浮顶油罐太阳能相变维温系统运行特性分析

朱尚文，李 栋，张 谧，吴洋洋，赵雪峰，孟 岚

(1.东北石油大学 土木建筑工程学院，黑龙江 大庆 163318；2.桂林航天工业学院 能源与建筑环境学院，广西 桂林 541004；3.中国石油海洋工程有限公司工程设计院，北京 100028；4.大庆油田工程有限公司，黑龙江 大庆 163453)

0 前言

随着国民经济社会的发展，我国原油战略储量逐年攀升。原油储备期间，浮顶油罐内原油不加热易存在胶凝的安全隐患[1-3]。原油加热[4-5]是防止凝罐事故的必要手段，常规锅炉加热存在能耗大、运行成本高的问题，空气源热泵加热和地源热泵加热存在地域限制大的问题。太阳能作为一种清洁可再生能源，在东北及新疆等产油地区[6-7]资源丰富，利用其为浮顶油罐内原油加热，可以降低化石能源消耗及减少环境污染。

太阳能中低温热利用方面研究多见于建筑供暖方面，如李啸远等人[8]发现适当增加蓄热水箱体积可提高太阳能系统对太阳辐射利用率，增强系统供能可靠性，但存在热损高、占地面积大等问题。张鑫等人[9]和蔺瑞山等人[10]发现含相变蓄热设备的太阳能供暖系统供暖效果良好且稳定。刘凯等人[11]对比相变蓄热水箱和普通蓄热水箱的蓄热特性，发现相变蓄热水箱提高了蓄热量和系统能效比。Djemaa等人[12]和方桂花等人[13]发现太阳能相变供热系统具有更高的集热效率、太阳能利用率和较小的温度波动。综上所述，多数研究发现太阳能供热系统实际节能效益与末端用热特性和系统设计方案等因素相关[14]，而供热系统末端侧建筑与浮顶油罐的用热特性显著不同，建筑供暖或热水系统多数在夜晚运行且运行时间较短，而浮顶油罐需要全天不间断供热以满足原油维温需求。同时蓄热水箱和相变储热箱因其储热方式不同导致其长时间运行的热特性和经济效益存在巨大差异。

本文针对浮顶油罐太阳能相变维温系统，通过TRNSYS平台建立系统仿真模型，以相变储热箱蓄放热效率、原油静储热负荷以及原油供热量占比等作为评估指标分析浮顶油罐太阳能相变维温系统全年运行特性，同时引入年总投资费用作为经济指标，对比分析其与太阳能维温系统和锅炉系统的经济效益，为浮顶油罐太阳能相变维温系统应用提供参考。

1 模型建立

1.1 物理模型

以大庆市某10×104m3浮顶油罐为例，设计了一套浮顶油罐太阳能相变维温系统仿真模型，如图1所示，主要包括真空管集热器(Type 71)、浮顶油罐模块(Type 156)、相变储热箱(Type 2765)、辅助加热模块(Type 659)和水泵模块(Type 114)等。太阳能集热器将接收的太阳辐射转化为热能用于加热传热流体，传热流体流经相变储热箱，再循环至浮顶油罐实现原油加热维温。当太阳辐射照度较大时，相变储热箱将余热储存，太阳辐射照度较小时，通过相变储热箱或辅助热源向浮顶油罐提供热量，满足原油静储热负荷需求。

图1 太阳能相变维温系统TRNSYS仿真模型

1.2 数学模型

原油静储热负荷[15]

(1)

式中Qoil——原油静储热负荷/kW；

Kwall、Ktop、Kbottom——浮顶油罐罐壁、罐顶、罐底的传热系数/W·(m2·℃)-1，其值分别取0.475 W/(m2·℃)、1.726 W/(m2·℃)、0.11 W/(m2·℃)；

