新型太陽能集熱技術

　中國石化石油勘探開發研究院

新型太陽能集熱技術

黃輝邱偉偉李奇中國石化石油勘探開發研究院

隨著太陽能技術的發展和石化資源的短缺，越來越多的油田將太陽能應用于原油加熱中。在總結分析太陽能與其他供熱方式聯合供熱的基礎上，提出了一種新型的太陽能、熱泵與儲熱技術聯合供熱系統。當低溫水罐溫度高于15℃時，采用太陽能儲熱水罐作為水源熱泵低溫熱源，實現對原油的加熱；反之，啟動清水罐供熱系統作為低溫熱源；當高、低溫儲熱水罐的溫度差高于5℃時，開啟罐間泵進行熱水循環。模擬結果表明，該系統可以將外輸液連續穩定地加熱到59～62℃，能夠滿足原油外輸要求，太陽能利用率達到64%。該方案與傳統燃油加熱爐相比，每年節約運行費用46.9萬元，減少CO2排放量301t；與原加熱爐相比降低能耗78%；整套系統流程簡單，自動化程度高，節約人工費和維修費，節能減排效果良好。

太陽能；集熱；原油加熱；聯合供熱；模擬實驗

在油氣集輸處理過程中需要耗費大量的熱能，采用燃油爐、燃氣爐、電加熱等加熱輸送工藝不僅成本高，能耗大，而且對環境造成很大影響。隨著太陽能技術的發展和石化能源的短缺，人們逐漸關注用可再生能源替代傳統石化資源?？稍偕茉粗饕柑柲?、風能、水能、海洋能等可重復利用的能源，具有清潔、環保的顯著特性，將其應用于油氣田原油加熱過程潛力巨大。

我國太陽能資源儲量較為豐富，三分之二以上的國土面積年日照時數大于2000h。太陽能利用的方法主要有太陽能熱利用技術、熱力發電、光伏發電、光利用、海水淡化、干燥技術等。目前，太陽能集熱技術和光伏發電技術得到了長足的發展。油田利用太陽能加熱原油屬于中低溫區，因此利用太陽能集熱技術就可滿足要求。太陽能供熱受到夜晚、陰雨天等因素的影響，存在間歇性和不穩定性，因此在原油加熱或開采過程中如何保證太陽能集熱系統持續穩定的工作是太陽能集熱技術在油田應用的關鍵。

1　太陽能供熱方式應用現狀

1.1太陽能與傳統供熱方式聯合供熱

2004年7月，在遼河油田興56號采油站利用490m2太陽能集熱器為循環水加熱，實現了對原油的恒溫加熱，取得良好的節能效果。太陽能作為輔助加熱手段與傳統供熱方式（鍋爐、電加熱）聯合供熱在華北油田、勝利油田、大港油田、冀東（唐山）油田得到了應用。江蘇油田天83-1拉油站、張鋪區塊拉油站、李堡集油站和莊13井都應用了太陽能供熱。

太陽能與電加熱、鍋爐等傳統供熱方式聯合供熱其穩定性和可靠性高，控制系統簡單易行，且傳統供熱方式可作為太陽能供熱系統的補充和保障，可推廣實施。

1.2太陽能與熱泵聯合供熱

在油田中已有污水源熱泵、地源熱泵應用于油氣田地面工程中加熱原油和供暖[1-3]，但是熱泵循環是以消耗一部分電能為代價實現從低溫熱源吸收熱量，經濟性較太陽能略差。因此，將太陽能與熱泵聯合供熱，可以克服各自的缺點，實現連續、穩定、經濟及清潔供熱。

太陽能系統與熱泵系統聯合供熱的原則是[4]：以熱泵系統為主要能源，太陽能系統為輔助熱源，在運行控制上優先采用太陽能，并加以充分利用。太陽能系統與熱泵系統聯合供熱方式有并聯和串聯兩種，各有優缺點。并聯系統熱泵僅在太陽能供熱不足的情況下啟動，需要有能夠產生高溫的熱泵及太陽能集熱器，系統穩定性不高。串聯供熱系統中，系統穩定性高，但是耗電量大，經濟效益略低于并聯系統。

需要注意的是，熱泵運行需要穩定的低溫熱源，若采用空氣源熱泵時，對當地的氣候要求較高；若采用水源熱泵時，需要有穩定的水源。

2　太陽能、熱泵與儲熱聯合供熱系統

儲熱技術可提高太陽能資源的利用率。油田地面工程原油加熱是在中低溫區，水是儲熱介質的最佳選擇。因此，將儲熱技術與太陽能、熱泵聯合供熱系統相合，可實現最大程度地利用太陽能，減少熱泵耗電成本。

