太陽(yáng)能光伏光熱系統(tǒng)在原油集輸中的應(yīng)用研究

郝蕓，，呂少華，李慧，張雄，李陽(yáng)

（1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安 710065；2.長(zhǎng)慶油田第六采氣廠，陜西西安 710018）

1 概述

重質(zhì)原油的開(kāi)采以及集輸、處理等各個(gè)環(huán)節(jié)都需要耗費(fèi)大量的能源，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界用于石油生產(chǎn)和加工過(guò)程中消耗的油量占總生產(chǎn)油量的近10%，我國(guó)石油煉制工業(yè)所消耗的燃料油也占到了15%[1-2]。我國(guó)油氣集輸?shù)纳a(chǎn)能耗占到原油生產(chǎn)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(yáng)能引入到石油行業(yè)中，對(duì)降低原油生產(chǎn)成本、提高油田的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)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(yáng)能在油田得到了一定的應(yīng)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(yáng)能光伏和光熱相結(jié)合，設(shè)計(jì)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(yáng)能的光熱效應(yīng)直接對(duì)原油進(jìn)行加熱的同時(shí)，也將太陽(yáng)能光伏發(fā)電過(guò)程產(chǎn)生的熱能進(jìn)行高效利用，最后將光伏發(fā)電儲(chǔ)在電池內(nèi)的電能通過(guò)電磁加熱的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)化，全方位提高太陽(yáng)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(jié)合太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換和光伏發(fā)電的綜合型系統(tǒng)，如圖1所示。太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)反射鏡反射至光伏板上，光伏電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為直流電，經(jīng)過(guò)智能控制器的過(guò)充保護(hù)，將直流電儲(chǔ)存在太陽(yáng)能蓄電池中。井口所需要的壓力、溫度等信號(hào)傳輸用電可由蓄電池直接供電，通過(guò)DC/AC逆變器將蓄電池中直流電轉(zhuǎn)換為交流電后，可以給總控制柜和單井來(lái)油的加熱提供用電負(fù)荷。

太陽(yáng)光透過(guò)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(guò)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(shí)，還可加熱介質(zhì)。單井來(lái)油進(jìn)入光熱加熱管路進(jìn)行升溫，當(dāng)溫度達(dá)到工況要求時(shí)，直接將原油輸送，當(dāng)溫度低于工況要求時(shí)，井口加熱爐的燃料氣閥門(mén)開(kāi)啟，用井口加熱爐對(duì)原油進(jìn)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(yīng)圈。電磁控制器將太陽(yáng)能蓄電池中的交流電整流變成直流電，再將直流電轉(zhuǎn)換成高頻高壓電，高頻高壓電流流過(guò)線圈會(huì)產(chǎn)生高速變化的交變磁場(chǎng)，使鋼管快速發(fā)熱，從而達(dá)到加熱管內(nèi)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(yáng)能光伏光熱單元

3 太陽(yáng)能光伏光熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

3.1 太陽(yáng)輻射量的計(jì)算

太陽(yáng)的位置可以用高度角Sal和方位角Saz兩個(gè)角度來(lái)確定。太陽(yáng)高度角也可稱(chēng)為仰角，是地面上觀察點(diǎn)與太陽(yáng)中心連線（入射光線）和觀察點(diǎn)水平面之間的夾角，太陽(yáng)方位角為太陽(yáng)在觀察點(diǎn)水平面上的投影與正南方向的夾角，西南向?yàn)檎瑬|南向?yàn)樨?fù)，如圖3（a）中所示方位角為正。太陽(yáng)的高度角和方位角不便得到，需要借助觀察點(diǎn)緯度、赤緯角、時(shí)角等其他參數(shù)得到，見(jiàn)圖3（b）。

太陽(yáng)的高度角和方位角計(jì)算公式[10]如下：

式中：L 為當(dāng)?shù)赜?jì)算點(diǎn)的緯度，rad；δs為太陽(yáng)的赤緯角，rad；hs為太陽(yáng)計(jì)算時(shí)角，rad。