Awall、Atop、Abottom——浮顶油罐罐壁、罐顶、罐底的面积/m2；

ΔT——室外设计温度与原油静储设计温度之间的差值/℃。

依据规范大庆室外设计温度为-8.5 ℃[16]，原油静储设计温度应高于原油凝点温度3-5 ℃，原油的凝点温度为30.2 ℃。

太阳能集热器为真空管集热器，其集热面积计算式如下

(2)

式中Asolar—真空管集热器集热面积/m2；

JT——集热器倾面的年平均日太阳辐射量/kJ·m-2；

f——太阳能保证率/%，取50%；

η——集热器平均集热效率/%，取45%；

ηL——太阳能系统日均损失率/%，取15%。

太阳能相变维温系统中循环水泵流量通过单位集热面积流量确定，循环水泵流量计算公式如下

qHTF=qzAsolar

(3)

式中 qHTF——太阳能维温系统循环水泵流量/m3·h-1；

qz——单位集热面积对应的工质流量/m3·(h·m2)-1，取0.03 m3/(h·m2)。传热流体工质为50%乙二醇溶液。

相变储热箱主要依靠材料相变潜热进行热量的蓄存和释放，其中相变储热箱的体积通过下式计算

(4)

(5)

式中QH——相变材料的潜热量/kJ；

t——相变储热箱工作时长/s；

mPCM——相变材料的质量/kg；

LPCM——相变材料的比焓/J·kg-1；

VPCM——相变储热箱体积/m3；

ρPCM——相变材料密度/kg·m-3。

为确保相变储热设备能够满足夜晚或阴雨天气原油热负荷需求，相变材料相变温度应满足高于原油静储温度5～10 ℃，相变材料为42#石蜡(其物性参数取自文献[17])。

蓄放热效率是评价相变储热箱热性能的重要指标，其公式为

(6)

式中ηPCM——相变储热箱蓄放热效率；

QPCM,st——相变材料的蓄热量/kJ；

QPCM,re——相变材料的放热量/kJ。

1.3 系统控制方案

为将太阳能集热量或辅助热源产生的热量优先满足原油静储负荷，太阳能相变维温系统采取辅助加热控制、循环水泵控制和相变储热箱控制。辅助加热控制：当原油平均温度低于原油设计温度时开启，其余时间均关闭。循环水泵控制：当集热器出口温度与原油平均温度相差8 ℃以上时，太阳能相变维温系统循环水泵开启；当集热器出口温度与原油平均温度相差2 ℃以下时，太阳能相变维温系统循环水泵关闭。相变储热箱控制：当集热器出口温度高于相变材料相变温度3 ℃以上，或原油平均温度高于设计温度3 ℃以上时，开启蓄热模式并且辅助热源关闭；当真空管集热器和辅助热源关闭，且相变储热箱平均温度高于原油静储设计温度3 ℃以上时开启放热模式；其余时间均为旁通模式。

2 结果与讨论

2.1 模型验证

图2(a)为实验装置示意图，其中一号罐为浮顶油罐，二号罐为相变储热箱，三号罐为补液罐，三个罐均为直径0.6 m，高0.9 m的圆柱体，相变储热箱初始温度为57 ℃，补液罐初始温度为70 ℃，浮顶油罐温度为10 ℃，水泵流量为1.3 m3/h。利用实验装置对TRNSYS仿真系统中相变储热箱向原油储罐加热过程进行验证，图2(b)为原油储罐和相变储热箱平均温度变化趋势。结果表明，相变储热箱温度平均误差为5.6%，浮顶油罐温度平均误差为7.34%。

图2 实验装置及验证结果((a)实验装置；(b)验证数据)

