CN106595083A - 一种太阳能相变储换热装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种太阳能相变储换热装置及方法，包括保温水箱和托盘，所述保温水箱固定在托盘上，所述保温水箱内设置原油盘管，所述原油盘管的原油出口和原油入口位于保温水箱一侧，所述保温水箱另一侧的托盘上还设有控制柜和循环水泵，循环水泵和保温水箱均与控制柜信号连接；所述保温水箱上端设有循环水回水口，所述保温水箱下端设有循环水出水口，循环水出水口与循环水泵连接；所述保温水箱内设有多根金属棒，所述金属棒与原油盘管相互垂直。本装置利用了先进的定温相变储能材料，缩减了通常太阳能系统的储能水箱和二次换热设计，提高热利用率的同时，减小了设备的体积和整体占地面积，现场设备安装简易，便于维修及部件更换。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能相变储换热装置及方法，用于在油田原油太阳能加温输送过程中最大程度的利用太阳能，减少生产环节常规能源的消耗。
背景技术
目前将太阳能应用于油田管输原油加热的太阳能热水系统中，往往设置储热水箱和原油换热器来实现将太阳能通过集热循环加热储热水箱内的介质水，再通过将介质热水循环至换热器实现对原油的加热。在这样的系统中，储热水箱本身的散热会造成热能损失，二次换热会造成热能损失，太阳能集热产出的热水温度较低（60℃）使得原油换热器不得不采用较大的换热面积，使得系统内的循环水总量加大，增加循环泵的能耗损失。同时，这样的系统占地面积和投资较大，并不满足多数油田的生产现场的使用要求。
在撬装式原油太阳能辅助加热装置中通过设置撬装式集热换热水箱，减少了太阳能系统的占地面积，初步提高了太阳能的系统利用率，满足了油田现场条件的要求，实现了在优先使用太阳能的条件下原油全年不间断加温、原油外输温度可控等功能，原油输送温度可控制在40℃以上。在现场应用中一体式集热换热水箱内的介质水被控制在一个最低温度值（如50℃），当晴日阳光照射时间段，水箱温度会逐步提升，起到一定的储能作用，与此同时，随着水箱温度提升外输原油的温度也在该时段内会相应提升，这种现象会造成该时段内外输的原油过多的带走水箱内的热量，使可利用的太阳能能量提前损失，导致之后时段辅助常规能源的消耗增大，造成一定的能源浪费。
发明内容
为了克服太阳充足时段富余的太阳能量过多的被流动原油带走而造成的常规能源的浪费问题，本发明提供的一种太阳能相变储换热装置及方法，实现在晴日阳光照射时间段相变储换热装置在水箱内介质水温度不提升或小范围提升，保持外输原油的温度稳定，同时储存更多的太阳能量，增加系统内太阳能的利用时间，减少常规能源消耗，取得良好的经济效益。
本发明采用的技术方案为：
一种太阳能相变储换热装置，包括保温水箱和托盘，所述保温水箱固定在托盘上，所述保温水箱内设置原油盘管，所述原油盘管的原油出口和原油入口位于保温水箱一侧，所述保温水箱另一侧的托盘上还设有控制柜和循环水泵，循环水泵和保温水箱均与控制柜信号连接；所述保温水箱上端设有循环水回水口，所述保温水箱下端设有循环水出水口，循环水出水口与循环水泵连接；所述保温水箱内设有多根金属棒，所述金属棒与原油盘管相互垂直。
所述保温水箱上靠近控制柜的一侧设置有辅助电加热器，所述辅助电加热器位于保温水箱内，辅助电加热器与控制柜信号连接。
所述原油盘管为多层，所述金属棒在原油盘管垂直方向焊接在保温水箱内部，每根金属棒在保温水箱的两侧保留开口，开口采用内丝螺纹。
所述金属棒内添加有相变储热材料，金属棒两端开口通过丝堵密封。
所述原油盘管采用Ф60无缝钢管，公称压力为10MPa；所述金属棒3采用Ф100无缝钢管。
所述保温水箱内胆材质为5mm热轧钢板，保温为双层保温，内层3.0cm橡塑保温，外层为5.0cm聚苯乙烯泡沫彩钢夹心板。
所述保温水箱内径为3.0m×2.0m×1.8m，所述托盘11尺寸为3.8 m×2.2m×0.1m。
所述保温水箱内部涂有防腐材料。
一种太阳能相变储换热方法，具体步骤为：
步骤一 将本装置通过循环水回水口和循环水出水口与太阳能集热器连接，并监测太阳能集热器温度和保温水箱温度，当二者温差大于程序设定值5-8℃时，打开集热循环水泵，使保温水箱内的低温水流经集热器进行加温后返回保温水箱，当二者温差达到程序设定的循环停止值2-3℃时，关闭循环水泵停止循环；
