太陽能原油加熱設(shè)計(jì)中太陽能保證率選取初探

解建輝（青海油田地面集輸工程公司）

我國油田供熱主要包括原油輸送系統(tǒng)的加熱和冬季生活區(qū)采暖兩部分。原油在集油儲(chǔ)油過程中普遍需進(jìn)行加熱與保溫至40～70℃，以保持良好的流動(dòng)性，而生活區(qū)采暖需要的熱水通常在80℃左右，兩者均為低品位熱用戶。目前油田普遍采用水套爐或電加熱爐供熱，而太陽能光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)在降低油田能耗的應(yīng)用主要包括三個(gè)方面：原油預(yù)熱，將原油預(yù)熱并維持在50℃以上，以利于儲(chǔ)存（保持其流動(dòng)性）；原油加熱，降低原油的黏度，明顯提高原油管輸?shù)妮斔湍芰?；水的加熱，利用太陽能?duì)稠油開采中要注入的熱水或蒸汽進(jìn)行加熱。如果油田廣泛采用太陽能光熱技術(shù)來保溫供暖，將大量節(jié)約能源，減少碳排放；可以消除因設(shè)備腐蝕及鍋爐運(yùn)行而存在的一系列不安全隱患。利用太陽能加熱原油是油田降低能源消耗，提高經(jīng)濟(jì)效益的可行性舉措，是推動(dòng)石油工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“碳達(dá)峰碳中和”的目標(biāo)。

1 太陽能保證率選用的依據(jù)

目前太陽能原油加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)由于沒有專門的石油行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，設(shè)計(jì)的依據(jù)主要是根據(jù)各地的《太陽能熱水設(shè)計(jì)、安裝與驗(yàn)收規(guī)范》[1-2]、GB 50364—2018《民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》[3]及GB/T 34377—2017《太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝及工程驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)進(jìn)行制訂和實(shí)施。其中太陽能原油加熱系統(tǒng)集熱器采光面積主要根據(jù)GB 50364—2018中相關(guān)公式來計(jì)算。太陽能保證率是指太陽能集熱系統(tǒng)來自太陽輻射的有效熱能與供暖系統(tǒng)所需熱負(fù)荷之比。太陽能集熱器采光面積的大小與太陽能的保證率又和太陽能原油加熱項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān)。因此太陽能原油加熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性原則是設(shè)備技術(shù)方案得以被采納的前提，是設(shè)備能以經(jīng)濟(jì)能耗運(yùn)行的基礎(chǔ)。

2 太陽能保證率選用對(duì)比分析

在對(duì)太陽能熱輻射的利用中，太陽能保證率體現(xiàn)了集熱系統(tǒng)對(duì)太陽能熱利用程度，它是設(shè)計(jì)太陽能集熱系統(tǒng)的重要參數(shù)（確定系統(tǒng)集熱面積的基本參數(shù)），是確定太陽能集熱系統(tǒng)長期性能的指標(biāo)，是判斷太陽能在一個(gè)供熱系統(tǒng)中所能發(fā)揮作用的評(píng)價(jià)指標(biāo)。因此，太陽能保證率選取無疑是一個(gè)非常重要的設(shè)計(jì)步驟。太陽能保證率的取值，在國家標(biāo)準(zhǔn)中并沒有給出明確數(shù)值，取值范圍為0.3～0.8，根據(jù)地區(qū)不同選取不同的數(shù)值。太陽能保證率見表1。

表1 太陽能保證率Tab.1 Solar guarantee rate

2.1 直接系統(tǒng)集熱器采光面積

以100 kW加熱爐太陽能加熱改造為例對(duì)太陽能保證率如何選取進(jìn)行論證：如柴達(dá)木盆地年平均太陽能輻照量取最小值6 680 MJ/m2，年日照時(shí)數(shù)取最小值3 200 h，年平均氣溫在1.2℃左右。根據(jù)加熱爐改造的參數(shù)，加熱爐的功率為100 kW，一天總輸出功率就是8 640 MJ，為提高太陽能原油加熱的可靠性按額定功率來計(jì)算集熱器采光面積。根據(jù)GB 50364—2018計(jì)算直接系統(tǒng)集熱器采光面積：

