太阳能储热井口原油加热系统性能研究

doi:10.12422/j.issn.1006-396X.2025.01.007

摘要/Abstract

摘要：

在原油集输过程中，采用燃气或电能在井口对其进行加热降黏，易造成大量的能源消耗和环境污染。太阳能光热技术是一种高效清洁的新能源技术，将该技术与储热技术耦合，可以规避太阳能不稳定的缺点，满足原油降黏和固定加热需求，减少电能消耗，助力“双碳”目标。对一种基于储热装置（TES）和平板式太阳能集热器（FPC）的井口原油加热系统进行研究，对系统中FPC、原油加热器进行了设计选型；以胜利油田为系统应用场景，分析和计算了当地冬季半年（10月至次年3月）太阳辐射资源和井口原油加热需求量，合理配置了集热面积为152 m²的FPC及17~20 m³的冷热水储罐，给出了不同辐射量下系统的运行方案。结果表明，该系统可使油田井口采出液升温25 ℃，每日连续工作24 h，冬季半年内可减少CO₂排放54.25 t，节约运行成本5.30万元，具有良好的节能减排效益和经济效益。

关键词: 太阳能热利用, 原油加热, 储热装置, 节能, 系统运行

Abstract:

In the process of crude oil gathering and transportation,the use of gas or electric energy at the wellhead for its heating and viscosity reduction is prone to cause a large amount of energy consumption and environmental pollution.Solar photovoltaic technology is an efficient and clean new energy technology coupling this technology with thermal storage technology can circumvent the shortcomings of solar energy instability,meet the needs of crude oil viscosity reduction and fixed heating,reduce the consumption of electric energy,and contribute to the carbon peak and carbon neutrality goal.A wellhead crude oil heating system based on thermal energy storage device (TES) and flat-plate solar collector (FPC) is studied,and FPC and crude oil heater in the system are designed and selected.Taking Shengli oilfield as the application scenario of the system,we analyzed and calculated the solar irradiation resources and the heating demand of crude oil at the wellheads in the winter half year (October to March),and reasonably configured the FPC with a heat collection area of 152 m² and the 17~20 m³ hot and cold water tanks,and gave the operation scheme of the system under different irradiation amounts.The results show that the system can warm up the oilfield wellhead extractive fluid by 25 ℃,work continuously for 24 h per day,reduce carbon dioxide emission by 54.25 t in winter and half a year,and save operation cost by 53 000 yuan,which has good energy-saving and emission reduction benefits and economic benefits.

Key words: Solar thermal utilization, Heating of crude oil, Thermal energy storage installation, Energy saving, System operation

中图分类号:

TE08

王韵怡, 张金亚. 太阳能储热井口原油加热系统性能研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2025, 38(1): 49-58.

Yunyi WANG, Jinya ZHANG. Study on Solar Heating Crude Oil System with Thermal Energy Storage-Based Installation[J]. Journal of Petrochemical Universities, 2025, 38(1): 49-58.

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https://journal.lnpu.edu.cn/syhg/CN/Y2025/V38/I1/49