在分析研究太陽能與熱泵技術聯合供熱的基礎上，結合儲熱技術，提出了一種新型的供熱系統，其原理流程見圖1。以太陽能供熱系統為主，優先利用太陽能。在太陽能光照豐富時，開啟太陽能集熱系統，加熱高溫儲熱罐中的水。高溫儲熱罐中的水通過自動控制系統與低溫儲熱罐的水換熱（二者溫差大于設定值），以滿足低溫水罐中的水源作為水源熱泵熱源的穩定性和溫度的要求。當太陽能輻照強度不能滿足要求時（低溫儲熱罐中的溫度低于設定值），開啟地下水清水罐供熱系統，以滿足極端情況下的水源熱泵的熱源要求。該系統只要有太陽能輻射就通過儲熱罐進行儲存，并通過兩個儲熱水罐間的換熱實現水溫控制，在提高太陽能利用率的同時增加了系統的穩定性，節能效果良好。

圖1　新型太陽能、熱泵與儲熱技術聯合供熱系統

以華東地區某接轉站為例，采用Transys軟件對該新型太陽能、熱泵與儲熱技術聯合供熱系統進行了模擬。該接轉站加熱原油平均能耗為110kW，對接轉站有如下要求：①保證外輸溫度≥60℃；②低溫儲熱罐溫度40℃；③太陽能集熱器運行溫度≤80℃；④熱泵熱源水溫度≤40℃。

當低溫水罐溫度高于15℃時，采用太陽能儲熱水罐作為水源熱泵低溫熱源，實現對原油的加熱；反之，啟動清水罐供熱系統作為低溫熱源；當高、低溫儲熱水罐溫度差高于5℃時，開啟罐間泵進行熱水循環。模擬實驗結果表明，該系統可以將外輸液連續穩定地加熱到59～62℃，能夠滿足原油外輸要求，太陽能供熱率達到64%。該方案與傳統燃油加熱爐相比，每年節約運行費用46.9萬元，減少CO2排放量301t；與原加熱爐相比降低能耗78%；整套系統流程簡單，自動化程度高，節約人工費和維修費。

若該站采用圖2所示的供熱方案，即白天環境溫度較高，由空氣源熱泵供熱，太陽能集熱儲存于儲熱水罐中，用于夜間供熱；夜間由儲熱水罐供熱，不足部分由空氣源熱泵提供。對該方案進行Transys模擬，結果顯示該方案與傳統燃油加熱爐相比，每年節約運行費用35.22萬元，減少CO2排放量263t；與原加熱爐相比降低能耗62.5%。但是冬季空氣源熱泵效率較低，面臨結霜的風險，適應范圍較小。

圖2　太陽能集熱器與高溫空氣源熱泵聯合供熱系統

綜上所述，新型太陽能集熱技術節能減排效果好，適應范圍廣，運行簡單可靠，具有良好的推廣應用價值。

3　結論

（1）太陽能資源豐富，可就地開發，就地利用，無廢棄物產生，雖然具有不穩定性、間歇性的特點，但與其他供熱方式結合，可實現全天候供熱。

（2）太陽能在油田地面工程中的使用方式多種多樣，應根據實際情況加以選擇。太陽能在與其他能源聯合供熱中，常規能源系統可靠性高，與熱泵技術的聯合供熱需要特定的自然資源條件。

（3）模擬結果顯示，新型太陽能、熱泵與儲熱技術聯合供熱系統可實現全天候連續、穩定供熱，太陽能利用率達到64%，整套系統流程簡單可靠，穩定性較高，節能減排效果良好。

[1]于海泉．熱泵技術在薩南油田的應用[J]．油氣田地面工程，2006，25（3）：30.

[2]譚智．水源熱泵技術在油田注水系統應用[J]．中外能源，2011 （16）：100-102.

[3]徐濤．地源熱泵加熱技術在張店油田的應用[J]．油氣田地面工程，2009，28（3）：7-8.

[4]王學生，王爭昇，陳琴珠．新型太陽能聯合熱泵加熱輸送原油系統[J]．油氣田地面工程，2010，29（3）：55-56.

（010）82311966、huanghui.syky@sinopec.com

（欄目主持樊韶華）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.12.033

黃輝：博士，高級工程師，2009年畢業于中國石油大學（北京）油田開發專業，現從事油氣田地面工程的規劃和研究工作。

2015-03-23