引言稠油是重要的石油资源，占世界石油剩余可采储量的53%。在稠油、超稠油开采过程中，以现有的SAGD、汽驱、蒸汽吞吐等技术手段和开采方式进行作业，需要消耗大量的天然气或煤炭等一次能源，导致稠油开发过程产生大量的二氧化碳，增加了碳排放量。在“双碳”目标下，稠油开采已成为减碳重点。廖广志[1]等认为，在“双碳”目标下，超稠油开发技术将主要向原位改质，电加热辅助蒸汽，风、光、氢储联合产生蒸汽等绿色环保的技术体系逐渐发展。孙国成[2]等将太阳能应用于油田生产，针对太阳能集热器的特点进行分析，发现将太阳能集热系统投入油田作业区使用的经济、环保效益显著。郝芸[3]等将太阳能光伏和光热效应相结合，设计了适用于油田井口的光伏光热一体化原油加热系统，通过测算每年可节约天然气21 000 m3，可以全方位提高太阳能的综合热效率。杜明俊[4]等对太阳能光热转换稠油热采关键技术进行分析，发现我国9大稠油主产区具备开展太阳能光热利用的自然条件，二元混合硝酸盐可作为太阳能光热转换稠油热采技术的蓄热储能材料。王鹏[5]等探讨熔盐传热储热技术的应用，分析归纳熔盐传热储热技术在光热发电系统中的应用方式，熔盐工质在不同类型光热电站系统中具备不同的运行方式。稠油注汽清洁替代储热系统已成为现阶段的研究热点。1稠油注汽系统特点及清洁能源替代选择1.1稠油注汽清洁替代特点稠油具有黏度高、流动性差等特点，稠油注蒸汽热采过程中，需要向油层注入大量高压饱和蒸汽，全过程处于高温、高压条件，注汽压力最高可达20 MPa，注汽温度最高可达370 ℃。稠油注汽系统具有消耗能量大、所需能量品位高、可选择替代技术少等特点。目前，采用太阳能光热技术进行替代是在稠油开发中实现低碳的重要选项之一。选用光热等新能源技术时，主要面临的问题是太阳能的不稳定性。太阳能昼夜辐射能量波动较大，且受气候等条件影响较大。为了满足稠油、超稠油开采的高干度蒸汽条件，需要增加太阳能的稳定性及可靠性。1.2储热系统的选择跟踪式太阳能集热器可分为槽式、塔式、线性菲涅尔式以及碟式四大类。在不同方式下，为了保证稠油油田注汽系统的连续稳定运行，提高开采效率，降低开采成本，需要利用蓄热装置储存太阳能，在太阳能不足时释放能量，从而满足系统的连续稳定运行。因此，有必要在光热系统中加入储热系统。常见的热能储存方式分为显热储热、潜热储存以及化学反应储热。采用显热储热的熔融盐具有广泛的工作温度范围(300~1 000 ℃)，且有储能密度高、过冷度小、热稳定性好、使用寿命长、成本低等优点，可作为理想的储热介质[6]。在太阳能储热领域中主要采用高温熔盐作为储热介质，大部分研究倾向于将熔融盐用作显热储热材料。目前，已建成和在建的带储热的光热电站大部分采用熔融盐作为储热介质。鉴于熔融盐储热的高效性，除光热外，也可以利用其将低谷电、弃风电、弃光电等转换为高品位热能，提供稠油注汽所需的高压、高温蒸汽。因此，在稠油注汽清洁替代储热系统中采用熔融盐进行大规模高温热能的存储十分可行。以槽式导热油蒸汽发生系统为例，储热系统主要由冷、热熔融盐储罐、油盐换热器、低温熔盐循环泵、高温熔盐循环泵、电伴热以及一些辅助件和管路配件等组成，储热系统熔融盐的工作温度为280~380 ℃。目前，20 t/h燃气过热注汽锅炉是新疆油田稠油开发的主力炉型，结合油田的开发模式与生产工艺特点，储热系统按照满足20 t/h蒸汽蒸发量、储能时间8 h考虑。生产的蒸汽温度为340 ℃，工作压力为10 MPa，每年按330 d储热运行，其余时间维护保养。