單井拉油儲油罐太陽能加溫節(jié)能技術的應用

沈國輝（中國石油冀東油田陸上油田作業(yè)區(qū)）

單井拉油儲油罐在各大油田的邊遠地區(qū)都普遍存在，該儲罐存在的弊端是在北方冬季氣溫接近0℃時，儲罐內原油無法放出，只有給儲罐內原油加溫才能保證原油正常拉運。目前普遍采用電加熱棒加溫的方式，但也存在不足。首先是高消耗，電熱轉化率低，造成電能的浪費，需要有一種加熱方式替代電加熱棒對儲油罐維溫加熱；其次容易產生局部受熱，受熱表面溫度超過300℃，對油品破壞較大；三是存在安全隱患，若產生漏電，將會造成安全事故；四是容易結垢，不易清理。

1 單井拉油儲油罐太陽能加溫技術

鑒于偏遠井站單井拉油儲油罐使用電加熱棒耗電量大、維護費用高這兩方面的因素，陸上油田作業(yè)區(qū)采用了太陽能加溫節(jié)能技術，確保了冬季罐體溫度，達到了節(jié)約電能的目的。該技術裝置配置了專用太陽能液晶控制儀，操作簡單，運行穩(wěn)定，抗干擾性強；還具備自動循環(huán)、自動加熱、加熱器保護、防凍保護、缺液報警等功能。另外，該裝置采用循環(huán)水加熱，改變了電加熱棒與原油直接接觸的加熱方式，實現了本質安全。

1.1 系統組成

太陽能-電加熱儲運系統主要包括水路裝置、儲油裝置、控制裝置?？刂蒲b置分別與水路裝置和儲油裝置電路連接；水路裝置和儲油裝置通過加熱盤管連接，其中水路裝置由水箱、電加熱器、集熱器、加熱盤管、循環(huán)水泵等組成；儲油裝置由磁效液位儀、油罐及其附件組成；控制裝置由控制箱、控制器等附件組成。

1.2 系統工作原理

油井產液經單井管線封閉進入油罐后，在正常太陽能輻射下，依靠太陽能加熱。循環(huán)泵開啟，熱水箱的低溫熱水經控制閥門進入太陽能集熱器，加熱后進入儲水箱，再通過循環(huán)泵進入加熱盤管，與原油換熱后經控制閥門回到蓄熱水箱。在太陽能不足的條件下，啟動電加熱器加熱。整套系統采用溫差自動控制，使油罐的溫度始終保持在恒溫狀態(tài)。油罐內裝有磁效液位儀與控制箱連接，能簡便準確地計量出油井瞬時產量和累計產量。在油罐側面有一出油口，拉油時，啟動管道泵裝車。

利用太陽能加熱水介質，再通過換熱器讓加熱介質與原油充分換熱。同時，在太陽能熱循環(huán)中設置1個保溫水箱，用于太陽能儲熱與熱量儲存。太陽能加熱原理如圖1所示。

1）當太陽能輻照量足夠時，開啟循環(huán)泵P1，熱媒介質從儲水箱中抽出，經閥門V1，進入太陽能集熱陣列；被太陽能加熱的熱媒介質經閥門V2，進入換熱器，此時閥門V4關閉，熱媒介質與原油換熱后經過V3，返回儲熱箱。

2）當太陽能輻照量富裕時，在保持閥門V2開啟的情況下，同時開啟閥門V4，被太陽能加熱后的部分熱媒介質經閥門V4進入儲熱箱，使富余的熱媒介質儲存起來。

3）當太陽能輻照量不足時，開啟循環(huán)泵P2，熱媒介，經閥門V5、V6進入換熱器，此時閥門V2關閉。熱媒介質與原油交換后，經閥門V3返回儲熱箱，此時啟動輔助加熱裝置（熱媒介質為水，輔助加熱為電加熱）。

因太陽能加熱系統用熱連續(xù)供應，要求穩(wěn)定可靠，而太陽輻射受晝夜、季節(jié)、緯度和海拔高度等自然條件的限制和陰雨天氣等隨機因素的影響，存在較大的間歇性和不穩(wěn)定性。因此，為了保證生產正常運行，在太陽能加熱系統中，必須設置輔助熱源，而原有電加熱棒可作為輔助熱源。

