新型太阳能集热技术

2015-01-03中国石化石油勘探开发研究院

油气田地面工程 2015年12期

　中国石化石油勘探开发研究院

新型太阳能集热技术

黄辉邱伟伟李奇中国石化石油勘探开发研究院

随着太阳能技术的发展和石化资源的短缺，越来越多的油田将太阳能应用于原油加热中。在总结分析太阳能与其他供热方式联合供热的基础上，提出了一种新型的太阳能、热泵与储热技术联合供热系统。当低温水罐温度高于15℃时，采用太阳能储热水罐作为水源热泵低温热源，实现对原油的加热；反之，启动清水罐供热系统作为低温热源；当高、低温储热水罐的温度差高于5℃时，开启罐间泵进行热水循环。模拟结果表明，该系统可以将外输液连续稳定地加热到59～62℃，能够满足原油外输要求，太阳能利用率达到64%。该方案与传统燃油加热炉相比，每年节约运行费用46.9万元，减少CO2排放量301t；与原加热炉相比降低能耗78%；整套系统流程简单，自动化程度高，节约人工费和维修费，节能减排效果良好。

太阳能；集热；原油加热；联合供热；模拟实验

在油气集输处理过程中需要耗费大量的热能，采用燃油炉、燃气炉、电加热等加热输送工艺不仅成本高，能耗大，而且对环境造成很大影响。随着太阳能技术的发展和石化能源的短缺，人们逐渐关注用可再生能源替代传统石化资源。可再生能源主要指太阳能、风能、水能、海洋能等可重复利用的能源，具有清洁、环保的显著特性，将其应用于油气田原油加热过程潜力巨大。

我国太阳能资源储量较为丰富，三分之二以上的国土面积年日照时数大于2000h。太阳能利用的方法主要有太阳能热利用技术、热力发电、光伏发电、光利用、海水淡化、干燥技术等。目前，太阳能集热技术和光伏发电技术得到了长足的发展。油田利用太阳能加热原油属于中低温区，因此利用太阳能集热技术就可满足要求。太阳能供热受到夜晚、阴雨天等因素的影响，存在间歇性和不稳定性，因此在原油加热或开采过程中如何保证太阳能集热系统持续稳定的工作是太阳能集热技术在油田应用的关键。

1　太阳能供热方式应用现状

1.1太阳能与传统供热方式联合供热

2004年7月，在辽河油田兴56号采油站利用490m2太阳能集热器为循环水加热，实现了对原油的恒温加热，取得良好的节能效果。太阳能作为辅助加热手段与传统供热方式（锅炉、电加热）联合供热在华北油田、胜利油田、大港油田、冀东（唐山）油田得到了应用。江苏油田天83-1拉油站、张铺区块拉油站、李堡集油站和庄13井都应用了太阳能供热。

太阳能与电加热、锅炉等传统供热方式联合供热其稳定性和可靠性高，控制系统简单易行，且传统供热方式可作为太阳能供热系统的补充和保障，可推广实施。

1.2太阳能与热泵联合供热

在油田中已有污水源热泵、地源热泵应用于油气田地面工程中加热原油和供暖[1-3]，但是热泵循环是以消耗一部分电能为代价实现从低温热源吸收热量，经济性较太阳能略差。因此，将太阳能与热泵联合供热，可以克服各自的缺点，实现连续、稳定、经济及清洁供热。

太阳能系统与热泵系统联合供热的原则是[4]：以热泵系统为主要能源，太阳能系统为辅助热源，在运行控制上优先采用太阳能，并加以充分利用。太阳能系统与热泵系统联合供热方式有并联和串联两种，各有优缺点。并联系统热泵仅在太阳能供热不足的情况下启动，需要有能够产生高温的热泵及太阳能集热器，系统稳定性不高。串联供热系统中，系统稳定性高，但是耗电量大，经济效益略低于并联系统。

需要注意的是，热泵运行需要稳定的低温热源，若采用空气源热泵时，对当地的气候要求较高；若采用水源热泵时，需要有稳定的水源。

2　太阳能、热泵与储热联合供热系统

储热技术可提高太阳能资源的利用率。油田地面工程原油加热是在中低温区，水是储热介质的最佳选择。因此，将储热技术与太阳能、热泵联合供热系统相合，可实现最大程度地利用太阳能，减少热泵耗电成本。

在分析研究太阳能与热泵技术联合供热的基础上，结合储热技术，提出了一种新型的供热系统，其原理流程见图1。以太阳能供热系统为主，优先利用太阳能。在太阳能光照丰富时，开启太阳能集热系统，加热高温储热罐中的水。高温储热罐中的水通过自动控制系统与低温储热罐的水换热（二者温差大于设定值），以满足低温水罐中的水源作为水源热泵热源的稳定性和温度的要求。当太阳能辐照强度不能满足要求时（低温储热罐中的温度低于设定值），开启地下水清水罐供热系统，以满足极端情况下的水源热泵的热源要求。该系统只要有太阳能辐射就通过储热罐进行储存，并通过两个储热水罐间的换热实现水温控制，在提高太阳能利用率的同时增加了系统的稳定性，节能效果良好。

图1　新型太阳能、热泵与储热技术联合供热系统

以华东地区某接转站为例，采用Transys软件对该新型太阳能、热泵与储热技术联合供热系统进行了模拟。该接转站加热原油平均能耗为110kW，对接转站有如下要求：①保证外输温度≥60℃；②低温储热罐温度40℃；③太阳能集热器运行温度≤80℃；④热泵热源水温度≤40℃。

当低温水罐温度高于15℃时，采用太阳能储热水罐作为水源热泵低温热源，实现对原油的加热；反之，启动清水罐供热系统作为低温热源；当高、低温储热水罐温度差高于5℃时，开启罐间泵进行热水循环。模拟实验结果表明，该系统可以将外输液连续稳定地加热到59～62℃，能够满足原油外输要求，太阳能供热率达到64%。该方案与传统燃油加热炉相比，每年节约运行费用46.9万元，减少CO2排放量301t；与原加热炉相比降低能耗78%；整套系统流程简单，自动化程度高，节约人工费和维修费。

若该站采用图2所示的供热方案，即白天环境温度较高，由空气源热泵供热，太阳能集热储存于储热水罐中，用于夜间供热；夜间由储热水罐供热，不足部分由空气源热泵提供。对该方案进行Transys模拟，结果显示该方案与传统燃油加热炉相比，每年节约运行费用35.22万元，减少CO2排放量263t；与原加热炉相比降低能耗62.5%。但是冬季空气源热泵效率较低，面临结霜的风险，适应范围较小。