步骤二 根据现场的原油输油温度选择相应的换热相变材料进行储热，当晴日太阳能量充足的时段内，富余太阳能量提升保温水箱的温度到达相变储热材料的相变温度后，储热材料发生相变从固态至液态，在吸收储存了富余太阳能量的同时，保温水箱温度和被加热的原油温度保持稳定；当太阳能量减弱后，保温水箱温度降低，储热材料发生相变从液态至固态，并逐步释放热量，直至热量释放完成；
步骤三 当保温水箱温度降至设定温度后辅助电加热器开启保温运行。
本发明的有益效果为：
本发明中原油通过原油盘管被直接加热，减少了二次换热造成的热量损失，热效率高；装置在设定好水箱温度后，水箱内介质水和原油的温度会保持在一个稳定的满足现场输油条件的温度值，根据现场的油温要求我们可以确定该装置水箱的设定温度，然后选择与该温度相应的相变材料填充到装置内集热换热水箱内的专用金属棒内，当晴日太阳能量充足的时段内，富余太阳能量提升水箱的温度到达相变储热材料的相变温度后，储热材料发生相变（固态至液态），在吸收储存了富余太阳能量的同时，水箱温度和被加热的原油温度保持稳定；当太阳能量减弱后，水箱温度降低，储热材料发生相变（液态至固态），并逐步释放热量，直至热量释放完成，水箱温度降至设定温度后辅助电加热开启保温运行，大大延长了利用太阳能加热原油的时间，节约常规能源的消耗，做到了最大程度的利用太阳能。
本装置克服了太阳充足时段富余的太阳能量过多的被流动原油带走而造成的常规能源的浪费问题，同时使原油的外输温度更加平稳。
本装置利用了先进的定温相变储能材料，缩减了通常太阳能系统的储能水箱和二次换热设计，提高热利用率的同时，减小了设备的体积和整体占地面积，现场设备安装简易，便于维修及部件更换。
以下将结合附图进行进一步的说明。
附图说明
图1为本装置的结构示意图。
图2为本装置俯视结构示意图。
图中，附图标记为：1、保温水箱；2、原油盘管；3、金属棒；4、原油出口；5、原油入口；6、辅助电加热器；7、循环水回水口；8、循环水出水口；9、循环水泵；10、控制柜；11、托盘。
具体实施方式
实施例1：
为了克服太阳充足时段富余的太阳能量过多的被流动原油带走而造成的常规能源的浪费问题，本发明提供如图1所示的一种太阳能相变储换热装置，实现在晴日阳光照射时间段相变储换热装置在水箱内介质水温度不提升或小范围提升，保持外输原油的温度稳定，同时储存更多的太阳能量，增加系统内太阳能的利用时间，减少常规能源消耗，取得良好的经济效益。
一种太阳能相变储换热装置，包括保温水箱1和托盘11，所述保温水箱1固定在托盘11上，所述保温水箱1内设置原油盘管2，所述原油盘管2的原油出口4和原油入口5位于保温水箱1一侧，所述保温水箱1另一侧的托盘11上还设有控制柜10和循环水泵9，循环水泵9和保温水箱1均与控制柜10信号连接；所述保温水箱1上端设有循环水回水口7，所述保温水箱1下端设有循环水出水口8，循环水出水口8与循环水泵9连接；所述保温水箱1内设有多根金属棒3，所述金属棒3与原油盘管2相互垂直。
原油通过进入本装置的换热原油盘管2被直接加热，减少了二次换热造成的热量损失，热效率高；本装置在设定好保温水箱1温度后，保温水箱1内介质水和原油的温度会保持在一个稳定的满足现场输油条件的温度值，根据现场的油温要求我们可以确定该装置保温水箱1的设定温度，在本装置工作时，通过循环水出水口8和循环水回水口7与外部太阳能集热器连接，装置监测所连接太阳能集热器温度和水箱温度，当二者温差大于程序设定值5-8℃时，控制柜10对其进行控制，自动打开集热循环水泵9，使保温水箱1内的低温水流经集热器进行加温后返回保温水箱1，当二者温差达到程序设定的循环停止值2-3℃时，装置关闭循环水泵9停止循环，使得在有充分日照的条件下的太阳能转换为热能储存至储热的保温水箱1。
实施例2：
基于上述实施例的基础上，本实施例中，所述保温水箱1上靠近控制柜10的一侧设置有辅助电加热器6，所述辅助电加热器6位于保温水箱1内，辅助电加热器6与控制柜10信号连接。
控制柜10为现有技术，为成品，市场上均可买到，本发明中将不再具体叙述。
所述原油盘管2为多层，所述金属棒3在原油盘管2垂直方向焊接在保温水箱1内部，每根金属棒3在保温水箱1的两侧保留开口，开口采用内丝螺纹。