2熔融盐储热系统设计2.1工艺流程熔融盐储热系统流程如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.007.F001图1熔融盐储热系统流程储热时，冷罐熔盐经冷熔盐泵进入换热器，在换热器内由高温导热油换热至高温熔盐，被储存到热罐；在太阳能辐射降低时，为了达到系统正常的循环温度，高温熔融盐经高温熔盐泵进入换热器与导热油进行换热，换热后的导热油达到所需要的蒸汽温度后进入下一步工艺，经换热后的熔融盐温度控制在熔点以上并进入冷熔盐罐，进入下一个储热循环。系统停用时，通过充入氮气使熔融盐回流至罐体，保护各管路。2.2熔融盐材料选择熔盐的组成和种类繁多，常见的有碳酸盐、氯化盐、氟化盐以及硝酸盐等。硝酸盐具有熔点低、成本低、比热容大、热稳定性好、腐蚀性低、对环境无害等优点，已经被广泛应用于工业余热回收和太阳能发电等领域。硝酸盐可进一步分为二元混合熔盐、三元混合熔盐以及多元混合熔盐，国内储热系统和工业中常用的是Solar Salt盐（60% NaNO3-40% KNO3）和HTS盐（53% KNO3-7% NaNO3-40% NaNO2）。根据所需的融盐工作温度范围，综合比较材料热物性、经济性及稳定性，选用具有较高性价比的二元混合硝酸盐Solar Salt（60% NaNO3-40% KNO3）作为工作介质，其基本参数为：熔点220 ℃、汽化温度600 ℃、密度1 899 kg/m3、导热系数0.52 W/(m·K)、热容1 495 J/(kg·K)、熔化热161 kJ/kg。2.3熔融盐储罐配置根据储热系统中储热罐的个数不同，熔融盐储热系统分为单罐储热和双罐储热。目前大多数储热系统采用双罐储热，双罐系统分为冷、热盐罐，两罐单独工作互相不受影响。与单罐系统相比，双罐系统的储热罐内不存在温差，在储热和放热过程中，技术风险相对较低。因此，设计储热系统熔融盐采用双罐储热，根据上述条件及介质热物性对熔融盐储热装置容积进行选型计算。根据蒸汽产量以及工作时长计算系统所需的总热量，考虑系统的运行损失问题和供热效率问题，在进水温度为90 ℃的条件下，储罐的设计储热量QS为：QS=τ⋅a⋅ΔHη0 (1)式中：QS——储罐设计储热量，kJ；τ——运行时长，h；a——蒸汽产量，kg/h；H——比焓，kJ/kg；η0——储热系统额定热效率，取0.98。计算得，QS=4.089 9×108 kJ。根据计算的系统储热量和二元混合硝酸盐Solar Salt的热物性参数，考虑罐底所需基底液位、管道内系统循环熔盐量等需要一定的设计余量，计算满足需求的熔盐质量为3.009×106 kg；再根据熔盐的物性参数计算所需熔盐的体积。考虑储罐需设置安全液位，熔盐的体积需占据整个体积的3/4，还有介质热胀冷缩所需膨胀体积，所需熔盐体积和储热罐体容积为2 350 m3。由于所需容积较大，罐体较大，冷、热罐采用立式储罐，考虑立式熔盐泵选用的经济性以及熔盐罐材料、载荷强度等所需高径比的关系，选取冷、热罐体直径为14 m，高度为16.5 m。2.4熔盐泵选择在以熔盐为储热或传热介质的储热系统中，熔盐泵是关键的设备之一。根据其用途可以分为低温熔盐泵与高温熔盐泵，低温熔盐泵的作用是在储热系统储热阶段将低温熔融盐从冷盐罐中吸出，在熔融盐至导热油换热器中与高温导热油进行换热，将低温熔融盐加热后储存在热盐罐中；高温熔盐泵的作用是在储热系统放热阶段将高温熔融盐从热盐罐中吸出，在熔融盐导热油换热器中加热低温导热油，高温熔融盐被冷却后以不低于熔点的温度储存回冷盐罐中。目前，立式长轴泵在熔融盐储热系统中应用较为广泛，其选型主要取决于所需泵的流量、扬程以及设计温度。根据蒸发量，在熔盐工作温差100 ℃、给水焓值376.97 kJ/kg、蒸汽焓值2 882.06 kJ/kg条件下，参考《槽式太阳能光热发电站设计标准》（GB/T 51396—2019），计算高温熔盐泵流量G=198.086 m3/h。