淺談太陽(yáng)能蓄熱在油田伴熱上的應(yīng)用

祁 濤 馮建發(fā) 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(shù)研究所 河北 廊坊 065000)(3.華北油田第四采油廠琥珀?duì)I采油作業(yè)區(qū) 河北 廊坊 065000)

一、太陽(yáng)能蓄熱伴熱原理

太陽(yáng)能蓄熱伴熱以蓄熱器為核心，通過(guò)集熱器將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為熱能輸出到蓄熱器中，當(dāng)太陽(yáng)輻射能達(dá)不到蓄熱器要求溫度時(shí)，輔助能源子系統(tǒng)通過(guò)其它能源補(bǔ)足蓄熱溫度，蓄熱器再通過(guò)水泵循環(huán)為原油伴熱。

二、太陽(yáng)能集熱方式

根據(jù)太陽(yáng)能聚光跟蹤理論和實(shí)現(xiàn)方法不同，當(dāng)今主要有三種集熱方式：槽式太陽(yáng)能集熱器、塔式太陽(yáng)能集熱和蝶式太陽(yáng)能集熱。

(一)槽式太陽(yáng)能集熱

槽式太陽(yáng)能集熱是目前最為成熟的太陽(yáng)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(gè)分散的槽式反射鏡都可以隨著陽(yáng)光調(diào)整角度，集熱管再將熱能傳遞到蓄熱器中。

槽式太陽(yáng)能集熱的優(yōu)點(diǎn)是熱損失小，技術(shù)已經(jīng)成熟，有成功的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。缺點(diǎn)是對(duì)集熱管要求高，對(duì)蓄熱要求高。適合一些大型的油站，對(duì)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(yáng)輻射能穩(wěn)定。

(二)塔式太陽(yáng)能集熱

塔式太陽(yáng)能集熱是利用定日鏡場(chǎng)將低能流密度的太陽(yáng)輻射匯聚到位于塔頂?shù)募療崞魃?，集熱器再將熱能傳遞到蓄熱器上。塔式太陽(yáng)能聚光倍數(shù)一般大于500。

塔式太陽(yáng)能聚光倍數(shù)高，更利于蓄熱，集熱器散熱面積小，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看來(lái)效率高。因?yàn)樗教?yáng)能隨著集光面積越大，塔的高度和跟蹤代價(jià)也就越高，建設(shè)成本也就越大，所以它適合一些蓄熱溫度要求高，站內(nèi)人員相對(duì)充足小型油站。

(三)碟式太陽(yáng)能集熱

碟式太陽(yáng)能集熱的基本原理是通過(guò)拋物面形的聚光碟把入射的太陽(yáng)光聚起來(lái)，在焦點(diǎn)處產(chǎn)生高密度的光能，焦點(diǎn)處的吸熱器將光能轉(zhuǎn)化成熱能，再傳輸?shù)叫顭崞髦小?/p>

碟式太陽(yáng)能集熱和啟動(dòng)損失小、系統(tǒng)成本降低潛力大的優(yōu)勢(shì)，光電效率高。但是碟式太陽(yáng)能建設(shè)成本同樣也是最高的，集熱系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜，沒(méi)有成熟的商業(yè)模式，本身就有一定的不穩(wěn)定性，所以不建議運(yùn)用在油田蓄熱伴熱上。

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

三、太陽(yáng)能的蓄熱方式

由于太陽(yáng)能受季節(jié)、晝夜和氣象條件的影響，為了提升太陽(yáng)能的使用率，降低集熱器的空置率，提高太陽(yáng)能的經(jīng)濟(jì)性，設(shè)置蓄熱裝置是必要的。

蓄熱裝置最重要的就是介質(zhì)，通過(guò)蓄熱介質(zhì)一般分為顯熱蓄熱、潛熱蓄熱和化學(xué)蓄熱三種蓄熱方式。

(一)顯熱蓄熱

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

顯熱蓄熱的介質(zhì)一般為水、油、巖石、砂、礫石，人工制造的氧化鋁球。優(yōu)點(diǎn)是價(jià)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(fā)生相變時(shí)吸收或放出熱量來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存。

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

(三)化學(xué)蓄熱

化學(xué)蓄熱是利用化學(xué)材料的化學(xué)反應(yīng)熱來(lái)進(jìn)行蓄熱，例如通過(guò)氫氧化鈣與氧化鈣和水的逆反應(yīng)來(lái)存儲(chǔ)熱量。

化學(xué)蓄熱的介質(zhì)有氫氧化鈣、氨等。它的優(yōu)點(diǎn)是蓄熱量大，單位儲(chǔ)能的體積小，質(zhì)量輕，但是對(duì)蓄熱介質(zhì)要求高，不穩(wěn)定，可能產(chǎn)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(duì)蓄熱技術(shù)要求穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、安全，所以我們選擇顯熱蓄熱的方式，以礦物油為介質(zhì)就可以滿足A站的伴熱蓄熱。而介質(zhì)存儲(chǔ)方式一般有水箱蓄熱、地埋管蓄熱和地下儲(chǔ)水層蓄熱蓄熱等，這里我們可以根據(jù)每個(gè)地方的自然、經(jīng)濟(jì)條件挑選最適合的方式。

四、輔助能源子系統(tǒng)

輔助能源子系統(tǒng)是當(dāng)蓄熱溫度不足時(shí)，通過(guò)其它能源產(chǎn)生熱能補(bǔ)足蓄熱溫度的裝置。

對(duì)于集光面積太陽(yáng)能產(chǎn)生熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到所需熱量的油站，太陽(yáng)能集熱只能作為輔助能源伴熱，節(jié)約一定的生產(chǎn)成本。

五、結(jié)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(yáng)能蓄熱代替。A站所在地區(qū)平均每天每平方米太陽(yáng)能蓄熱產(chǎn)生3454KJ熱量，而A站一共有7個(gè)加熱爐，2019年平均每天燃燒天然氣3677立方米。A站平均每臺(tái)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(guò)太陽(yáng)能自給自足則需要3.3萬(wàn)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(lái)補(bǔ)給，這時(shí)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)實(shí)際上僅作為輔助能源系統(tǒng)，只能產(chǎn)生一定限度的效益。

太陽(yáng)能集熱發(fā)展之所以緩慢，主要還因?yàn)槠涓甙旱慕ㄔO(shè)成本，短期內(nèi)無(wú)法產(chǎn)生利潤(rùn)。所以集熱面積小、土地成本昂貴的地區(qū)不太適合建立太陽(yáng)能蓄熱伴熱裝置。

有的油站需要長(zhǎng)期伴熱資源卻因位置偏遠(yuǎn)能源補(bǔ)給困難的，完全可以嘗試太陽(yáng)能集熱蓄熱裝置。一個(gè)1萬(wàn)平方米的蓄熱裝置正常運(yùn)行下每年節(jié)約的天然氣至少45萬(wàn)立方米天然氣，預(yù)計(jì)每年能產(chǎn)生135萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)效益。