大的比例。因此，必须对稠油管道输运加热方式进行优化。

热声效应是指由介质引起声学自激荡的现象。热声技术实质上是一种“热机技术”，其如同蒸汽机或内燃机一样，热声热机可将热转换为机械能，或利用特殊装置，用机械能产生温差。热声效应是由热在弹性介质(常为高压惰性气体)中引起声学自激荡的物理现象。当热量施加到热端换热器上，热端换热器周围的气体被加热。气体膨胀并产生首个压力扰动波前，向两端以声速传播。同时由于膨胀后的气体被推入回热器板叠的空隙中，回热器温度低于热端换热器，气体换热后体积收缩，收缩的气体有向回运动的倾向。同时，第一个压力波前传播到谐振腔的端部而反射回来，反射波与气体收缩运动相叠加。在某一频率(由谐振管长度与声速度决定)上产生正反馈加强，经若干个周期的重复加强后，达到饱和而形成持续的谐振波动。这个过程完成了热到声波形式的机械能的转换，这一过程就是“热声正效应”。这个热声装置，就是最简单的“热声发动机”。如若在谐振管中利用电声振荡装置产生声压力波，“热声逆效应”的结果就会使得两个换热器间产生温差，即泵热过程。利用这个泵热过程，就可以制作由声波进行制冷的“热声制冷机”。

从声学角度来说，质点机械振动引起的振荡流体与处于声场中的第二介质相互作用，当声波在体壁面附近传递时，气体介质与固体就会产生热的交换。在固体壁面一定范围内沿着或(逆着)声波传播方向会生一个时均热流，进而导致声功与热流的转换。热效应可以分为两类:一是热驱动的声振荡，二是声驱动热量传输。

与传统的热机技术相比，热声技术具有以下突出优点和发展潜力：第一，可靠性高：热声发动机和热声制冷机都没有运动部件，其压缩过程和膨胀过程完全由声波自身具有的升高和降低来实现；第二，效率高：由于没有机械运动部件，因此常规热机中因机械摩擦而产生的损失就可避免；第三，结构简单、制作成本低：热声热机主要由换热器、回热器和管道组成，其机械加工复杂程度比传统动力机械大大降低，因此制造成本可以更低；第四，环保和广泛的适应性：热声技术一般采用惰性气体作工作介质，同时是一种外燃式的设备，因此具有更高的环保特性，适于采用多种热源驱动工作如太阳能、生物质能、低品位热源等。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术稠油加热技术耗能大、经济运行成本高，提出一种节能、减排、低碳、设备传热和防垢性能好，寿命长的油田站场集输管线中采用热声热泵加热稠油的方法。

本发明以如下技术方案解决上述技术问题：

油田站场集输中采用热声热泵加热稠油的工艺方法，采用热声驱动双作用行波热泵依次产生热声正效应及热声逆效应，以水作为传热介质，将低位空气源的热量，传递给高位稠油。

所述热声驱动双作用行波热泵以太阳能为清洁能源加热为主、油田伴生气燃烧加热为辅。

所述热声驱动双作用行波热泵，工作气体为氦气或其他惰性气体，工作压力小于2MPa，系统频率为25Hz。

采用如上所述的工艺方法的油田站场集输中采用热声热泵加热稠油的系统，包括热声驱动双作用行波热泵、太阳能加热器、油田伴生气燃烧器、稠油换热器和控制模块；所述热声驱动双作用行波热泵由双作用行波发动机和双作用行波热泵通过管道连接组成，所述双作用行波发动机由主水冷器、第一回热器、第一加热器、第一热缓冲管、次水冷器依次串联组成，所述双作用行波热泵由次冷端换热器、第二热缓冲管、高温换热器、第二回热器、主冷端换热器依次串联组成，所述第一加热器由所述太阳能加热器或油田伴生气燃烧器提供热能，所述控制模块分别控制所述热声驱动双作用行波热泵、太阳能加热器和油田伴生气燃烧器；所述双作用行波热泵和冷稠油管道分别连接稠油换热器。

所述稠油换热器采用管板式强化换热器，其换热管内置间隔铝制扭带与螺旋线圈的复合元件。

所述第一加热器采用以太阳能作为主要驱动能源，以油田伴生气燃烧作为辅助驱动能源。

本发明的优点：

本发明巧妙地采用热声发动机与空气源热声热泵结合，利用正、反两次热声效应最终将低位空气源的热量传递给高位稠油即逆卡诺循环。其中，热声驱动双作用行波热泵以太阳能清洁能源驱动为主；油田伴生气燃烧驱动为辅，实现节能、减排、低碳；同时，热声驱动双作用行波热泵使用寿命长，一次性投资较小，长期收益，便于维运。调油换热器传热和防垢性能好，寿命长。