图/表 14

参考文献 37

1	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.
	WANG X S，WANG R Z，WU J Y，et al.Applied research of solar energy for heating crude oil of transportation［J］.Oil & Gas Storage and Transportation，2004，23（7）：41-45.
2	徐旭龙，肖元沛，徐阳，等.原油加热节能技术在安塞油田的现场应用［J］.石油化工设备，2019，48（4）：69-72.
	XU X L，XIAO Y P，XU Y，et al.Field application of crude oil heating and energy saving technology in Ansai oilfield［J］.Petro-Chemical Equipment，2019，48（4）：69-72.
3	尹松.基于太阳能的原油储罐加热系统数值模拟［J］.科学技术与工程，2011，18（18）：4190-4193.
	YIN S.Numerical simulation of heating system of crude oil storage tank based on solar energy［J］.Science Technology and Engineering，2011，18（18）：4190-4193.
4	ALTAYIB K，DINCER I.Analysis and assessment of using an integrated solar energy based system in crude oil refinery［J］.Applied Thermal Engineering，2019，159：113799.
5	ROSATO A，CIERVO A，CIAMPI G，et al.Impact of solar field design and back-up technology on dynamic performance of a solar hybrid heating network integrated with a seasonal borehole thermal energy storage serving a small-scale residential district including plug-in electric vehicles［J］.Renewable Energy，2020，154：684-703.
6	崔海亭，杨锋.蓄热技术及其应用［M］.北京：化学工业出版社，2004.
7	DANISH S N，ALMUTAIRI Z，ALLUQMANI M S，et al.Concentrated solar power integration with refinery process heaters［J］.Alexandria Engineering Journal，2023，82：195-207.
8	ABD A S，ABUSHAIKHA A，BICER Y.A comprehensive thermodynamic analysis of an integrated solar enhanced oil recovery system for applications in heavy oil fields［J］.Energy Conversion and Management，2022，253：115161.
9	CAO X R，DENG Z P，NIAN Y L.Evaluation of annual performances of crude oil pipeline transportation by solar heating［J］.Applied Thermal Engineering，2024，245：122846.
10	PRESTIGIACOMO C，GIACONIA A，PROIETTO F，et al.Concentrated solar heat for the decarbonization of industrial chemical processes：A case study on crude oil distillation［J］.Energy，2024，293：130718.
11	李宗强，陈莉蓉，欧阳泽威.利用太阳能实现原油低成本加热［J］.中国设备工程，2013（9）：14-16.
	LI Z Q，CHEN L R，OU YANG Z W.Utilizing solar energy to achieve low-cost heating of crude oil［J］.China Plant Engineering，2013（9）：14-16.
12	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.
	LI W P，WU Y S，LI X Y，et al.Application of integrated solar photoelectric technology in crude oil heating system［J］.Energy Conservation in Petroleum & Petrochemical Industry，2021，11（3）：13-16.
13	KARKI S，HAAPALA K R，FRONK B M.Technical and economic feasibility of solar flat-plate collector thermal energy systems for small and medium manufacturers［J］.Applied Energy，2019，254：113649.
14	丁月华，陈渝广，曾宪强.原油集输风光电一体化节能技术［J］.油气储运，2006，25（4）：43-46.
	DING Y H，CHEN Y G，ZENG X Q.Energy saving technology study on incorporated wind and/or solar power for oil gathering pipeline［J］.Oil & Gas Storage and Transportation，2006，25（4）：43-46.
15	AL-MAMUN M R，ROY H，ISLAM M S，et al.State-of-the-art in solar water heating （SWH） systems for sustainable solar energy utilization：A comprehensive review［J］.Solar Energy，2023，264：111998.
16	AMBARITA H，SEMBIRING P G，BUTARBUTAR S，et al.A preliminary test of a flat-plate solar collector of hybrid solar water heater［J］.Journal of Physics：Conference Series，2018，1116（3）：032003.
17	刘鉴民.太阳能利用原理·技术·工程［M］.北京：电子工业出版社，2010.
18	AGARWAL V K，LARSON D C.Calculation of the top loss coefficient of a flat-plate collector［J］.Solar Energy，1981，27（1）：69-71.
19	WANG D X，ZOU Y H，FARJAM H.RETRACTED：Analysis and optimization of thermal power plants：Pinch and exergy methods［J］.Journal of Cleaner Production，2023，430：139287.
20	FARAHAT S，SARHADDI F，AJAM H.Exergetic optimization of flat plate solar collectors［J］.Renewable Energy，2009，34（4）：1169-1174.
21	SMESTAD G.Solar energy of thermal processes 2nd edition：By J.A.Duffie and W.A.Beckman （John Wiley & Sons，New York，1991）.ISBN 0-471-51056-4 （hbk.）； 913 pages［J］.Solar Energy Materials and Solar Cells，1993，30（2）：192.
22	BADESCU V.Optimum fin geometry in flat plate solar collector systems［J］.Energy Conversion and Management，2006，47（15-16）：2397-2413.
23	杨世铭，陶文铨.传热学［M］.4版.北京：高等教育出版社，2006.
24	范满.V型波纹多通道太阳能平板集热器的光热特性研究［D］.天津：天津大学，2019.
25	孙兰义，马占华，王志刚，等.换热器工艺设计［M］.北京：中国石化出版社，2015.
26	丁伯民，曹文辉.石油化工设备设计选用手册：承压容器［M］.北京：化学工业出版社，2008.
27	林世雄.石油炼制工程［M］.3版.北京：石油工业出版社，2000.
28	丁国平，刘秀清，郭志军.原油硫含量与馏分油的收率及硫分布的相关性研究［J］.当代化工，2008，37（2）：142-145.
	DING G P，LIU X Q，GUO Z J.Research on correlation between the sulfur contents of crude oil and its distillations［J］.Contemporary Chemical Industry，2008，37（2）：142-145.
29	范振鲁，刘登峰，张星.使用板式换热器优化常减压蒸馏装置换热网络［J］.现代化工，2014，34（5）：145-146.
	FAN Z L，LIU D F，ZHANG X.Optimization of CDU & VDU heat exchanger network by using plate heat exchangers［J］.Modern Chemical Industry，2014，34（5）：145-146.
30	关俊岭.太阳能高温热在西北油田单井应用的可行性分析［J］.石油石化节能与减排，2013，3（5）：36-41.
	GUAN J L.Feasibility analysis of solar thermal utilization in single well［J］.Energy Conservation and Emission Reduction in Petroleum and Petrochemical Industry，2013，3（5）：36-41.
31	陆钧，湛凤巍，董智勇，等.太阳能聚光热技术在稠油集输加热中的可行性研究［J］.石油石化节能，2016，6（11）：59-62.
	LU J，ZHAN F W，DONG Z Y，et al.Application of concentrated solar thermal technology in heavy oil gathering and transportation［J］.Energy Conservation in Petroleum & Petrochemical Industry，2016，6（11）：59-62.
32	王彦哲，周胜，姚子麟，等.中国煤电生命周期二氧化碳和大气污染物排放相互影响建模分析［J］.中国电力，2021，54（8）：128-135.
	WANG Y Z，ZHOU S，YAO Z L，et al.Life cycle modeling analysis of the interaction between carbon dioxide and air pollutant emissions of coal power in China［J］.Electric Power，2021，54（8）：128-135.
33	曹进仁，周建荣.太阳能加热油气集输工艺技术在淮建油田应用［J］.内蒙古石油化工，2011，37（1）：109-111.
	CAO J R，ZHOU J R.Application of solar heating oil and gas gathering and transportation technology in Huaijian oilfield［J］.Inner Mongulia Petrochemical Industry，2011，37（1）：109-111.
34	解建辉，王海鹏.论太阳能原油加热系统在油田的应用推广［J］.石油石化节能，2022，12（1）：51-54.
	XIE J H，WANG H P.The application and popularization of solar oil heating system in oil field［J］.Energy Conservation in Petroleum & Petrochemical Industry，2022，12（1）：51-54.
35	王强，李健，李欢.太阳能原油辅助加温装置在侏罗系油藏的运用及经济效益分析［J］.石油石化节能，2020，10（12）：75-79.
	WANG Q，LI J，LI H.Application and economic benefit analysis of solar oil auxiliary heating unit in Jurassic reservoir［J］.Energy Conservation in Petroleum & Petrochemical Industry，2020，10（12）：75-79.
36	侯宏娟，崔浩，黄畅，等.直接空冷型槽式太阳能发热电系统技术经济分析［J］.太阳能学报，2021，42（1）：90-95.
	HOU H J，CUI H，HUANG C，et al.Technical and economic analysis of parabolic trough solar thermal power generation system with direct air-cooling［J］.Acta Energiae Solaris Sinica，2021，42（1）：90-95.
37	王俊，曹建军，张利勇，等.基于分布式能源系统的蓄冷蓄热技术应用现状［J］.储能科学与技术，2020，9（6）：1847-1857.
	WANG J，CAO J J，ZHANG L Y，et al.Review on application of cold storage and heat storage technology based on distributed energy system［J］.Energy Storage Science and Technology，2020，9（6）：1847-1857.

