太阳能加热原油系统设计及热力学性能分析

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2023.01.008

辽宁石油化工大学学报 ›› 2023, Vol. 43 ›› Issue (1): 43-48.DOI: 10.12422/j.issn.1672-6952.2023.01.008

太阳能加热原油系统设计及热力学性能分析

林长华¹(), 李洋¹^,²(), 陈红伟¹, 钱伟强¹, 邓连军³

^1.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺 113001
^2.哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150001
^3.恒泰艾普（盘锦）企业发展有限公司，辽宁盘锦 124000

收稿日期:2022-03-22 修回日期:2022-05-23 出版日期:2023-02-25 发布日期:2023-03-13
通讯作者: 李洋
作者简介:林长华（1996⁃），男，硕士研究生，从事油气采输中清洁能源利用方面的研究；E⁃mail：linchanghua0626@163.com。
基金资助:
国家自然科学基金项目(52006094);辽宁省教育厅科学研究项目(L20200045);抚顺市“抚顺英才计划”项目(FSYC202107007)

Design and Thermodynamic Performance Analysis of Solar Heating Crude Oil System

Changhua Lin¹(), Yang Li¹^,²(), Hongwei Chen¹, Weiqiang Qian¹, Lianjun Deng³

^1.College of Petroleum Engineering，Liaoning Petrochemical University，Fushun Liaoning 113001，China
^2.School of Energy Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin Heilongjiang 150001，China
^3.LandOcean （Panjin） Enterprise Development Co. ，Ltd. ，Panjin Liaoning 124000，China

Received:2022-03-22 Revised:2022-05-23 Published:2023-02-25 Online:2023-03-13
Contact: Yang Li

摘要/Abstract

摘要：

能源短缺和环境污染问题一直是世界所关注的热点。采用油、气、电加热原油，不仅能耗高，而且环境污染严重，太阳能作为一种可持续发展的清洁能源，已成为各国关注的焦点。为此，设计了一套太阳能加热原油系统，选择了安全且易获得的空气作为传热流体。太阳能加热原油系统由太阳能吸热器、蓄热器、原油换热器以及电热炉组成，吸热器接收太阳辐射后温度上升，空气经过吸热器获得高温，高温空气进入换热器中加热原油。建立了用于太阳能加热原油系统热力学性能分析的数学模型，并对模型进行了验证；利用Aspen Plus软件对加热过程进行了热力学分析。结果表明，压缩机和预热器是?损较大的部件，当压缩机的压比达到2.7时，太阳能加热原油系统达到最佳状态；在最佳状态下，太阳能加热原油系统的热效率为72.35%，?效率为73.89%，余热回收效率为72.33%。

关键词: 太阳能, 原油, 热力学, 模拟, 性能分析

Abstract:

Energy shortage and environmental pollution have always been the focus of the world's attention. The use of oil, natural gas, and electricity to heat crude oil has high energy consumption and serious environmental pollution. Solar energy, as sustainable and clean energy, has become the focus of researchers from all over the world.Thus, a solar heating crude oil system was designed, and safe and easily available air was selected as the heat transfer fluid. The system consists of a solar receiver, a heat accumulator, a crude oil heat exchanger, and an electro?thermal furnace. The heat receiver receives solar radiation and the temperature rises. The air passes through the heat absorber to obtain high temperature, and the high temperature air enters the heat exchanger to heat the crude oil. A mathematical model for the analysis of the thermodynamic performance of the solar heating crude oil system was established, and the model was verified. Then, the Aspen Plus software was used to conduct thermodynamic analysis of the heatingprocess. The results show that the compressor and the preheater are the components with large exergy loss. When the pressure ratio of the compressor is 2.7, the system reaches its best state. At this situation, the thermal efficiency is 72.35%, the exergy efficiency is 73.89%, and the waste heat recovery efficiency is 72.33%.

Key words: Solar energy, Crude oil, Thermodynamics, Simulation, Performance analysis

中图分类号:

TE08

林长华, 李洋, 陈红伟, 钱伟强, 邓连军. 太阳能加热原油系统设计及热力学性能分析[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2023, 43(1): 43-48.

Changhua Lin, Yang Li, Hongwei Chen, Weiqiang Qian, Lianjun Deng. Design and Thermodynamic Performance Analysis of Solar Heating Crude Oil System[J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2023, 43(1): 43-48.