1.3 太陽能集熱器的選型與計算

1.3.1 熱水系統的集熱器

常用太陽熱水系統的集熱器有平板型集熱器、全玻璃真空管集熱器、熱管式真空管集熱器。3種形式集熱器的比較見表1。

表1 3種形式集熱器的比較

唐海地區(qū)歷年極端最低氣溫為-25.5℃，最低月平均氣溫為-2.5℃。由表1可見，熱管式真空管集熱器在耐冰凍能力和承壓能力上優(yōu)于平板式集熱器和全玻璃真空管式集熱器，是唐海地區(qū)的最佳選擇，擬選用熱管式真空管集熱器作為此節(jié)能改造項目的太陽能集熱器。

1.3.2 熱管的工作原理

超導熱管的工作介質由多種無機活性金屬及其化合物混合而成，具有超常的熱活性和熱敏感性，遇熱而吸，遇冷而放。這種熱超導工質在一定溫度下被激活，并以分子震蕩形式來傳遞熱量；它超強導熱性能使其導熱系數是一般金屬的1萬倍左右，是水熱管的10倍左右，在傳導方向上幾乎沒有溫度的衰減并能以極快的速度傳遞（超音速傳遞），見圖2。

1.3.3 熱管式真空管集熱器性能參數（表2）

表2 熱管式真空管集熱器性能參數

1.3.4 熱管式真空管集熱器特征

1）采用熱管作為主要熱交換部件，使集熱器具有較好的抗凍性能。

2）集熱器水流道內壁光滑、流程短、不易結垢、水阻力小。

3）真空玻璃集熱管內無水，不會產生高溫激冷爆管現象，且在各種非正常使用條件下，玻璃管損壞無漏水之弊。

根據GB50495—2009《太陽能供熱采暖工程技術規(guī)范》第3.4.3條款，加熱系統太陽能集熱器總面積按下式計算：

式中：

Ac——系統集熱器采光面積，m2；

Q——所需熱量，kJ；

Jt——當地春分或秋分所在月集熱器受熱面上月均日輻照量，此處取冬季平均日輻照量，J/（m2·d）；

f——太陽能保證率，無量綱；

ηcd——集熱器全日集熱效率；

ηL——管路、儲熱箱、換熱器熱損失率。

1.3.5 集熱循環(huán)泵的選型與計算

選擇水泵要以節(jié)能為原則，使水泵在太陽能加熱系統中保持高效運行；在滿足揚程和流量的要求下，應選擇功率較小、低噪音、耐熱的泵。

1）集熱循環(huán)泵流量qXL

式中：

B2——集熱器的單位面積流量，L/（m2·s）；

A——集熱器的面積，m2。

集熱器單位面積流量一般可按0.02L/（㎡·s）進行估算。

2）集熱循環(huán)泵揚程H

H1——集熱器的水頭損失，m；

H2——集熱系統沿程及局部水頭損失，m；

當集熱器的單位面積流量B2＝0.02L/m2·s時，單個集熱器的阻力一般為0.05m/m2。

2 加熱特點

利用成熟的太陽能加熱技術替代電加熱棒對儲油罐維溫加熱，有以下幾方面的優(yōu)勢：

◇不存在安全隱患，不會有漏電事故發(fā)生；

◇不會產生廢渣、廢水、廢氣，也沒有噪音，不會造成污染和公害；

◇隨地可取，不存在運輸問題；

◇因由光能轉化成熱能，減少了常規(guī)能源的消耗。

3 現場應用

陸上油田作業(yè)區(qū)現有單井拉油平臺46個，2009年至今已經在G3104、N80等14個平臺應用了儲油罐太陽能加溫技術。通過對該裝置綜合參數的調試結果證明，該技術能夠滿足單井拉油儲油罐的溫度要求，平均溫度可達到40～45℃，實現了平穩(wěn)、經濟運行。

4 效益評價

1）每個儲罐內有2根12kW的電加熱棒，冬季運行4個月，每天加熱16h。按照單耗電費計算，每個儲罐每年耗電24×16×120=46080kWh，費用39168余元。已經更換太陽能的29個儲油罐1年節(jié)電1336320kWh，節(jié)省費用114萬元。具體效果對比見表3。

表3 太陽能加熱裝置效果對比

2）每套太陽能加熱節(jié)能裝置，安裝投入費用約為16萬元，14套共計投入資金224萬元；投入產出比為1∶1.96，投入回報周期[1]約為2年。

5 結論及建議

單井拉油儲油罐太陽能加溫技術較好地解決了以往電加熱棒加熱耗電量大、維護費用高等問題，起到了節(jié)能減排的作用。該技術裝置操作簡單，自動化程度高，便于管理，也可應用到單井拉油點井口及地面管線的加溫。

[1]劉力,曾宣慰,佘小兵,等.拉油井組儲罐原油太陽能加熱技術[J].油氣田地面工程,2003,29(3):83.