单井拉油储油罐太阳能加温节能技术的应用

沈国辉（中国石油冀东油田陆上油田作业区）

单井拉油储油罐在各大油田的边远地区都普遍存在，该储罐存在的弊端是在北方冬季气温接近0℃时，储罐内原油无法放出，只有给储罐内原油加温才能保证原油正常拉运。目前普遍采用电加热棒加温的方式，但也存在不足。首先是高消耗，电热转化率低，造成电能的浪费，需要有一种加热方式替代电加热棒对储油罐维温加热；其次容易产生局部受热，受热表面温度超过300℃，对油品破坏较大；三是存在安全隐患，若产生漏电，将会造成安全事故；四是容易结垢，不易清理。

1 单井拉油储油罐太阳能加温技术

鉴于偏远井站单井拉油储油罐使用电加热棒耗电量大、维护费用高这两方面的因素，陆上油田作业区采用了太阳能加温节能技术，确保了冬季罐体温度，达到了节约电能的目的。该技术装置配置了专用太阳能液晶控制仪，操作简单，运行稳定，抗干扰性强；还具备自动循环、自动加热、加热器保护、防冻保护、缺液报警等功能。另外，该装置采用循环水加热，改变了电加热棒与原油直接接触的加热方式，实现了本质安全。

1.1 系统组成

太阳能-电加热储运系统主要包括水路装置、储油装置、控制装置。控制装置分别与水路装置和储油装置电路连接；水路装置和储油装置通过加热盘管连接，其中水路装置由水箱、电加热器、集热器、加热盘管、循环水泵等组成；储油装置由磁效液位仪、油罐及其附件组成；控制装置由控制箱、控制器等附件组成。

1.2 系统工作原理

油井产液经单井管线封闭进入油罐后，在正常太阳能辐射下，依靠太阳能加热。循环泵开启，热水箱的低温热水经控制阀门进入太阳能集热器，加热后进入储水箱，再通过循环泵进入加热盘管，与原油换热后经控制阀门回到蓄热水箱。在太阳能不足的条件下，启动电加热器加热。整套系统采用温差自动控制，使油罐的温度始终保持在恒温状态。油罐内装有磁效液位仪与控制箱连接，能简便准确地计量出油井瞬时产量和累计产量。在油罐侧面有一出油口，拉油时，启动管道泵装车。

利用太阳能加热水介质，再通过换热器让加热介质与原油充分换热。同时，在太阳能热循环中设置1个保温水箱，用于太阳能储热与热量储存。太阳能加热原理如图1所示。

1）当太阳能辐照量足够时，开启循环泵P1，热媒介质从储水箱中抽出，经阀门V1，进入太阳能集热阵列；被太阳能加热的热媒介质经阀门V2，进入换热器，此时阀门V4关闭，热媒介质与原油换热后经过V3，返回储热箱。

2）当太阳能辐照量富裕时，在保持阀门V2开启的情况下，同时开启阀门V4，被太阳能加热后的部分热媒介质经阀门V4进入储热箱，使富余的热媒介质储存起来。

3）当太阳能辐照量不足时，开启循环泵P2，热媒介，经阀门V5、V6进入换热器，此时阀门V2关闭。热媒介质与原油交换后，经阀门V3返回储热箱，此时启动辅助加热装置（热媒介质为水，辅助加热为电加热）。

因太阳能加热系统用热连续供应，要求稳定可靠，而太阳辐射受昼夜、季节、纬度和海拔高度等自然条件的限制和阴雨天气等随机因素的影响，存在较大的间歇性和不稳定性。因此，为了保证生产正常运行，在太阳能加热系统中，必须设置辅助热源，而原有电加热棒可作为辅助热源。

1.3 太阳能集热器的选型与计算

1.3.1 热水系统的集热器

常用太阳热水系统的集热器有平板型集热器、全玻璃真空管集热器、热管式真空管集热器。3种形式集热器的比较见表1。

表1 3种形式集热器的比较

唐海地区历年极端最低气温为-25.5℃，最低月平均气温为-2.5℃。由表1可见，热管式真空管集热器在耐冰冻能力和承压能力上优于平板式集热器和全玻璃真空管式集热器，是唐海地区的最佳选择，拟选用热管式真空管集热器作为此节能改造项目的太阳能集热器。