参数	仪器	精度
工质进出口温度	PT100热电阻	±0.1 ℃
工质质量流量	电子天平/秒表	±20 g/±0.2 s
环境空气温度	温度、湿度自记仪	±0.4 ℃
环境风速	TSI风速测试仪	±3%或±0.015 m/s，两者取大值
太阳总辐射照度	TBQ-2-B太阳总辐射表	±2%

参数	仪器	精度
工质进出口温度	PT100热电阻	±0.1 ℃
工质质量流量	电子天平/秒表	±20 g/±0.2 s
环境空气温度	温度、湿度自记仪	±0.4 ℃
环境风速	TSI风速测试仪	±3%或±0.015 m/s，两者取大值
太阳总辐射照度	TBQ-2-B太阳总辐射表	±2%

元件	设计参数	数值
吸热体	集热板材料导热系数/(W·（m·K)^-1)	207
	集热板发射率	0.07
	集热板吸收率	0.92
	集热板长度/m	1.95
	集热板宽度/m	0.95
	集热板厚度/m	0.000 4
	排管材料	铜
	排管个数	7
	排管材料导热系数/(W·（m·K)^-1)	385
	排管中心距/m	0.136
	排管外径/m	0.012
透明盖板	厚度/m	0.003 2
	透射率	0.89
	吸收率	0.05
保温材料	导热系数/(W·（m·K)^-1)	0.041
保温材料	厚度/m	0.03
集热器	倾角/(°）	40

元件	设计参数	数值
吸热体	集热板材料导热系数/(W·（m·K)^-1)	207
	集热板发射率	0.07
	集热板吸收率	0.92
	集热板长度/m	1.95
	集热板宽度/m	0.95
	集热板厚度/m	0.000 4
	排管材料	铜
	排管个数	7
	排管材料导热系数/(W·（m·K)^-1)	385
	排管中心距/m	0.136
	排管外径/m	0.012
透明盖板	厚度/m	0.003 2
	透射率	0.89
	吸收率	0.05
保温材料	导热系数/(W·（m·K)^-1)	0.041
保温材料	厚度/m	0.03
集热器	倾角/(°）	40

沸点/℃	f/%	黏度/（mm²·s^-1）
沸点/℃	f/%	50 ℃	100 ℃
112~156	6.13	0.64	-
>156~195	9.53	0.89	-
>195~225	12.00	1.26	-
>225~257	16.00	1.63	-
>257~289	19.46	2.26	-
>289~313	22.90	3.01	-
>313~335	26.27	3.84	1.73
>335~374	29.72	4.99	2.07
>374~394	33.15	6.24	2.61
>394~415	36.50	7.70	2.86
>415~435	40.05	9.51	3.33
>435~456	43.44	13.3	4.22
>456~475	47.32	21.9	5.86
>475~500	51.37	-	7.05
>500~525	55.89	-	8.92
>525	60.04	-	11.50