图/表 9

图1 太阳能加热原油系统示意图1.空气预热器；2.碟式太阳能聚集器；3.蓄热器；4.辅助热源；5.原油换热器；6.电热炉；7.市电；8.计算机能量管理系统；9.数据采集系统；10.干燥系统；11—16.自动控制阀门；17—19.温度、压力测控计；20.泵；21.空气压缩机

表1 原油的实沸点收率与API度

沸点范围/℃	收率/%	API/（°）
200～＜225	4.19	33.2
225～＜250	6.19	30.3
250～＜275	8.98	27.7
275～＜300	12.31	25.0
300～＜325	15.62	24.1
325～＜350	18.73	22.2
350～＜375	23.18	19.9
375～＜400	27.49	17.9
400～＜425	32.35	17.2
425～＜450	37.31	16.2
450～＜475	43.72	15.2
475～＜500	49.46	14.4

图2 太阳能加热原油系统主要加热方式流程图

表2 各部件?效率及?损计算公式

部件名称	㶲损	㶲效率
压缩机和泵	$E x l o s s = ∑ j E x j o u t - ∑ j E x j i n - W i$	$η e x = (∑ j E x j o u t - ∑ j E x j i n) / W i$
预热器和换热器	$E x l o s s = ∑ j E x j, h i n + ∑ j E x j, c i n - ∑ j E x j, h o u t + ∑ j E x j, c o u t$	$η e x = (∑ j E j, h o u t - ∑ j E x j, c i n) / (∑ j E x j, h i n - ∑ j E x j, h o u t)$
太阳能吸热器	$E x l o s s = ∑ j E x j i n - ∑ j E x j o u t - E x Q$	$η e x = (∑ j E x j o u t - ∑ j E x j i n) / E x Q$

表2 各部件?效率及?损计算公式

部件名称	㶲损	㶲效率
压缩机和泵	$E x l o s s = ∑ j E x j o u t - ∑ j E x j i n - W i$	$η e x = (∑ j E x j o u t - ∑ j E x j i n) / W i$
预热器和换热器	$E x l o s s = ∑ j E x j, h i n + ∑ j E x j, c i n - ∑ j E x j, h o u t + ∑ j E x j, c o u t$	$η e x = (∑ j E j, h o u t - ∑ j E x j, c i n) / (∑ j E x j, h i n - ∑ j E x j, h o u t)$
太阳能吸热器	$E x l o s s = ∑ j E x j i n - ∑ j E x j o u t - E x Q$	$η e x = (∑ j E x j o u t - ∑ j E x j i n) / E x Q$

表3 模型的验证结果

模型	热效率/%	㶲效率/%
相对误差/%	1.96	0.45
本文	86.43	84.96
文献[30]	84.74	84.58

图3 压比对太阳能加热原油系统评价指标的影响

图4 压比对太阳能加热原油系统各部件?损率的影响

图5 压比对太阳能加热原油系统各部件?效率的影响

图6 最佳压比下有/无预热器时太阳能加热原油系统的热效率、?效率和余热回收效率

参考文献 30

1	Chepeliev M，van der Mensbrugghe D.Global fossil⁃fuel subsidy reform and paris agreement［J］.Energy Economics，2020，85：104598.
2	Mahmoudab M，Ramadancd M，Nahera S，et al.The impacts of different heating systems on the environment：A review［J］.The Science of the Total Environment，2021，766（25）：142625.
3	廖仁杰，李淑兰.太阳能利用现状与发展前景［J］.应用能源技术，2007（5）：28⁃33.
4	Lewis N S.Toward cost⁃effective solar energy use［J］.Science，2007，315（5813）：798⁃801.
5	刘东，于海童，杨震，等.超薄膜吸收器在太阳能光解水制氢中的应用［J］.化工学报，2015，66（S1）：297⁃301.
6	Liu X Y，Chen D J，Zhang W J，et al.An assessment of the energy⁃saving potential in China's petroleum refining industry from a technical perspective［J］.Energy，2013，59：38⁃49.
7	王岗，全贞花，赵耀华，等.太阳能⁃热泵复合供能系统［J］.化工学报，2017，68（5）：2132⁃2139.
8	Mohamad A A.Integrated solar collector⁃storage tank system with thermal diode［J］.Solar Energy，1997，61（3）：211⁃218.
9	Lasich J，Kaila N.Helitherm⁃solar power throughput enhancement and heat tracing for heavy oil pipelines［C］//SPE International Thermal Operations and Heavy Oil Symposium.Margarita Island：［s.n.］，2001.
10	Abdibattayeva M，Bissenov K，Askarova G，et al.Transport of heavy oil by applying of solar energy［J］.Rigas Tehniskas Universitates Zinatniskie Raksti，2021，25（1）：879⁃893.
11	孟凤果，滑洁，潘蒙.原油集输系统太阳能集热器电辅加热的智能控制［J］.油气田地面工程，2009，28（3）：11⁃12.
12	盖超.热泵技术在辽河油田中的应用［J］.中国新技术新产品，2011（1）：121.
13	单朝玉，胡强.稠油加温用上太阳能［J］.中国石油石化，2008（13）：79.
14	李建馨，刘大勇，李登金，等.太阳能加温技术在原油生产中的应用［J］.资源节约与环保，2008，24（3）：42⁃43.
15	Khalid A，Ibrahim D.Analysis and assessment of using an integrated solar energy based system in crude oil refinery［J］.Applied Thermal Engineering，2019，159：113799.
16	李武平，武玉双，李小永，等.太阳能光电一体化技术在原油加热系统中的应用［J］.石油石化节能，2021，11（3）：13⁃16.
17	郝芸，吕少华，李慧，等.太阳能光伏光热系统在原油集输中的应用研究［J］.石油石化绿色低碳，2020，5（3）：69⁃72.
18	刘宏亮，李静静，高中显，等.油田集输站场槽式聚焦太阳能加热技术研究与应用［J］.石油石化节能，2019，9（10）：20⁃22.
19	王学生，王如竹，吴静怡，等.太阳能加热输送原油系统应用研究［J］.油气储运，2004，23（7）：41⁃45.
20	付在国，高欢，张涛，等.太阳能加热原油储运系统热负荷匹配计算［J］.油气储运，2019，38（11）：1306⁃1310.
21	陈海飞，徐贤，陆莉鋆，等.一种高倍聚光型太阳能蓄热器的设计研究［J］.能源工程，2019（4）：35⁃38.
22	Meng X L，Xia X L，Zhang S D，et al.Coupled heat transfer performance of a high temperature cup shaped porous absorber［J］.Energy Conversion and Management，2016，110：327⁃337.
23	Schwarzboezl P，Buck R，Sugarmen C，et al.Solar gas turbine systems：Design， cost and perspectives［J］.Solar Energy，2006，80（10）：1231⁃1240.
24	Peng S，Hong H，Jin H G，et al.An integrated solar thermal power system using intercooled gas turbine and Kalina cycle［J］. Energy，2012，44（1）：732⁃740.
25	朱瑞，徐玉杰，李斌，等.太阳能蓄热式压缩空气储能系统特性分析［J］.太阳能学报，2019，40（6）：1536⁃1544.
26	薛久明，刘道平，杨亮.基于不同压力下的Einstein制冷循环系统性能分析［J］.化工进展，2017，36（S1）：101⁃106.
27	Regulagadda P，Dincer I，Naterer G F.Exergy analysis of a thermal power plant with measured boiler and turbine losses［J］. Applied Thermal Engineering，2010，30（8⁃9）：970⁃976.
28	王宇波，全贞花，靖赫然，等.多能互补协同蓄能系统热力学分析与运行优化［J］.化工学报，2021，72（5）：2474⁃2483.
29	张丽，王文武，张智恩，等.一种天然气液化和CO₂捕集相结合的余热回收发电系统［J］.化工学报，2019，70（1）：261⁃270.
30	杨天锋.太阳能高温集热储热燃气轮机发电系统构建及关键问题研究［D］.杭州：浙江大学，2017. （编辑宋锦玉）