附图说明

图1为本发明油田站场集输中采用热声热泵加热稠油的系统结构框图。

图2为图1中热声驱动双作用行波热泵的结构示意图。

图3为图1中稠油换热器的换热管内置间隔铝制扭带的形状示意图。

具体实施方式

本发明所述的热声驱动双作用行波热泵，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例1：

如图1所示，本发明油田站场集输中采用热声热泵加热稠油的系统，包括热声驱动双作用行波热泵、太阳能加热器、油田伴生气燃烧器、稠油换热器和控制模块。

如图2所示，所述热声驱动双作用行波热泵包括双作用行波发动机和双作用行波热泵两部分，所述双作用行波发动机由主水冷器、第一回热器、第一加热器、第一热缓冲管、次水冷器依次串联组成，所述双作用行波热泵由次冷端换热器、第二热缓冲管、高温换热器、第二回热器、主冷端换热器依次串联组成。其中，双作用行波发动机的第一加热器以太阳能清洁能源加热为主、油田伴生气燃烧加热为辅，使得第一加热器与主水冷器和次水冷器之间形成温差，发生热声效应，产生的声功通过第一连接管输入双作用行波热泵，通过热声转换的作用，所述主冷端换热器和次冷端换热器吸收外部环境温度下的热量，在高温换热器处向回注污水放出，加热后的回注热污水经稠油换热器换热给稠油，最终实现从外部环境向稠油热泵的功能。

所述热声驱动双作用行波热泵的工作气体为氦气或其它惰性气体，工作压力不小于2MPa，系统频率为25Hz。

本实施例太阳能加热器采用十块1000x2000x65mm真空管型集热器串联连接，每块集热器有效集热面积1.96m²。油田伴生气燃烧器采用常规燃烧器。如图2所示，由控制模块通过控制太阳能加热器和油气伴生燃烧器将所述双作用行波发动机热端的第一加热器温度保持在580℃左右，周围气体膨胀并产生首个压力波扰动，压力波向两端以声速传播。膨胀后的气体被推入第一回热器并在第一回热器内换热，气体换热后体积收缩，收缩的气体有回向运动趋势，同时第一个压力波向前分别传播到谐振腔即图3中的第一前空管段和第一后空管段的端部而反射回来，而冷端通过主水冷器、次水冷器带走热量，将温度维持在80℃左右。反射波与气体收缩运动相叠加，在一定频率上产生正反馈加强，经若干个周期重复加强后达到饱和，形成持续的谐振波动，完成热到声波形式的机械能的转换。这一过程就是"热声正效应"。声功自左向右输入双作用行波热泵，通过热声转换作用，主冷端换热器和次冷端换热器吸收外部环境温度下的热量，在高温换热器放出，实现从外部环境温区向高温区泵热的功能，即“热声逆效应”，由此驱动所述双作用行波热泵加热回注污水至90℃并通入稠油换热器与稠油进行换热，从而达成加热稠油的目的。稠油循环管路采用为Ф59×4.5mm进行内外防腐的无缝钢管。所述双作用行波热泵中，第二回热器主要起到能量转换和热量传递作用，第二热缓冲管的作用是将高温一侧过度到环境温度，主、次冷端换热器主要是用来将第二热缓冲管的低温降至外部环境温度。如图3所示，稠油换热器采用管板式强化换热器，其内部换热管内置间隔铝质扭带与螺旋线圈的复合元件，以强化传热和防垢。

某油田集输站预处理后(进入加热装置时)和经加热后的稠油各参数如表1：

表1加热前后的稠油参数

项目	加热前	加热后
			温度(℃)	46	66
流量(m3/h)	32	32.8
			压强(MPa)	0.5	0.52
密度(kg/m<sup>3</sup>)	966	949
			粘度(mm<sup>2</sup>/s)	315	165

实施例2：

本实施例采用的系统和工艺方法如实施例1，与上述实施例1不同之处在于，油田集输站预处理后的稠油在温度、流量、密度以及粘度的数值比上述实施例1大。

某油田集输站预处理后(进入加热装置时)和经加热后的稠油各参数如表2：

表2加热前后的稠油参数

项目	加热前	加热后
			温度(℃)	49	71
流量(m3/h)	35	35.2
			压强(MPa)	0.5	0.54
密度(kg/m<sup>3</sup>)	958	941
			粘度(mm<sup>2</sup>/s)	325	158

实施例3：

本实施例采用的系统和工艺方法如实施例1，与上述实施例1不同之处在于，油田集输站预处理后的稠油在温度、密度的数值比上述实施例1大，流量及粘度数值比上述实施例1小。

某油田集输站预处理后(进入加热装置时)和经加热后的稠油各参数如表3。

表3加热前后的稠油参数

项目	加热前	加热后
			温度(℃)	53	69
流量(m3/h)	33	33.1
			压强(MPa)	0.5	0.53
密度(kg/m<sup>3</sup>)	976	953
			粘度(mm<sup>2</sup>/s)	319	151

通过上述实施例对比，表明稠油经本发明热声热泵加热后，稠油黏度显著降低，约占预处理后的50.5％。采用热声热泵加热稠油的方法，稠油黏度明显下降，同时，以太阳能驱动为主，油田伴生气燃烧驱动为辅，可降低稠油加热技术能耗、经济运行成本，使油田站场集输管线达到节能、减排、低碳的效果。