浮頂油罐太陽能相變維溫系統(tǒng)運(yùn)行特性分析

朱尚文，李 棟，張 謐，吳洋洋，趙雪峰，孟 嵐

(1.東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.桂林航天工業(yè)學(xué)院 能源與建筑環(huán)境學(xué)院，廣西 桂林 541004；3.中國石油海洋工程有限公司工程設(shè)計院，北京 100028；4.大慶油田工程有限公司，黑龍江 大慶 163453)

0 前言

隨著國民經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，我國原油戰(zhàn)略儲量逐年攀升。原油儲備期間，浮頂油罐內(nèi)原油不加熱易存在膠凝的安全隱患[1-3]。原油加熱[4-5]是防止凝罐事故的必要手段，常規(guī)鍋爐加熱存在能耗大、運(yùn)行成本高的問題，空氣源熱泵加熱和地源熱泵加熱存在地域限制大的問題。太陽能作為一種清潔可再生能源，在東北及新疆等產(chǎn)油地區(qū)[6-7]資源豐富，利用其為浮頂油罐內(nèi)原油加熱，可以降低化石能源消耗及減少環(huán)境污染。

太陽能中低溫?zé)崂梅矫嫜芯慷嘁娪诮ㄖ┡矫妫缋顕[遠(yuǎn)等人[8]發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增加蓄熱水箱體積可提高太陽能系統(tǒng)對太陽輻射利用率，增強(qiáng)系統(tǒng)供能可靠性，但存在熱損高、占地面積大等問題。張鑫等人[9]和藺瑞山等人[10]發(fā)現(xiàn)含相變蓄熱設(shè)備的太陽能供暖系統(tǒng)供暖效果良好且穩(wěn)定。劉凱等人[11]對比相變蓄熱水箱和普通蓄熱水箱的蓄熱特性，發(fā)現(xiàn)相變蓄熱水箱提高了蓄熱量和系統(tǒng)能效比。Djemaa等人[12]和方桂花等人[13]發(fā)現(xiàn)太陽能相變供熱系統(tǒng)具有更高的集熱效率、太陽能利用率和較小的溫度波動。綜上所述，多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)太陽能供熱系統(tǒng)實際節(jié)能效益與末端用熱特性和系統(tǒng)設(shè)計方案等因素相關(guān)[14]，而供熱系統(tǒng)末端側(cè)建筑與浮頂油罐的用熱特性顯著不同，建筑供暖或熱水系統(tǒng)多數(shù)在夜晚運(yùn)行且運(yùn)行時間較短，而浮頂油罐需要全天不間斷供熱以滿足原油維溫需求。同時蓄熱水箱和相變儲熱箱因其儲熱方式不同導(dǎo)致其長時間運(yùn)行的熱特性和經(jīng)濟(jì)效益存在巨大差異。

本文針對浮頂油罐太陽能相變維溫系統(tǒng)，通過TRNSYS平臺建立系統(tǒng)仿真模型，以相變儲熱箱蓄放熱效率、原油靜儲熱負(fù)荷以及原油供熱量占比等作為評估指標(biāo)分析浮頂油罐太陽能相變維溫系統(tǒng)全年運(yùn)行特性，同時引入年總投資費用作為經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，對比分析其與太陽能維溫系統(tǒng)和鍋爐系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，為浮頂油罐太陽能相變維溫系統(tǒng)應(yīng)用提供參考。

1 模型建立

1.1 物理模型

以大慶市某10×104m3浮頂油罐為例，設(shè)計了一套浮頂油罐太陽能相變維溫系統(tǒng)仿真模型，如圖1所示，主要包括真空管集熱器(Type 71)、浮頂油罐模塊(Type 156)、相變儲熱箱(Type 2765)、輔助加熱模塊(Type 659)和水泵模塊(Type 114)等。太陽能集熱器將接收的太陽輻射轉(zhuǎn)化為熱能用于加熱傳熱流體，傳熱流體流經(jīng)相變儲熱箱，再循環(huán)至浮頂油罐實現(xiàn)原油加熱維溫。當(dāng)太陽輻射照度較大時，相變儲熱箱將余熱儲存，太陽輻射照度較小時，通過相變儲熱箱或輔助熱源向浮頂油罐提供熱量，滿足原油靜儲熱負(fù)荷需求。

