太阳能原油加热设计中太阳能保证率选取初探

解建辉（青海油田地面集输工程公司）

我国油田供热主要包括原油输送系统的加热和冬季生活区采暖两部分。原油在集油储油过程中普遍需进行加热与保温至40～70℃，以保持良好的流动性，而生活区采暖需要的热水通常在80℃左右，两者均为低品位热用户。目前油田普遍采用水套炉或电加热炉供热，而太阳能光热转换技术在降低油田能耗的应用主要包括三个方面：原油预热，将原油预热并维持在50℃以上，以利于储存（保持其流动性）；原油加热，降低原油的黏度，明显提高原油管输的输送能力；水的加热，利用太阳能对稠油开采中要注入的热水或蒸汽进行加热。如果油田广泛采用太阳能光热技术来保温供暖，将大量节约能源，减少碳排放；可以消除因设备腐蚀及锅炉运行而存在的一系列不安全隐患。利用太阳能加热原油是油田降低能源消耗，提高经济效益的可行性举措，是推动石油工业领域实现“碳达峰碳中和”的目标。

1 太阳能保证率选用的依据

目前太阳能原油加热系统设计由于没有专门的石油行业的标准和规范，设计的依据主要是根据各地的《太阳能热水设计、安装与验收规范》[1-2]、GB 50364—2018《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》[3]及GB/T 34377—2017《太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范》等标准为依据进行制订和实施。其中太阳能原油加热系统集热器采光面积主要根据GB 50364—2018中相关公式来计算。太阳能保证率是指太阳能集热系统来自太阳辐射的有效热能与供暖系统所需热负荷之比。太阳能集热器采光面积的大小与太阳能的保证率又和太阳能原油加热项目的经济性密切相关。因此太阳能原油加热系统的经济性原则是设备技术方案得以被采纳的前提，是设备能以经济能耗运行的基础。

2 太阳能保证率选用对比分析

在对太阳能热辐射的利用中，太阳能保证率体现了集热系统对太阳能热利用程度，它是设计太阳能集热系统的重要参数（确定系统集热面积的基本参数），是确定太阳能集热系统长期性能的指标，是判断太阳能在一个供热系统中所能发挥作用的评价指标。因此，太阳能保证率选取无疑是一个非常重要的设计步骤。太阳能保证率的取值，在国家标准中并没有给出明确数值，取值范围为0.3～0.8，根据地区不同选取不同的数值。太阳能保证率见表1。

表1 太阳能保证率Tab.1 Solar guarantee rate

2.1 直接系统集热器采光面积

以100 kW加热炉太阳能加热改造为例对太阳能保证率如何选取进行论证：如柴达木盆地年平均太阳能辐照量取最小值6 680 MJ/m2，年日照时数取最小值3 200 h，年平均气温在1.2℃左右。根据加热炉改造的参数，加热炉的功率为100 kW，一天总输出功率就是8 640 MJ，为提高太阳能原油加热的可靠性按额定功率来计算集热器采光面积。根据GB 50364—2018计算直接系统集热器采光面积：

直接系统集热器总面积（100 kW全天供热计算）：

式中：Ac为直接系统集热器总面积，m2；Qw为日均产水量（已知功率可由日均热量得出）；tend为集热箱内水的温度，90℃；ti为冷水初始水温，取年平均气温1.2℃；Cw为水的定压比热容，4.187 kJ/(kg·℃)；JT为当地集热器采光面上的冬季日均太阳辐照量，kJ/m2·h；f为太阳能保证率，无量纲，国标取值0.3～0.8；ηcd为集热器全日集热效率，国标取值0.25～0.6；按所选取的太阳能集热器实测的热效率取0.55；ηL为管路及储水箱热损失率，取值0.3。

2.2 太阳能保证率的选用

柴达木盆地太阳能保证率按0.6计算得出直接系统集热器总面积为742.69 m2；按0.8计算为990.25 m2。太阳能资源贫乏地区取值0.3，则计算出直接系统集热器总面积仅为371.34 m2。因此太阳能保证率的选取，直接影响所设计集热系统集热面积的大小，并且这个数值差异较大。原油加热系统的成本主要集中在集热器上，而项目的投资与集热器的面积大小成一定比例的增长关系，因此，在太阳能资源贫乏地区直接系统集热器总面积反而会小，以减少投资总额。太阳能原油加热原理见图1。

图1 太阳能原油加热原理Fig.1 Solar crude oil heating principle

2.3 太阳能保证率与投资成本的关系

太阳能原油加热系统总投资为集热器成本、换热器成本、储能成本、循环泵阀管线成本、控制电路成本之和。对某一特定原油加热项目来讲，额定输出热功率是定数，则换热器成本和循环泵阀成本及控制器成本基本与太阳能保证系数关联较小，而集热器投资成本与太阳能保证系数成正比，在特定条件下储能成本与太阳能保证系数成线性函数关系（太阳能保证率低于标准光照时长时与全年时长之比时不需要储能）。

如果把这两个变量分别作为点的横坐标（太阳能保证系数）与纵坐标（储能成本），其图象是平面上的一条弧线，则这两个变量之间的关系就是线性函数关系。太阳能保证系数选取值越大，项目的投资就相应加大。

从另一个角度来看太阳能保证率实际上是系统来自太阳的有效热能与系统所需热负荷之比。太阳能保证率也可以看成太阳能在原油加热系统的节能率；如100 kW天然气加热炉1 h理论耗天然气为11.5 m3左右，每方天然气价格为2.39元，则每年燃料费为24.076 9万元。当太阳能保证率取0.3时每小时输出100 kW太阳能原油加热系统则年节约燃料费为7.223万元；太阳能保证率如取0.8则年节约燃料费为19.262万元；也就是说太阳能保证率与节能效益成正比。

