太陽能光伏光熱系統(tǒng)在原油集輸中的應用研究

郝蕓，，呂少華，李慧，張雄，李陽

（1.西安石油大學機械工程學院，陜西西安 710065；2.長慶油田第六采氣廠，陜西西安 710018）

1 概述

重質原油的開采以及集輸、處理等各個環(huán)節(jié)都需要耗費大量的能源，據(jù)統(tǒng)計，全世界用于石油生產和加工過程中消耗的油量占總生產油量的近10%，我國石油煉制工業(yè)所消耗的燃料油也占到了15%[1-2]。我國油氣集輸?shù)纳a能耗占到原油生產總能耗的30%～40%，原油集輸系統(tǒng)的平均自耗氣量為17.9 m3/t[2]，因此，將高效清潔的太陽能引入到石油行業(yè)中，對降低原油生產成本、提高油田的經濟效益，實現(xiàn)節(jié)能降耗和綠色環(huán)保有著非常重要的意義。目前，太陽能在油田得到了一定的應用，但基本停留在單純的光熱利用[3-5]或光伏發(fā)電[6-8]層面。

將太陽能光伏和光熱相結合，設計了一套適用于油田井口的光伏光熱一體化原油加熱系統(tǒng)，利用太陽能的光熱效應直接對原油進行加熱的同時，也將太陽能光伏發(fā)電過程產生的熱能進行高效利用，最后將光伏發(fā)電儲在電池內的電能通過電磁加熱的方式進行轉化，全方位提高太陽能的綜合熱效率。

2 系統(tǒng)介紹

光伏光熱一體化的原油加熱系統(tǒng)是一種結合太陽能光熱轉換和光伏發(fā)電的綜合型系統(tǒng)，如圖1所示。太陽光經過反射鏡反射至光伏板上，光伏電池將太陽能轉換為直流電，經過智能控制器的過充保護，將直流電儲存在太陽能蓄電池中。井口所需要的壓力、溫度等信號傳輸用電可由蓄電池直接供電，通過DC/AC逆變器將蓄電池中直流電轉換為交流電后，可以給總控制柜和單井來油的加熱提供用電負荷。

太陽光透過玻璃罩被反射鏡反射至光伏板上用于發(fā)電，在其發(fā)電過程中光伏板的背板溫度很高，所以在其背板下布置光熱單元，如圖2 所示，在降低背板溫度的同時，還可加熱介質。單井來油進入光熱加熱管路進行升溫，當溫度達到工況要求時，直接將原油輸送，當溫度低于工況要求時，井口加熱爐的燃料氣閥門開啟，用井口加熱爐對原油進行二次加熱。電磁加熱控制系統(tǒng)包括總控制柜、電磁控制器和電磁感應圈。電磁控制器將太陽能蓄電池中的交流電整流變成直流電，再將直流電轉換成高頻高壓電，高頻高壓電流流過線圈會產生高速變化的交變磁場，使鋼管快速發(fā)熱，從而達到加熱管內原油的目的。

圖1 井口光伏光熱一體化原油加熱系統(tǒng)流程

圖2 太陽能光伏光熱單元

3 太陽能光伏光熱系統(tǒng)設計及應用

3.1 太陽輻射量的計算

太陽的位置可以用高度角Sal和方位角Saz兩個角度來確定。太陽高度角也可稱為仰角，是地面上觀察點與太陽中心連線（入射光線）和觀察點水平面之間的夾角，太陽方位角為太陽在觀察點水平面上的投影與正南方向的夾角，西南向為正，東南向為負，如圖3（a）中所示方位角為正。太陽的高度角和方位角不便得到，需要借助觀察點緯度、赤緯角、時角等其他參數(shù)得到，見圖3（b）。

太陽的高度角和方位角計算公式[10]如下：

式中：L 為當?shù)赜嬎泓c的緯度，rad；δs為太陽的赤緯角，rad；hs為太陽計算時角，rad。

赤緯角和太陽計算時角由公式（3）計算：

式中：day為所求日期在一年中的日子數(shù)；LST為當?shù)靥枙r，采用24小時制，即上午時太陽時角為負值，下午時太陽時角為正值，我國取北京時間為標準時。