圖1 太陽能相變維溫系統(tǒng)TRNSYS仿真模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

原油靜儲熱負(fù)荷[15]

(1)

式中Qoil——原油靜儲熱負(fù)荷/kW；

Kwall、Ktop、Kbottom——浮頂油罐罐壁、罐頂、罐底的傳熱系數(shù)/W·(m2·℃)-1，其值分別取0.475 W/(m2·℃)、1.726 W/(m2·℃)、0.11 W/(m2·℃)；

Awall、Atop、Abottom——浮頂油罐罐壁、罐頂、罐底的面積/m2；

ΔT——室外設(shè)計溫度與原油靜儲設(shè)計溫度之間的差值/℃。

依據(jù)規(guī)范大慶室外設(shè)計溫度為-8.5 ℃[16]，原油靜儲設(shè)計溫度應(yīng)高于原油凝點溫度3-5 ℃，原油的凝點溫度為30.2 ℃。

太陽能集熱器為真空管集熱器，其集熱面積計算式如下

(2)

式中Asolar—真空管集熱器集熱面積/m2；

JT——集熱器傾面的年平均日太陽輻射量/kJ·m-2；

f——太陽能保證率/%，取50%；

η——集熱器平均集熱效率/%，取45%；

ηL——太陽能系統(tǒng)日均損失率/%，取15%。

太陽能相變維溫系統(tǒng)中循環(huán)水泵流量通過單位集熱面積流量確定，循環(huán)水泵流量計算公式如下

qHTF=qzAsolar

(3)

式中 qHTF——太陽能維溫系統(tǒng)循環(huán)水泵流量/m3·h-1；

qz——單位集熱面積對應(yīng)的工質(zhì)流量/m3·(h·m2)-1，取0.03 m3/(h·m2)。傳熱流體工質(zhì)為50%乙二醇溶液。

相變儲熱箱主要依靠材料相變潛熱進(jìn)行熱量的蓄存和釋放，其中相變儲熱箱的體積通過下式計算

(4)

(5)

式中QH——相變材料的潛熱量/kJ；

t——相變儲熱箱工作時長/s；

mPCM——相變材料的質(zhì)量/kg；

LPCM——相變材料的比焓/J·kg-1；

VPCM——相變儲熱箱體積/m3；

ρPCM——相變材料密度/kg·m-3。

為確保相變儲熱設(shè)備能夠滿足夜晚或陰雨天氣原油熱負(fù)荷需求，相變材料相變溫度應(yīng)滿足高于原油靜儲溫度5～10 ℃，相變材料為42#石蠟(其物性參數(shù)取自文獻(xiàn)[17])。

蓄放熱效率是評價相變儲熱箱熱性能的重要指標(biāo)，其公式為

(6)