1.3.2 热管的工作原理

超导热管的工作介质由多种无机活性金属及其化合物混合而成，具有超常的热活性和热敏感性，遇热而吸，遇冷而放。这种热超导工质在一定温度下被激活，并以分子震荡形式来传递热量；它超强导热性能使其导热系数是一般金属的1万倍左右，是水热管的10倍左右，在传导方向上几乎没有温度的衰减并能以极快的速度传递（超音速传递），见图2。

1.3.3 热管式真空管集热器性能参数（表2）

表2 热管式真空管集热器性能参数

1.3.4 热管式真空管集热器特征

1）采用热管作为主要热交换部件，使集热器具有较好的抗冻性能。

2）集热器水流道内壁光滑、流程短、不易结垢、水阻力小。

3）真空玻璃集热管内无水，不会产生高温激冷爆管现象，且在各种非正常使用条件下，玻璃管损坏无漏水之弊。

根据GB50495—2009《太阳能供热采暖工程技术规范》第3.4.3条款，加热系统太阳能集热器总面积按下式计算：

式中：

Ac——系统集热器采光面积，m2；

Q——所需热量，kJ；

Jt——当地春分或秋分所在月集热器受热面上月均日辐照量，此处取冬季平均日辐照量，J/（m2·d）；

f——太阳能保证率，无量纲；

ηcd——集热器全日集热效率；

ηL——管路、储热箱、换热器热损失率。

1.3.5 集热循环泵的选型与计算

选择水泵要以节能为原则，使水泵在太阳能加热系统中保持高效运行；在满足扬程和流量的要求下，应选择功率较小、低噪音、耐热的泵。

1）集热循环泵流量qXL

式中：

B2——集热器的单位面积流量，L/（m2·s）；

A——集热器的面积，m2。

集热器单位面积流量一般可按0.02L/（㎡·s）进行估算。

2）集热循环泵扬程H

H1——集热器的水头损失，m；

H2——集热系统沿程及局部水头损失，m；

当集热器的单位面积流量B2＝0.02L/m2·s时，单个集热器的阻力一般为0.05m/m2。

2 加热特点

利用成熟的太阳能加热技术替代电加热棒对储油罐维温加热，有以下几方面的优势：

◇不存在安全隐患，不会有漏电事故发生；

◇不会产生废渣、废水、废气，也没有噪音，不会造成污染和公害；

◇随地可取，不存在运输问题；

◇因由光能转化成热能，减少了常规能源的消耗。

3 现场应用

陆上油田作业区现有单井拉油平台46个，2009年至今已经在G3104、N80等14个平台应用了储油罐太阳能加温技术。通过对该装置综合参数的调试结果证明，该技术能够满足单井拉油储油罐的温度要求，平均温度可达到40～45℃，实现了平稳、经济运行。

4 效益评价

1）每个储罐内有2根12kW的电加热棒，冬季运行4个月，每天加热16h。按照单耗电费计算，每个储罐每年耗电24×16×120=46080kWh，费用39168余元。已经更换太阳能的29个储油罐1年节电1336320kWh，节省费用114万元。具体效果对比见表3。

表3 太阳能加热装置效果对比

2）每套太阳能加热节能装置，安装投入费用约为16万元，14套共计投入资金224万元；投入产出比为1∶1.96，投入回报周期[1]约为2年。

5 结论及建议

单井拉油储油罐太阳能加温技术较好地解决了以往电加热棒加热耗电量大、维护费用高等问题，起到了节能减排的作用。该技术装置操作简单，自动化程度高，便于管理，也可应用到单井拉油点井口及地面管线的加温。

[1]刘力,曾宣慰,佘小兵,等.拉油井组储罐原油太阳能加热技术[J].油气田地面工程,2003,29(3):83.