2.2 运行特性分析

系统所在地黑龙江大庆地区典型气象年参数来自于Meteonorm数据库，全年最低气温出现在1月份，气温低至-26.4 ℃，最高气温出现在7月份，气温高达29.4 ℃。图3为系统全年运行时相变储热箱蓄放热量和蓄放热效率逐月变化趋势。如图可见，相变储热箱蓄放热量和蓄放热效率3月份达到峰值，分别为4.15×108kJ、3.73×108kJ和89.78%，且其值随系统运行逐渐降低，在11月份之后开始逐渐上升。图4为各设备平均温度，可知1、2月份系统刚启动，集热器集热量较少，集热器出口温度较低，不足以达到相变储热箱开启条件，此时相变储热箱蓄放热量为0。随着系统运行，集热量增加，集热器出口温度升高，相变储热箱开始工作，在3月份蓄放热效率达到最大，然后外界环境温度逐渐上升，原油静储热负荷减少，相变储热箱放热量减少，其蓄放热效率逐渐降低。在11月份之后，外界环境温度逐渐降低，原油静储热负荷增加，相变储热箱放热量增加，其蓄放热效率开始上升。

图3 相变储热箱蓄放热量

图4 各设备平均温度

图5为系统全年运行时集热器集热量和原油静储热负荷逐月变化趋势。随着系统运行，原油静储热负荷先减少后增加，1月时最大、7月时最小；集热器集热量先增加后减少，其中共8个月时间集热量完全满足原油静储热负荷。图6为不同月份原油供热量占比，集热器占比呈现先增加后减少的变化趋势；相变储热箱占比呈现先减少后增加的变化趋势，在3月份达到最高为16.37%；辅助热源仅在3月份之前为原油提供热量，其余时间均由集热器和相变储热箱共同提供。在11月、12月份，集热器集热量低于原油静储热负荷，原油供热量占比中集热器最大。结合图4可知，这是因为浮顶油罐体积较大且原油自身具有一定热容量，在11月、12月原油温度并未达到辅助热源开启条件，此时原油静储热负荷主要由集热器集热量、相变储热箱蓄热量和自身热量组成。

图5 集热器集热量和原油静储热负荷逐月变化趋势

图6 不同月份原油供热量占比

2.3 经济效益评估

为更好地证实太阳能相变维温系统在原油加热方面的经济前景，以太阳能维温系统和锅炉系统为参考进行经济效益评估。引入年均投资费用作为评价指标[17]，其公式为

(7)

式中AC——年均投资费用/元；

Ci——项目初投资费用/元；

i——投资贷款的复利率，一般取10%；

n——贷款还款年限，一般取供热系统使用年限为15年；

A——年运行费用/元。

公式(7)中年总投资费用由年均初投资和年运行成本组成。其中年均初投资包括设备成本和人工成本。依据市场调研，本系统所需的设备成本为：石蜡4 550元/t，真空管集热器500元/m2，循环水泵0.5万元，管网和其他相关阀件共计7.4万元，人工成本为设备成本总额的10%。系统中的相变储热箱由废弃的小型油罐改造制成，改造费用为500元/m3，太阳能相变维温系统、太阳能维温系统、锅炉系统的燃气锅炉价格分别为27万元、36万元、62万元。年运行成本主要来自于水泵耗电量和锅炉的燃气量。工业用天然气价格为3.46元/m3，工业用电价格为0.55元/kWh。表1为计算得出各系统的年初投资、年运行成本和年总投资费用。可以看出，太阳能相变维温系统的年均初投资最高，年运行成本和年总投资费用最低，太阳能相变维温系统的年总投资费用相比于太阳能维温系统和锅炉系统可分别节省6万元和54万元，约6.9%和40%。

表1 各系统年初投资、年运行成本和年总投资费用

3 结论

以大庆市某大型浮顶油罐为例，通过TRNSYS平台搭建浮顶油罐太阳能相变维温系统仿真模型，分析了系统全年运行特性，引入年均总投资作为经济指标，对太阳能相变维温系统、太阳能维温系统和锅炉系统进行经济效益评估，得到如下结论。

(1)建立的模型可用于浮顶油罐太阳能相变维温系统运行特性分析，其平均误差低于6%。

(2)浮顶油罐太阳能维温系统采用的相变储热箱具有较高的蓄放热效率，能在大部分运行时间内与太阳能集热器集热量共同满足原油静储热负荷。

(3)相比于太阳能维温系统和锅炉系统，太阳能相变维温系统年总投资费用可分别节省6.9%和40%。