直接系統(tǒng)集熱器總面積（100 kW全天供熱計(jì)算）：

式中：Ac為直接系統(tǒng)集熱器總面積，m2；Qw為日均產(chǎn)水量（已知功率可由日均熱量得出）；tend為集熱箱內(nèi)水的溫度，90℃；ti為冷水初始水溫，取年平均氣溫1.2℃；Cw為水的定壓比熱容，4.187 kJ/(kg·℃)；JT為當(dāng)?shù)丶療崞鞑晒饷嫔系亩救站栞椪樟?，kJ/m2·h；f為太陽能保證率，無量綱，國標(biāo)取值0.3～0.8；ηcd為集熱器全日集熱效率，國標(biāo)取值0.25～0.6；按所選取的太陽能集熱器實(shí)測的熱效率取0.55；ηL為管路及儲(chǔ)水箱熱損失率，取值0.3。

2.2 太陽能保證率的選用

柴達(dá)木盆地太陽能保證率按0.6計(jì)算得出直接系統(tǒng)集熱器總面積為742.69 m2；按0.8計(jì)算為990.25 m2。太陽能資源貧乏地區(qū)取值0.3，則計(jì)算出直接系統(tǒng)集熱器總面積僅為371.34 m2。因此太陽能保證率的選取，直接影響所設(shè)計(jì)集熱系統(tǒng)集熱面積的大小，并且這個(gè)數(shù)值差異較大。原油加熱系統(tǒng)的成本主要集中在集熱器上，而項(xiàng)目的投資與集熱器的面積大小成一定比例的增長關(guān)系，因此，在太陽能資源貧乏地區(qū)直接系統(tǒng)集熱器總面積反而會(huì)小，以減少投資總額。太陽能原油加熱原理見圖1。

圖1 太陽能原油加熱原理Fig.1 Solar crude oil heating principle

2.3 太陽能保證率與投資成本的關(guān)系

太陽能原油加熱系統(tǒng)總投資為集熱器成本、換熱器成本、儲(chǔ)能成本、循環(huán)泵閥管線成本、控制電路成本之和。對(duì)某一特定原油加熱項(xiàng)目來講，額定輸出熱功率是定數(shù)，則換熱器成本和循環(huán)泵閥成本及控制器成本基本與太陽能保證系數(shù)關(guān)聯(lián)較小，而集熱器投資成本與太陽能保證系數(shù)成正比，在特定條件下儲(chǔ)能成本與太陽能保證系數(shù)成線性函數(shù)關(guān)系（太陽能保證率低于標(biāo)準(zhǔn)光照時(shí)長時(shí)與全年時(shí)長之比時(shí)不需要儲(chǔ)能）。

如果把這兩個(gè)變量分別作為點(diǎn)的橫坐標(biāo)（太陽能保證系數(shù)）與縱坐標(biāo)（儲(chǔ)能成本），其圖象是平面上的一條弧線，則這兩個(gè)變量之間的關(guān)系就是線性函數(shù)關(guān)系。太陽能保證系數(shù)選取值越大，項(xiàng)目的投資就相應(yīng)加大。

從另一個(gè)角度來看太陽能保證率實(shí)際上是系統(tǒng)來自太陽的有效熱能與系統(tǒng)所需熱負(fù)荷之比。太陽能保證率也可以看成太陽能在原油加熱系統(tǒng)的節(jié)能率；如100 kW天然氣加熱爐1 h理論耗天然氣為11.5 m3左右，每方天然氣價(jià)格為2.39元，則每年燃料費(fèi)為24.076 9萬元。當(dāng)太陽能保證率取0.3時(shí)每小時(shí)輸出100 kW太陽能原油加熱系統(tǒng)則年節(jié)約燃料費(fèi)為7.223萬元；太陽能保證率如取0.8則年節(jié)約燃料費(fèi)為19.262萬元；也就是說太陽能保證率與節(jié)能效益成正比。