式中ηPCM——相變儲熱箱蓄放熱效率；

QPCM,st——相變材料的蓄熱量/kJ；

QPCM,re——相變材料的放熱量/kJ。

1.3 系統(tǒng)控制方案

為將太陽能集熱量或輔助熱源產(chǎn)生的熱量優(yōu)先滿足原油靜儲負(fù)荷，太陽能相變維溫系統(tǒng)采取輔助加熱控制、循環(huán)水泵控制和相變儲熱箱控制。輔助加熱控制：當(dāng)原油平均溫度低于原油設(shè)計溫度時開啟，其余時間均關(guān)閉。循環(huán)水泵控制：當(dāng)集熱器出口溫度與原油平均溫度相差8 ℃以上時，太陽能相變維溫系統(tǒng)循環(huán)水泵開啟；當(dāng)集熱器出口溫度與原油平均溫度相差2 ℃以下時，太陽能相變維溫系統(tǒng)循環(huán)水泵關(guān)閉。相變儲熱箱控制：當(dāng)集熱器出口溫度高于相變材料相變溫度3 ℃以上，或原油平均溫度高于設(shè)計溫度3 ℃以上時，開啟蓄熱模式并且輔助熱源關(guān)閉；當(dāng)真空管集熱器和輔助熱源關(guān)閉，且相變儲熱箱平均溫度高于原油靜儲設(shè)計溫度3 ℃以上時開啟放熱模式；其余時間均為旁通模式。

2 結(jié)果與討論

2.1 模型驗證

圖2(a)為實驗裝置示意圖，其中一號罐為浮頂油罐，二號罐為相變儲熱箱，三號罐為補(bǔ)液罐，三個罐均為直徑0.6 m，高0.9 m的圓柱體，相變儲熱箱初始溫度為57 ℃，補(bǔ)液罐初始溫度為70 ℃，浮頂油罐溫度為10 ℃，水泵流量為1.3 m3/h。利用實驗裝置對TRNSYS仿真系統(tǒng)中相變儲熱箱向原油儲罐加熱過程進(jìn)行驗證，圖2(b)為原油儲罐和相變儲熱箱平均溫度變化趨勢。結(jié)果表明，相變儲熱箱溫度平均誤差為5.6%，浮頂油罐溫度平均誤差為7.34%。

圖2 實驗裝置及驗證結(jié)果((a)實驗裝置；(b)驗證數(shù)據(jù))

2.2 運(yùn)行特性分析

系統(tǒng)所在地黑龍江大慶地區(qū)典型氣象年參數(shù)來自于Meteonorm數(shù)據(jù)庫，全年最低氣溫出現(xiàn)在1月份，氣溫低至-26.4 ℃，最高氣溫出現(xiàn)在7月份，氣溫高達(dá)29.4 ℃。圖3為系統(tǒng)全年運(yùn)行時相變儲熱箱蓄放熱量和蓄放熱效率逐月變化趨勢。如圖可見，相變儲熱箱蓄放熱量和蓄放熱效率3月份達(dá)到峰值，分別為4.15×108kJ、3.73×108kJ和89.78%，且其值隨系統(tǒng)運(yùn)行逐漸降低，在11月份之后開始逐漸上升。圖4為各設(shè)備平均溫度，可知1、2月份系統(tǒng)剛啟動，集熱器集熱量較少，集熱器出口溫度較低，不足以達(dá)到相變儲熱箱開啟條件，此時相變儲熱箱蓄放熱量為0。隨著系統(tǒng)運(yùn)行，集熱量增加，集熱器出口溫度升高，相變儲熱箱開始工作，在3月份蓄放熱效率達(dá)到最大，然后外界環(huán)境溫度逐漸上升，原油靜儲熱負(fù)荷減少，相變儲熱箱放熱量減少，其蓄放熱效率逐漸降低。在11月份之后，外界環(huán)境溫度逐漸降低，原油靜儲熱負(fù)荷增加，相變儲熱箱放熱量增加，其蓄放熱效率開始上升。