2.4 太阳能保证率的理解分析

针对太阳能保证率还可以有以下两种理解：

1）对于太阳能加热系统在全年中保证完全可利用的太阳能的天数。比如，除去阴雨、下雪天气等不满足太阳能辐照强度的天数后，全年可利用的太阳能满足系统供热的天数为172 d，则太阳能的保证率为47.1%；也可理解太阳能保证率为年平均获得太阳辐射能量的满足需要的天数与全年天数之比，即为一年内所需的热量与太阳能所提供的能量的比例，这是一个能利用太阳能时间的百分比[4-6]。

2）太阳能热水系统在一天中，保证可利用的太阳能的小时数和24 h之比，而且这个数要用全年的平均数；因为一年四季太阳能利用的时间是长短不一的，冬天太阳能日均总辐射量低日照时间较短，而夏天日均总辐射量高日照时间较长，全国各地太阳能总辐射量与年平均日照当量见表2。

表2 全国各地太阳能总辐射量与年平均日照当量Tab.2 Total solar radiation and annual average sunshine equivalent across the country

柴达木盆地的年日照时间为：3 200～3 300 h，而一年为8 760 h，按日照时间算一年太阳能的保证率为0.365。在太阳能资源丰富的柴达木盆地一年也只有36.5%的时间可利用太阳辐射资源。这必然导致要获得较高的太阳能保证率势必加大储能部分的投资。

另外，由于天气方面的不确定性，能满足正常天气情况下的储备却无法满足极端天气下的连续供热，如果100%利用太阳能也会导致储能成本急剧上升。因为从技术保证角度看，若100%采用太阳能供热，经济适用性很差，同时还存在技术实施难度较大、投资过大等不利因素，因此必须设计有辅助加热装置。

太阳能保证率取0.3～0.8之间易获得较经济的投资效益，两条函数相交有剖面线区域是太阳能原油加热良好的投资区。

此外太阳能保证率可以通过测试获得相关数据，太阳能保证率的测试分为单天太阳能保证率测试和长期太阳能保证率测试。单天太阳能保证率测试是为防止辅助能源提供的能量过多，而太阳能作为配角的情况下提升太阳能利用率；长期太阳能保证率测试是在系统长期运行下得出系统运行的长期性能，并能对系统进行长期性能预测。而设计太阳能原油加热系统要考虑系统的稳定性和经济性，设计必须考虑长期太阳能保证率来选取设计参数。在通常情况下，由于阴、雨、雪天气的存在，全年太阳能保证率不可能等于1，但是对于某个较短的时段而言，太阳能保证率有可能大于1，即太阳能可以提供的热量可以超出系统的总耗热量。因此在设计原油加热系统时为了尽可能利用太阳能，在计算集热器面积时可以选取某阶段太阳能保证率值为1，工程设计中可以按冬季平均太阳辐射热量选取太阳能保证率等于1计算集热器面积，但储能时长不能大于24 h减去一天中平均日照当量时长后所得的数值；如按表2中柴达木标准光照下年平均日照时件为：5.08～6.3 h。则可选取最大储能满足系统需要的时间为18.92 h。这样可以保证正常气候条件下尽可能利用太阳能，但必须设计有辅助供热系统以应对极端天气下原油加热系统的正常运行，也就是说长期太阳能原油加热系统中由太阳能实际提供的热量占系统总耗热量的百分比不能等于1，短期可以让太阳能保证率等于或大于1，在太阳能资源丰富I区，短期蓄热系统太阳能保证率大于60%。春季，夏季和秋季太阳能辐射较强的时间内太阳能保证率平均值可以100%，这样有利于更经济有效地利用太阳能[7-10]。

3 结论

1）太阳能保证率与节能效益密切相关；太阳能保证率是确定所需太阳能集热器总面积的一个关键因素，是指在一定周期时间段内太阳能热水系统中太阳能可以提供的热量占系统总耗热量的百分比。若总投资成本函数的斜率大于太阳能投资效益曲线的斜率说明太阳能保证率取值过大，应减小太阳能保证率的取值，太阳能保证率取值直接关系到用户的投资的大小和年均使用成本。因此需在考虑储能成本和太阳能热水系统初期建设成本的基础上，有必要建立完整的系统性能和经济评价体系，综合考虑经济、能效、环保、安全与维护等因素，设计时需兼顾节能效益和用户的年均使用成本。

2）太阳能保证率体现了太阳能集热系统对太阳能热利用程度，太阳能原油加热在计算集热面积的时候，从节能的角度出发，太阳能保证率如果取值过低，则太阳能原油加热系统沦为配角节能效益不明显；在设计原油加热系统时为了尽可能利用太阳能，为防止辅助能源提供的能量过多引起节能效益不佳，设计时可以按单日所需的热能可以选取太阳能保证率等于1计算集热器面积，这样可以保证正常气候条件下尽可能利用太阳能，获取较高的节能效益。由于存在天气方面的不确定性，因此从长期，从原油加热的稳定性和安全性考虑，为了提高节能效益即使设计时选取太阳能保证率等于1，也必须设计辅助加热系统，并且长期太阳能实际提供的热量占系统总耗热量的百分比不能等于1。

3）太阳能原油加热集热系统的设计中，首先应根据不同太阳能保证率来确定系统的投资成本，可通过投资的增长率和节能效益的增长率进行对比分析来确定最经济的太阳能集热面积和储能成本，由于100%的太阳能供热对储能要求高，储能应以满足正常天气下供热的要求即可，极端天气下的储能不予考虑，在保证节能效益最大化的条件下，在技术可行、经济合理的条件下，对工艺流程和设备尽量简化，以便降低工程造价和建设工期。