2.4 太陽能保證率的理解分析

針對(duì)太陽能保證率還可以有以下兩種理解：

1）對(duì)于太陽能加熱系統(tǒng)在全年中保證完全可利用的太陽能的天數(shù)。比如，除去陰雨、下雪天氣等不滿足太陽能輻照強(qiáng)度的天數(shù)后，全年可利用的太陽能滿足系統(tǒng)供熱的天數(shù)為172 d，則太陽能的保證率為47.1%；也可理解太陽能保證率為年平均獲得太陽輻射能量的滿足需要的天數(shù)與全年天數(shù)之比，即為一年內(nèi)所需的熱量與太陽能所提供的能量的比例，這是一個(gè)能利用太陽能時(shí)間的百分比[4-6]。

2）太陽能熱水系統(tǒng)在一天中，保證可利用的太陽能的小時(shí)數(shù)和24 h之比，而且這個(gè)數(shù)要用全年的平均數(shù)；因?yàn)橐荒晁募咎柲芾玫臅r(shí)間是長短不一的，冬天太陽能日均總輻射量低日照時(shí)間較短，而夏天日均總輻射量高日照時(shí)間較長，全國各地太陽能總輻射量與年平均日照當(dāng)量見表2。

表2 全國各地太陽能總輻射量與年平均日照當(dāng)量Tab.2 Total solar radiation and annual average sunshine equivalent across the country

柴達(dá)木盆地的年日照時(shí)間為：3 200～3 300 h，而一年為8 760 h，按日照時(shí)間算一年太陽能的保證率為0.365。在太陽能資源豐富的柴達(dá)木盆地一年也只有36.5%的時(shí)間可利用太陽輻射資源。這必然導(dǎo)致要獲得較高的太陽能保證率勢必加大儲(chǔ)能部分的投資。

另外，由于天氣方面的不確定性，能滿足正常天氣情況下的儲(chǔ)備卻無法滿足極端天氣下的連續(xù)供熱，如果100%利用太陽能也會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能成本急劇上升。因?yàn)閺募夹g(shù)保證角度看，若100%采用太陽能供熱，經(jīng)濟(jì)適用性很差，同時(shí)還存在技術(shù)實(shí)施難度較大、投資過大等不利因素，因此必須設(shè)計(jì)有輔助加熱裝置。

太陽能保證率取0.3～0.8之間易獲得較經(jīng)濟(jì)的投資效益，兩條函數(shù)相交有剖面線區(qū)域是太陽能原油加熱良好的投資區(qū)。

此外太陽能保證率可以通過測試獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，太陽能保證率的測試分為單天太陽能保證率測試和長期太陽能保證率測試。單天太陽能保證率測試是為防止輔助能源提供的能量過多，而太陽能作為配角的情況下提升太陽能利用率；長期太陽能保證率測試是在系統(tǒng)長期運(yùn)行下得出系統(tǒng)運(yùn)行的長期性能，并能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行長期性能預(yù)測。而設(shè)計(jì)太陽能原油加熱系統(tǒng)要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)必須考慮長期太陽能保證率來選取設(shè)計(jì)參數(shù)。在通常情況下，由于陰、雨、雪天氣的存在，全年太陽能保證率不可能等于1，但是對(duì)于某個(gè)較短的時(shí)段而言，太陽能保證率有可能大于1，即太陽能可以提供的熱量可以超出系統(tǒng)的總耗熱量。因此在設(shè)計(jì)原油加熱系統(tǒng)時(shí)為了盡可能利用太陽能，在計(jì)算集熱器面積時(shí)可以選取某階段太陽能保證率值為1，工程設(shè)計(jì)中可以按冬季平均太陽輻射熱量選取太陽能保證率等于1計(jì)算集熱器面積，但儲(chǔ)能時(shí)長不能大于24 h減去一天中平均日照當(dāng)量時(shí)長后所得的數(shù)值；如按表2中柴達(dá)木標(biāo)準(zhǔn)光照下年平均日照時(shí)件為：5.08～6.3 h。則可選取最大儲(chǔ)能滿足系統(tǒng)需要的時(shí)間為18.92 h。這樣可以保證正常氣候條件下盡可能利用太陽能，但必須設(shè)計(jì)有輔助供熱系統(tǒng)以應(yīng)對(duì)極端天氣下原油加熱系統(tǒng)的正常運(yùn)行，也就是說長期太陽能原油加熱系統(tǒng)中由太陽能實(shí)際提供的熱量占系統(tǒng)總耗熱量的百分比不能等于1，短期可以讓太陽能保證率等于或大于1，在太陽能資源豐富I區(qū)，短期蓄熱系統(tǒng)太陽能保證率大于60%。春季，夏季和秋季太陽能輻射較強(qiáng)的時(shí)間內(nèi)太陽能保證率平均值可以100%，這樣有利于更經(jīng)濟(jì)有效地利用太陽能[7-10]。