圖3 相變儲熱箱蓄放熱量

圖4 各設(shè)備平均溫度

圖5為系統(tǒng)全年運(yùn)行時集熱器集熱量和原油靜儲熱負(fù)荷逐月變化趨勢。隨著系統(tǒng)運(yùn)行，原油靜儲熱負(fù)荷先減少后增加，1月時最大、7月時最??；集熱器集熱量先增加后減少，其中共8個月時間集熱量完全滿足原油靜儲熱負(fù)荷。圖6為不同月份原油供熱量占比，集熱器占比呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢；相變儲熱箱占比呈現(xiàn)先減少后增加的變化趨勢，在3月份達(dá)到最高為16.37%；輔助熱源僅在3月份之前為原油提供熱量，其余時間均由集熱器和相變儲熱箱共同提供。在11月、12月份，集熱器集熱量低于原油靜儲熱負(fù)荷，原油供熱量占比中集熱器最大。結(jié)合圖4可知，這是因為浮頂油罐體積較大且原油自身具有一定熱容量，在11月、12月原油溫度并未達(dá)到輔助熱源開啟條件，此時原油靜儲熱負(fù)荷主要由集熱器集熱量、相變儲熱箱蓄熱量和自身熱量組成。

圖5 集熱器集熱量和原油靜儲熱負(fù)荷逐月變化趨勢

圖6 不同月份原油供熱量占比

2.3 經(jīng)濟(jì)效益評估

為更好地證實太陽能相變維溫系統(tǒng)在原油加熱方面的經(jīng)濟(jì)前景，以太陽能維溫系統(tǒng)和鍋爐系統(tǒng)為參考進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益評估。引入年均投資費用作為評價指標(biāo)[17]，其公式為

(7)

式中AC——年均投資費用/元；

Ci——項目初投資費用/元；

i——投資貸款的復(fù)利率，一般取10%；

n——貸款還款年限，一般取供熱系統(tǒng)使用年限為15年；

A——年運(yùn)行費用/元。

公式(7)中年總投資費用由年均初投資和年運(yùn)行成本組成。其中年均初投資包括設(shè)備成本和人工成本。依據(jù)市場調(diào)研，本系統(tǒng)所需的設(shè)備成本為：石蠟4 550元/t，真空管集熱器500元/m2，循環(huán)水泵0.5萬元，管網(wǎng)和其他相關(guān)閥件共計7.4萬元，人工成本為設(shè)備成本總額的10%。系統(tǒng)中的相變儲熱箱由廢棄的小型油罐改造制成，改造費用為500元/m3，太陽能相變維溫系統(tǒng)、太陽能維溫系統(tǒng)、鍋爐系統(tǒng)的燃?xì)忮仩t價格分別為27萬元、36萬元、62萬元。年運(yùn)行成本主要來自于水泵耗電量和鍋爐的燃?xì)饬?。工業(yè)用天然氣價格為3.46元/m3，工業(yè)用電價格為0.55元/kWh。表1為計算得出各系統(tǒng)的年初投資、年運(yùn)行成本和年總投資費用。可以看出，太陽能相變維溫系統(tǒng)的年均初投資最高，年運(yùn)行成本和年總投資費用最低，太陽能相變維溫系統(tǒng)的年總投資費用相比于太陽能維溫系統(tǒng)和鍋爐系統(tǒng)可分別節(jié)省6萬元和54萬元，約6.9%和40%。

表1 各系統(tǒng)年初投資、年運(yùn)行成本和年總投資費用

3 結(jié)論

以大慶市某大型浮頂油罐為例，通過TRNSYS平臺搭建浮頂油罐太陽能相變維溫系統(tǒng)仿真模型，分析了系統(tǒng)全年運(yùn)行特性，引入年均總投資作為經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，對太陽能相變維溫系統(tǒng)、太陽能維溫系統(tǒng)和鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益評估，得到如下結(jié)論。

(1)建立的模型可用于浮頂油罐太陽能相變維溫系統(tǒng)運(yùn)行特性分析，其平均誤差低于6%。

(2)浮頂油罐太陽能維溫系統(tǒng)采用的相變儲熱箱具有較高的蓄放熱效率，能在大部分運(yùn)行時間內(nèi)與太陽能集熱器集熱量共同滿足原油靜儲熱負(fù)荷。

(3)相比于太陽能維溫系統(tǒng)和鍋爐系統(tǒng)，太陽能相變維溫系統(tǒng)年總投資費用可分別節(jié)省6.9%和40%。