[1]	高势云, 邓子龙, 高兴军, 何艳. 基于ABAQUS的超声椭圆振动车削钛合金TC4数值分析[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2023, 43(5): 61-67.
[2]	周振, 张云宝, 王承州, 詹兆海, 郑旭林, 陈丹丰. “弱凝胶+水基微球”组合调驱数值模拟量化的表征研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2023, 43(4): 72-77.
[3]	赵静, 刘添翼, 李强, 张晓欣, 秦玉才, 宋丽娟. NaX分子筛吸附分离CO₂/CH₄的巨正则蒙特卡洛模拟[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2023, 43(2): 13-19.
[4]	张富强, 王坤, 高丽娟, 王多琦, 黄启玉. 玻璃钢管壁/原油界面特性对高含水原油低温集输的影响[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2023, 43(2): 42-46.
[5]	黑树楠, 王坤, 郑春星, 缪建成, 黄启玉. 含气高含水率原油低温集输温度确定方法研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2023, 43(1): 32-37.
[6]	邹思雨, 任建民, 朱向哲. 新型单螺杆挤出机组合螺杆混合特性分析[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2023, 43(1): 54-60.
[7]	林丽彬, 林成, 郭丽丽, 莫永星, 杨静怡, 崔建潇, 彭贤民. 基于余氏理论及元胞自动机的Ti⁃2Nb合金组织模拟[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(6): 60-65.
[8]	王首德, 刘德俊, 马辽. 含蜡原油管道化学防蜡剂研究进展[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(6): 8-15.
[9]	李国豪, 万宇飞, 钱欣, 刘春雨, 姜智斌. 基于组分追踪的水合物抑制剂注入量计算[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(4): 32-36.
[10]	王廷玺, 朱向哲, 吴婷婷. 偏心三螺杆挤出机混合机理分析[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(4): 53-58.
[11]	陈树军, 裴剑霖, 付越, 张亚雪. 改性MCM⁃41孔内水分子吸附扩散行为的模拟研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(3): 1-7.
[12]	伍轶鸣, 姚琨, 刘艳, 李湘云, 吴蜜蜜, 成荣红. 凝析气藏注气提高采收率数值模拟研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(3): 51-55.
[13]	徐冰, 李小玲, 吴玉国. 天然气管道肋条减阻数值分析[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(3): 56-61.
[14]	李嘉宁, 杜胜男, 范开峰, 晁凯, 黄雪松, 李伟, 王卫强. 多起伏大高差油气混输管道停输和再启动瞬态流动规律研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(2): 55-60.
[15]	张鹏飞, 孟宇, 王东阳, 朱向哲. 长短棱长度比对4WS转子密炼机混合特性的影响[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2022, 42(2): 73-78.

太阳能加热原油系统设计及热力学性能分析

Design and Thermodynamic Performance Analysis of Solar Heating Crude Oil System

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