储罐高度为16.5 m、换热器高度为10 m时，熔盐泵扬程需满足静态高低压差、泵出口至导热油换热器阻力、熔融盐在换热器内阻力、换热器出口至另一罐总阻力、另一罐的出口压力、富余量等各需加10%裕量，计算熔盐泵扬程为64.8 m，可选用3台流量大于99 m3/h、扬程大于64.8 m的高温熔盐泵，工作模式为2用1备。2.5熔盐阀在储热系统中，熔盐连接管道和各类熔融盐设备上均需要大量使用熔盐阀，熔盐阀的主要形式包括调节阀、隔离阀和安全阀等，主要针对冷、热盐罐、化盐罐等进行选择。常用的熔融盐运行温度高，在高温下对金属的腐蚀大，熔盐阀作为系统内的关键配套设备，面临大压差、长时间严重冲刷（每天8 h以上）、汽蚀、调节阀振动大、介质温度高、长期冷热交变下材料的性能匹配（阀杆、阀内件变形卡死）等问题。因此，在选用熔盐阀时，不能按常规标准阀进行设计，需要采用特殊的设计原则进行专门设计，设计原则是阀门流通性好、密封可靠、耐腐蚀且易于启闭调节等。通过调研，阀门根据主要设备进行选择，热盐罐需要热盐泵出口电动阀、热盐泵最小流量气动调节阀、热盐泵最小流量旁路电动调节阀、热盐泵出口母管电动调节阀、热盐泵出口电动排气阀、管路蝶阀或截止阀等，排盐罐可设排盐出口电动调节阀、排盐罐手动排液阀等。2.6电加热、电伴热在熔融盐储热的系统中，熔融盐作为储热以及传热介质，工作温度较高，满足温度在设计范围内才可以维持系统的正常运转。电伴热与电加热的选型和配置离不开系统最低环境温度、介质的维持温度、介质最高温度、管道、设备尺寸等因素，其选型原则是根据等值热量替代补偿，即需要电伴热、电加热的发热量满足维持特定温度下设备和管线的热损失。参照示范项目，在功率选型时，功率宜为设备及管线理论热损失值的1.2倍以上。针对热盐罐内的恒温要求，可以采用电加热进行计算设计，若热盐罐采用高温岩棉保温措施，计算外表面散热系数为6.622 W/(m2·K)，绝热层厚度为0.108 m，绝热结构热损失量为284.7 W/m2，最终计算得到热盐罐损失热量为206.6 kW。按理论损失的1.2倍补偿，选用250 kW以上的电加热设备，可以满足维持热盐罐的维持温度要求。3蒸汽成本测算储热系统的吨蒸汽价格可以反映整个系统需增加的投资成本，根据基本共识，吨蒸汽价格为：吨蒸汽价格=直接投资+财务费用+年运维费用×运营期年产蒸汽量×运营期 (2)投资是指初期建设的整个储热系统初始投资，约为2 800万元；财务费用指在资金使用过程中产生的费用（本次计算暂不考虑），年运维费用是储热系统在运行、维护过程中产生的费用，包括维护人员工资和熔盐泵、储热系统防凝用电费用以及冷却风机电耗费用等。按照系统运行15年、25年测算，吨蒸汽成本如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.007.T001表1吨蒸汽成本项目总投资/万元年运成本/万元运行周期/a蒸汽成本/(元/t)项目12 8002001573.6项目22 8002002560.84结语熔融盐储热系统在接入光热、光伏系统后实现削峰填谷，可以增加稠油注汽的调峰、调频能力。选用二元混合硝酸盐Solar Salt作为储热介质，以注汽所需蒸汽热量计算冷热熔融盐储罐容量及体积；由于熔融盐的工作温差直接影响系统规模，若熔盐系统用于塔式光热系统或电蓄热，熔融盐的工作温差可以达到300 ℃或更高，则储罐容积可以减小2/3，有利于提高系统的经济性。储热系统形成的蒸汽价格成本约为60.8~73.6元/t。通过设计优化可进一步控制系统投资，随着国内新能源清洁替代技术的不断发展，储热系统已迈入规模化发展时代。