地球上任一點、任一天、日間內任何時間，大氣層外水平面上太陽的輻照度由公式（4）得出。其中Gsc為垂直于輻射傳播方向上單位面積1小時內測得的太陽輻照度為1 353 W/m2，也稱太陽常數(shù)。day為所求日期在一年中的日子數(shù)。

圖3 相關角度的幾何關系

3.2 能量平衡模型建立

投射到光伏電池表面上的太陽能只有5%～20%轉化成電能，60%～70%的能量轉化成熱能被電池吸收[9]，電池吸收的熱能一部分通過玻璃罩散失到環(huán)境中，一部分被冷卻介質吸收。太陽能光伏光熱單元的能量平衡方程為：

式中：qtot為聚光型光伏光熱一體化系統(tǒng)的太陽總輻射量，W/m2，qtot＝CG（C為面積聚光比，取值10）；qE為光伏電池單位面積產生的電量，W/m2，qE＝ηCG（η為光電轉換效率，取值0.15）；qC為介質吸收的熱量，W/m2；qL為光伏光熱單元與周圍環(huán)境的損失，W/m2。

光伏光熱單元與周圍環(huán)境的能量損失，包括玻璃蓋板與周圍大氣環(huán)境的輻射損失和對流損失。

（7）～（9）式中：σ為斯蒂芬－玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/（m2·K4）；εr，εp分別為光伏電池和玻璃蓋板的發(fā)射率為0.2，εp為0.94；Tr，Tp分別為光伏電池和玻璃蓋板表面溫度，K，Tr為403 K，Tp為353 K；Ta為周圍環(huán)境溫度，K，Ta為300 K；hw為玻璃蓋板與周圍環(huán)境的對流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；v為風速，m/s，計算地年平均風速為2 m/s。

3.3 應用效果

以新疆某油田單井為例，不同季節(jié)一天內，太陽高度角（仰角）和方位角變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 各季節(jié)一天內的太陽高度角和方位角變化

由圖4 可以看出，相對其他季節(jié)，夏至時，日照時間最長，太陽高度角和方位角變化最大；春秋兩季入射光線的高度角和方位角變化規(guī)律基本相同；冬季日照時間最短，高度角和方位角變化也最小。

從圖5可知，隨著時間的推移，太陽輻照度先增大后減小。對應于春分、夏至、秋分和冬至中午12時，夏至時太陽輻照度最高，可達1 255 W/m2，冬至時太陽輻照度為625 W/m2，僅為夏至輻照度的50%，春秋時太陽輻照度基本相同，分別為1 037 W/m2和1 017 W/m2。

圖5 一年內大氣層外水平面太陽輻照度

圖6 顯示了在考慮太陽高度角和方位角的影響以后，該地區(qū)日平均太陽輻照度以秋分時為準，秋分日當天總輻照時間和總輻照度G分別為11.95 h和5 108 W/m2。

圖6 考慮太陽高度角和方位角后秋分時太陽輻照度

在考慮了聚光比和能量損失的情況下，光伏光熱系統(tǒng)平均光電轉換效率14%，每天每平方太陽輻照能量通過光伏電池產生23 MJ電能、77 MJ熱能。

經計算，該區(qū)域油田單井產液量45 t/d（含水20%），輸送溫度由45℃加熱至75℃，每天需要 39.375 kW 的加熱量。為了保證白天能夠用太陽能加熱，需要的光伏電池面積為22 m2，因此產生的電量除了滿足井場信號要求外，還可實現(xiàn)3.59 h的夜間原油的加熱，每年可節(jié)約天然氣21 000 m3。

4 結論

通過對太陽能光伏光熱一體化系統(tǒng)的分析和算例計算，明確將太陽能應用在井口原油加熱輸送系統(tǒng)中的可行性。太陽能光伏光熱一體化系統(tǒng)與原有井口水套爐控制系統(tǒng)相互連接，保證了太陽能加熱系統(tǒng)的正常運行。對于一口產液量為45 t/d的單井，在保證白天利用太陽能加熱系統(tǒng)的前提下，其光伏系統(tǒng)所產生的電量不僅可以滿足井場信號要求，同時還可實現(xiàn)3.59 h的夜間原油加熱，每年可節(jié)約天然氣21 000 m3。這比單獨應用太陽能光熱加熱原油有明顯的優(yōu)勢。