浅谈太阳能蓄热在油田伴热上的应用

祁 涛 冯建发 王龙其 陈德兵 张志超

(1.华北油田第四采油厂电力与维修管理中心 河北 廊坊 065000)(2.华北油田第四采油厂工程技术研究所 河北 廊坊 065000)(3.华北油田第四采油厂琥珀营采油作业区 河北 廊坊 065000)

一、太阳能蓄热伴热原理

太阳能蓄热伴热以蓄热器为核心，通过集热器将太阳辐射能转化为热能输出到蓄热器中，当太阳辐射能达不到蓄热器要求温度时，辅助能源子系统通过其它能源补足蓄热温度，蓄热器再通过水泵循环为原油伴热。

二、太阳能集热方式

根据太阳能聚光跟踪理论和实现方法不同，当今主要有三种集热方式：槽式太阳能集热器、塔式太阳能集热和蝶式太阳能集热。

(一)槽式太阳能集热

槽式太阳能集热是目前最为成熟的太阳能集热方式。它是利用分散式的槽式抛物面反射镜聚光到各自的集热管上，每一个分散的槽式反射镜都可以随着阳光调整角度，集热管再将热能传递到蓄热器中。

槽式太阳能集热的优点是热损失小，技术已经成熟，有成功的实践经验。缺点是对集热管要求高，对蓄热要求高。适合一些大型的油站，对蓄热温度和人员管理要求不高，并且所在位置晴天居多，太阳辐射能稳定。

(二)塔式太阳能集热

塔式太阳能集热是利用定日镜场将低能流密度的太阳辐射汇聚到位于塔顶的集热器上，集热器再将热能传递到蓄热器上。塔式太阳能聚光倍数一般大于500。

塔式太阳能聚光倍数高，更利于蓄热，集热器散热面积小，从长远看来效率高。因为塔式太阳能随着集光面积越大，塔的高度和跟踪代价也就越高，建设成本也就越大，所以它适合一些蓄热温度要求高，站内人员相对充足小型油站。

(三)碟式太阳能集热

碟式太阳能集热的基本原理是通过抛物面形的聚光碟把入射的太阳光聚起来，在焦点处产生高密度的光能，焦点处的吸热器将光能转化成热能，再传输到蓄热器中。

碟式太阳能集热和启动损失小、系统成本降低潜力大的优势，光电效率高。但是碟式太阳能建设成本同样也是最高的，集热系统过于复杂，没有成熟的商业模式，本身就有一定的不稳定性，所以不建议运用在油田蓄热伴热上。

综上所述，A站对蓄热要求高，日常有员工处理，塔式太阳能集热倍数高，适合蓄热，技术相较于同样聚光倍数高的碟式太阳能更容易实现，热效率高。A站集光面积小，集热建造成本也较低，并且技术人员充足，所以塔式集热是最适合方式。

三、太阳能的蓄热方式

由于太阳能受季节、昼夜和气象条件的影响，为了提升太阳能的使用率，降低集热器的空置率，提高太阳能的经济性，设置蓄热装置是必要的。

蓄热装置最重要的就是介质，通过蓄热介质一般分为显热蓄热、潜热蓄热和化学蓄热三种蓄热方式。

(一)显热蓄热

显热蓄热是通过蓄热材料温度的上升或下降而存储热能的，这是三种热能中材料种类最多、技术原理最简单，成本最低的一种蓄热方式。

显热蓄热的介质一般为水、油、岩石、砂、砾石，人工制造的氧化铝球。优点是价格低，易得到，热容量小。

(二)潜热蓄热

潜热蓄热主要是利用蓄热材料发生相变时吸收或放出热量来实现能量的储存。

潜热蓄热的介质一般为硝酸钠、硝酸钾和盐陶瓷等。它的优点是单位容积的蓄热量很大，蓄热装置小型化。

(三)化学蓄热

化学蓄热是利用化学材料的化学反应热来进行蓄热，例如通过氢氧化钙与氧化钙和水的逆反应来存储热量。

化学蓄热的介质有氢氧化钙、氨等。它的优点是蓄热量大，单位储能的体积小，质量轻，但是对蓄热介质要求高，不稳定，可能产生有毒有害气体，有一定安全隐患，不太适合用于原油伴热的蓄热。

由于A站蓄热温度不高，属于中温蓄热，对蓄热技术要求稳定、经济、安全，所以我们选择显热蓄热的方式，以矿物油为介质就可以满足A站的伴热蓄热。而介质存储方式一般有水箱蓄热、地埋管蓄热和地下储水层蓄热蓄热等，这里我们可以根据每个地方的自然、经济条件挑选最适合的方式。

四、辅助能源子系统

辅助能源子系统是当蓄热温度不足时，通过其它能源产生热能补足蓄热温度的装置。

对于集光面积太阳能产生热量远远达不到所需热量的油站，太阳能集热只能作为辅助能源伴热，节约一定的生产成本。

五、结论

综上我们可以看出并不是所有加热炉伴热都可以被太阳能蓄热代替。A站所在地区平均每天每平方米太阳能蓄热产生3454KJ热量，而A站一共有7个加热炉，2019年平均每天燃烧天然气3677立方米。A站平均每台加热炉热效率为88%，A站2019年平均每天需要加热油气水就需要1.15亿KJ热量，若完全通过太阳能自给自足则需要3.3万平方米的集热面积。但是A站仅有200平方米集热面积，所以剩余的热量仍需要天然气加热炉来补给，这时太阳能集热系统实际上仅作为辅助能源系统，只能产生一定限度的效益。

太阳能集热发展之所以缓慢，主要还因为其高昂的建设成本，短期内无法产生利润。所以集热面积小、土地成本昂贵的地区不太适合建立太阳能蓄热伴热装置。

有的油站需要长期伴热资源却因位置偏远能源补给困难的，完全可以尝试太阳能集热蓄热装置。一个1万平方米的蓄热装置正常运行下每年节约的天然气至少45万立方米天然气，预计每年能产生135万元的经济效益。