所述金属棒3内添加有相变储热材料，金属棒3两端开口通过丝堵密封。
所述原油盘管2采用Ф60无缝钢管，公称压力为10MPa；所述金属棒3采用Ф100无缝钢管。
所述保温水箱1内胆材质为5mm热轧钢板，保温为双层保温，内层3.0cm橡塑保温，外层为5.0cm聚苯乙烯泡沫彩钢夹心板。
所述保温水箱1内径为3.0m×2.0m×1.8m，所述托盘11尺寸为3.8 m×2.2m×0.1m。
所述保温水箱1内部涂有防腐材料。
如图1所示，保温水箱1内径为3.0m×2.0m×1.8m，托盘11尺寸为3.8 m×2.2m×0.1m，根据现场需求，保温水箱1内设置28米原油盘管2，同时设置Ф100×2000mm的填充相变储热材料的80只金属棒3，金属棒3内可填充1.25m3规格为46℃的相变材料，可储存250MJ的热量。
本装置的托盘11采用8号槽钢进行焊接，保温水箱1固定于托盘11一侧，保温水箱1容积为10.2m3，保温水箱1内胆材质为5mm热轧钢板，保温为双层保温，内层3.0cm橡塑保温，外层为5.0cm聚苯乙烯泡沫彩钢夹心板,保温水箱1内部防腐处理，控制柜10、循环水泵9和辅助电加热器6在托盘11的另一侧，和原油进、出口朝向相反。
保温水箱1内置原油盘管2，原油盘管2采用Ф60无缝钢管，公称压力为10MPa；相变储热材料的金属棒3采用Ф100无缝钢管，与原油盘管2垂直方向焊接在保温水箱1内部，每根金属棒3在保温水箱1的前后两侧保留开口，开口采用内丝螺纹，开口可用相应的丝堵进行密封，也便于相变材料的填料及换料维护。原油进、出口采用相应压力等级的钢制法兰与现场输油管线连接。
原油通过进入本装置的换热原油盘管2被直接加热，减少了二次换热造成的热量损失，热效率高；本装置在设定好保温水箱1温度后，保温水箱1内介质水和原油的温度会保持在一个稳定的满足现场输油条件的温度值，根据现场的油温要求我们可以确定该装置保温水箱1的设定温度，然后选择与该温度相应的相变储热材料填充到保温水箱1内的专用金属棒3内，当晴日太阳能量充足的时段内，富余太阳能量提升保温水箱1的温度到达相变储热材料的相变温度后，储热材料发生相变（固态至液态），在吸收储存了富余太阳能量的同时，保温水箱1温度和被加热的原油温度保持稳定；当太阳能量减弱后，保温水箱1温度降低，储热材料发生相变（液态至固态），并逐步释放热量，直至热量释放完成，保温水箱1温度降至设定温度后辅助电加热器6开启保温运行，大大延长了利用太阳能加热原油的时间，节约常规能源的消耗，做到了最大程度的利用太阳能。
实施例3：
基于上述实施例的基础上，本实施例中提供一种太阳能相变储换热方法，具体步骤为：
步骤一 将本装置通过循环水回水口7和循环水出水口8与太阳能集热器连接，并监测太阳能集热器温度和保温水箱1温度，当二者温差大于程序设定值5-8℃时，打开集热循环水泵9，使保温水箱1内的低温水流经集热器进行加温后返回保温水箱1，当二者温差达到程序设定的循环停止值2-3℃时，关闭循环水泵9停止循环；
步骤二 根据现场的原油输油温度选择相应的换热相变材料进行储热，当晴日太阳能量充足的时段内，富余太阳能量提升保温水箱1的温度到达相变储热材料的相变温度后，储热材料发生相变从固态至液态，在吸收储存了富余太阳能量的同时，保温水箱1温度和被加热的原油温度保持稳定；当太阳能量减弱后，保温水箱1温度降低，储热材料发生相变从液态至固态，并逐步释放热量，直至热量释放完成；
步骤三 当保温水箱1温度降至设定温度后辅助电加热器6开启保温运行。
本实施例中采油三厂76井区定井场，地处定边油坊庄境内，海拔1800米，场内共有采油井2口，日产液12.0ｍ³，其中原油6.5ｍ³，油井产油通过输油管道输送，为保持原油外输温度并减小冬季回压，通过安装撬装式原油太阳能辅助加热装置对外输原油进行全天候加温，使原油冬季输出温度需保持在35-40℃，所需能源由太阳能集热系统及辅助电加热提供。
根据计算，秋冬季节原油加热（平均升温30℃）每日的总热需求约为1250MJ，设计太阳能集热能力按照总热需求的50%，需要太阳能集热器面积A=Q/Hη=625/17×0.6=61.3m2，合1800×58mm×36无机超导集热联箱16组。