3 結(jié)論

1）太陽能保證率與節(jié)能效益密切相關(guān)；太陽能保證率是確定所需太陽能集熱器總面積的一個(gè)關(guān)鍵因素，是指在一定周期時(shí)間段內(nèi)太陽能熱水系統(tǒng)中太陽能可以提供的熱量占系統(tǒng)總耗熱量的百分比。若總投資成本函數(shù)的斜率大于太陽能投資效益曲線的斜率說明太陽能保證率取值過大，應(yīng)減小太陽能保證率的取值，太陽能保證率取值直接關(guān)系到用戶的投資的大小和年均使用成本。因此需在考慮儲(chǔ)能成本和太陽能熱水系統(tǒng)初期建設(shè)成本的基礎(chǔ)上，有必要建立完整的系統(tǒng)性能和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)體系，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、能效、環(huán)保、安全與維護(hù)等因素，設(shè)計(jì)時(shí)需兼顧節(jié)能效益和用戶的年均使用成本。

2）太陽能保證率體現(xiàn)了太陽能集熱系統(tǒng)對(duì)太陽能熱利用程度，太陽能原油加熱在計(jì)算集熱面積的時(shí)候，從節(jié)能的角度出發(fā)，太陽能保證率如果取值過低，則太陽能原油加熱系統(tǒng)淪為配角節(jié)能效益不明顯；在設(shè)計(jì)原油加熱系統(tǒng)時(shí)為了盡可能利用太陽能，為防止輔助能源提供的能量過多引起節(jié)能效益不佳，設(shè)計(jì)時(shí)可以按單日所需的熱能可以選取太陽能保證率等于1計(jì)算集熱器面積，這樣可以保證正常氣候條件下盡可能利用太陽能，獲取較高的節(jié)能效益。由于存在天氣方面的不確定性，因此從長期，從原油加熱的穩(wěn)定性和安全性考慮，為了提高節(jié)能效益即使設(shè)計(jì)時(shí)選取太陽能保證率等于1，也必須設(shè)計(jì)輔助加熱系統(tǒng)，并且長期太陽能實(shí)際提供的熱量占系統(tǒng)總耗熱量的百分比不能等于1。

3）太陽能原油加熱集熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)根據(jù)不同太陽能保證率來確定系統(tǒng)的投資成本，可通過投資的增長率和節(jié)能效益的增長率進(jìn)行對(duì)比分析來確定最經(jīng)濟(jì)的太陽能集熱面積和儲(chǔ)能成本，由于100%的太陽能供熱對(duì)儲(chǔ)能要求高，儲(chǔ)能應(yīng)以滿足正常天氣下供熱的要求即可，極端天氣下的儲(chǔ)能不予考慮，在保證節(jié)能效益最大化的條件下，在技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的條件下，對(duì)工藝流程和設(shè)備盡量簡化，以便降低工程造價(jià)和建設(shè)工期。