赤緯角和太陽(yáng)計(jì)算時(shí)角由公式（3）計(jì)算：

式中：day為所求日期在一年中的日子數(shù)；LST為當(dāng)?shù)靥?yáng)時(shí)，采用24小時(shí)制，即上午時(shí)太陽(yáng)時(shí)角為負(fù)值，下午時(shí)太陽(yáng)時(shí)角為正值，我國(guó)取北京時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)。

地球上任一點(diǎn)、任一天、日間內(nèi)任何時(shí)間，大氣層外水平面上太陽(yáng)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(shí)內(nèi)測(cè)得的太陽(yáng)輻照度為1 353 W/m2，也稱(chēng)太陽(yáng)常數(shù)。day為所求日期在一年中的日子數(shù)。

圖3 相關(guān)角度的幾何關(guān)系

3.2 能量平衡模型建立

投射到光伏電池表面上的太陽(yáng)能只有5%～20%轉(zhuǎn)化成電能，60%～70%的能量轉(zhuǎn)化成熱能被電池吸收[9]，電池吸收的熱能一部分通過(guò)玻璃罩散失到環(huán)境中，一部分被冷卻介質(zhì)吸收。太陽(yáng)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(yáng)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(chǎn)生的電量，W/m2，qE＝ηCG（η為光電轉(zhuǎn)換效率，取值0.15）；qC為介質(zhì)吸收的熱量，W/m2；qL為光伏光熱單元與周?chē)h(huán)境的損失，W/m2。

光伏光熱單元與周?chē)h(huán)境的能量損失，包括玻璃蓋板與周?chē)髿猸h(huán)境的輻射損失和對(duì)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?chē)h(huán)境溫度，K，Ta為300 K；hw為玻璃蓋板與周?chē)h(huán)境的對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；v為風(fēng)速，m/s，計(jì)算地年平均風(fēng)速為2 m/s。

3.3 應(yīng)用效果

以新疆某油田單井為例，不同季節(jié)一天內(nèi)，太陽(yáng)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(nèi)的太陽(yáng)高度角和方位角變化

由圖4 可以看出，相對(duì)其他季節(jié)，夏至?xí)r，日照時(shí)間最長(zhǎng)，太陽(yáng)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(shí)間最短，高度角和方位角變化也最小。

從圖5可知，隨著時(shí)間的推移，太陽(yáng)輻照度先增大后減小。對(duì)應(yīng)于春分、夏至、秋分和冬至中午12時(shí)，夏至?xí)r太陽(yáng)輻照度最高，可達(dá)1 255 W/m2，冬至?xí)r太陽(yáng)輻照度為625 W/m2，僅為夏至輻照度的50%，春秋時(shí)太陽(yáng)輻照度基本相同，分別為1 037 W/m2和1 017 W/m2。

圖5 一年內(nèi)大氣層外水平面太陽(yáng)輻照度

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

圖6 考慮太陽(yáng)高度角和方位角后秋分時(shí)太陽(yáng)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(zhuǎn)換效率14%，每天每平方太陽(yáng)輻照能量通過(guò)光伏電池產(chǎn)生23 MJ電能、77 MJ熱能。

經(jīng)計(jì)算，該區(qū)域油田單井產(chǎn)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(yáng)能加熱，需要的光伏電池面積為22 m2，因此產(chǎn)生的電量除了滿(mǎn)足井場(chǎng)信號(hào)要求外，還可實(shí)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(jié)論

通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能光伏光熱一體化系統(tǒng)的分析和算例計(jì)算，明確將太陽(yáng)能應(yīng)用在井口原油加熱輸送系統(tǒng)中的可行性。太陽(yáng)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(yáng)能加熱系統(tǒng)的正常運(yùn)行。對(duì)于一口產(chǎn)液量為45 t/d的單井，在保證白天利用太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)的前提下，其光伏系統(tǒng)所產(chǎn)生的電量不僅可以滿(mǎn)足井場(chǎng)信號(hào)要求，同時(shí)還可實(shí)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(dú)應(yīng)用太陽(yáng)能光熱加熱原油有明顯的優(yōu)勢(shì)。