淺談太陽能蓄熱在油田伴熱上的應用

祁 濤 馮建發 王龍其 陳德兵 張志超

(1.華北油田第四采油廠電力與維修管理中心 河北 廊坊 065000)(2.華北油田第四采油廠工程技術研究所 河北 廊坊 065000)(3.華北油田第四采油廠琥珀營采油作業區 河北 廊坊 065000)

一、太陽能蓄熱伴熱原理

太陽能蓄熱伴熱以蓄熱器為核心，通過集熱器將太陽輻射能轉化為熱能輸出到蓄熱器中，當太陽輻射能達不到蓄熱器要求溫度時，輔助能源子系統通過其它能源補足蓄熱溫度，蓄熱器再通過水泵循環為原油伴熱。

二、太陽能集熱方式

根據太陽能聚光跟蹤理論和實現方法不同，當今主要有三種集熱方式：槽式太陽能集熱器、塔式太陽能集熱和蝶式太陽能集熱。

(一)槽式太陽能集熱

槽式太陽能集熱是目前最為成熟的太陽能集熱方式。它是利用分散式的槽式拋物面反射鏡聚光到各自的集熱管上，每一個分散的槽式反射鏡都可以隨著陽光調整角度，集熱管再將熱能傳遞到蓄熱器中。

槽式太陽能集熱的優點是熱損失小，技術已經成熟，有成功的實踐經驗。缺點是對集熱管要求高，對蓄熱要求高。適合一些大型的油站，對蓄熱溫度和人員管理要求不高，并且所在位置晴天居多，太陽輻射能穩定。

(二)塔式太陽能集熱

塔式太陽能集熱是利用定日鏡場將低能流密度的太陽輻射匯聚到位于塔頂的集熱器上，集熱器再將熱能傳遞到蓄熱器上。塔式太陽能聚光倍數一般大于500。

塔式太陽能聚光倍數高，更利于蓄熱，集熱器散熱面積小，從長遠看來效率高。因為塔式太陽能隨著集光面積越大，塔的高度和跟蹤代價也就越高，建設成本也就越大，所以它適合一些蓄熱溫度要求高，站內人員相對充足小型油站。

(三)碟式太陽能集熱

碟式太陽能集熱的基本原理是通過拋物面形的聚光碟把入射的太陽光聚起來，在焦點處產生高密度的光能，焦點處的吸熱器將光能轉化成熱能，再傳輸到蓄熱器中。

碟式太陽能集熱和啟動損失小、系統成本降低潛力大的優勢，光電效率高。但是碟式太陽能建設成本同樣也是最高的，集熱系統過于復雜，沒有成熟的商業模式，本身就有一定的不穩定性，所以不建議運用在油田蓄熱伴熱上。

綜上所述，A站對蓄熱要求高，日常有員工處理，塔式太陽能集熱倍數高，適合蓄熱，技術相較于同樣聚光倍數高的碟式太陽能更容易實現，熱效率高。A站集光面積小，集熱建造成本也較低，并且技術人員充足，所以塔式集熱是最適合方式。

三、太陽能的蓄熱方式

由于太陽能受季節、晝夜和氣象條件的影響，為了提升太陽能的使用率，降低集熱器的空置率，提高太陽能的經濟性，設置蓄熱裝置是必要的。

蓄熱裝置最重要的就是介質，通過蓄熱介質一般分為顯熱蓄熱、潛熱蓄熱和化學蓄熱三種蓄熱方式。

(一)顯熱蓄熱

顯熱蓄熱是通過蓄熱材料溫度的上升或下降而存儲熱能的，這是三種熱能中材料種類最多、技術原理最簡單，成本最低的一種蓄熱方式。

顯熱蓄熱的介質一般為水、油、巖石、砂、礫石，人工制造的氧化鋁球。優點是價格低，易得到，熱容量小。

(二)潛熱蓄熱

潛熱蓄熱主要是利用蓄熱材料發生相變時吸收或放出熱量來實現能量的儲存。

潛熱蓄熱的介質一般為硝酸鈉、硝酸鉀和鹽陶瓷等。它的優點是單位容積的蓄熱量很大，蓄熱裝置小型化。

(三)化學蓄熱

化學蓄熱是利用化學材料的化學反應熱來進行蓄熱，例如通過氫氧化鈣與氧化鈣和水的逆反應來存儲熱量。

化學蓄熱的介質有氫氧化鈣、氨等。它的優點是蓄熱量大，單位儲能的體積小，質量輕，但是對蓄熱介質要求高，不穩定，可能產生有毒有害氣體，有一定安全隱患，不太適合用于原油伴熱的蓄熱。

由于A站蓄熱溫度不高，屬于中溫蓄熱，對蓄熱技術要求穩定、經濟、安全，所以我們選擇顯熱蓄熱的方式，以礦物油為介質就可以滿足A站的伴熱蓄熱。而介質存儲方式一般有水箱蓄熱、地埋管蓄熱和地下儲水層蓄熱蓄熱等，這里我們可以根據每個地方的自然、經濟條件挑選最適合的方式。

四、輔助能源子系統

輔助能源子系統是當蓄熱溫度不足時，通過其它能源產生熱能補足蓄熱溫度的裝置。

對于集光面積太陽能產生熱量遠遠達不到所需熱量的油站，太陽能集熱只能作為輔助能源伴熱，節約一定的生產成本。

五、結論

綜上我們可以看出并不是所有加熱爐伴熱都可以被太陽能蓄熱代替。A站所在地區平均每天每平方米太陽能蓄熱產生3454KJ熱量，而A站一共有7個加熱爐，2019年平均每天燃燒天然氣3677立方米。A站平均每臺加熱爐熱效率為88%，A站2019年平均每天需要加熱油氣水就需要1.15億KJ熱量，若完全通過太陽能自給自足則需要3.3萬平方米的集熱面積。但是A站僅有200平方米集熱面積，所以剩余的熱量仍需要天然氣加熱爐來補給，這時太陽能集熱系統實際上僅作為輔助能源系統，只能產生一定限度的效益。

太陽能集熱發展之所以緩慢，主要還因為其高昂的建設成本，短期內無法產生利潤。所以集熱面積小、土地成本昂貴的地區不太適合建立太陽能蓄熱伴熱裝置。

有的油站需要長期伴熱資源卻因位置偏遠能源補給困難的，完全可以嘗試太陽能集熱蓄熱裝置。一個1萬平方米的蓄熱裝置正常運行下每年節約的天然氣至少45萬立方米天然氣，預計每年能產生135萬元的經濟效益。