按照设计的产热量，晴日单日产热约625MJ，在6小时集热时段，应当被原油带走热量316MJ，有309MJ应当被储存，如果利用储热水箱的储热介质水进行储热，同时水箱温度上升不超过3℃的条件，则储热水箱的应当为24.5吨，显然现场条件和造价满足不了这样的设计需求。
如图2所示，保温水箱内径为3.0m×2.0m×1.8m，托盘尺寸为3.8 m×2.2m×0.1m，根据现场需求，水箱内设置28米原油换热盘管，同时设置Ф100×2000mm的填充相变储热材料的金属棒80只，可填充1.25m3规格为46℃的相变材料，可储存250MJ的热量。
为确保系统最不利状态下日产热能力，配备12KW×3组（一备两用）辅助电加热器6，保温水箱1温度低于定温规定值（45℃）时分级启动，保持保温水箱1温度在45℃以上。本装置中装置配备两台循环水泵9（一用一备），设计流量为2.7m3/h。
根据现场的原油输油温度要求，首先通过设定使得集热换热的保温水箱1的温度被控制在不低于一个温度值，从而使原油输油温度也保持在相应的温度值，该温度满足原油输送要求，范围内满足了实际工作需要。当水箱温度低于设定温度值时，辅助电加热器6分级启动，保持保温水箱1和原油温度。在本装置工作时，通过循环水出水口8和循环水回水口7与外部太阳能集热器连接，装置监测所连接太阳能集热器温度和水箱温度，当二者温差大于程序设定值5-8℃时，自动打开集热循环水泵9，使保温水箱1内的低温水流经集热器进行加温后返回保温水箱1，当二者温差达到程序设定的循环停止值2-3℃时，装置关闭循环水泵9停止循环，使得在有充分日照的条件下的太阳能转换为热能储存至储热的保温水箱1。
根据现场的原油输油温度选择相应的相变材料进行储热，当晴日太阳能量充足的时段内，富余太阳能量提升保温水箱1的温度到达相变储热材料的相变温度后，储热材料发生相变（固态至液态），在吸收储存了富余太阳能量的同时，保温水箱1温度和被加热的原油温度保持稳定；当太阳能量减弱后，保温水箱1温度降低，储热材料发生相变（液态至固态），并逐步释放热量，直至热量释放完成，保温水箱1温度降至设定温度后辅助电加热开启保温运行，延长利用太阳能加热原油的时间，节约常规能源的消耗，做到了最大程度的利用太阳能。
本发明中提到的装置及部件，没有特殊说明的，均为现有公知技术，本发明中将不再进行一一叙述。
Claims (9)
1.一种太阳能相变储换热装置，其特征在于：包括保温水箱（1）和托盘（11），所述保温水箱（1）固定在托盘（11）上，所述保温水箱（1）内设置原油盘管（2），所述原油盘管（2）的原油出口（4）和原油入口（5）位于保温水箱（1）一侧，所述保温水箱（1）另一侧的托盘（11）上还设有控制柜（10）和循环水泵（9），循环水泵（9）和保温水箱（1）均与控制柜（10）信号连接；所述保温水箱（1）上端设有循环水回水口（7），所述保温水箱（1）下端设有循环水出水口（8），循环水出水口（8）与循环水泵（9）连接；所述保温水箱（1）内设有多根金属棒（3），所述金属棒（3）与原油盘管（2）相互垂直。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能相变储换热装置，其特征在于：所述保温水箱（1）上靠近控制柜（10）的一侧设置有辅助电加热器（6），所述辅助电加热器（6）位于保温水箱（1）内，辅助电加热器（6）与控制柜（10）信号连接。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能相变储换热装置，其特征在于：所述原油盘管（2）为多层，所述金属棒（3）在原油盘管（2）垂直方向焊接在保温水箱（1）内部，每根金属棒（3）在保温水箱（1）的两侧保留开口，开口采用内丝螺纹。
4.根据权利要求3所述的一种太阳能相变储换热装置，其特征在于：所述金属棒（3）内添加有相变储热材料，金属棒（3）两端开口通过丝堵密封。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能相变储换热装置，其特征在于：所述原油盘管（2）采用Ф60无缝钢管，公称压力为10MPa；所述金属棒（3）采用Ф100无缝钢管。
6.根据权利要求1所述的一种太阳能相变储换热装置，其特征在于：所述保温水箱（1）内胆材质为5mm热轧钢板，保温为双层保温，内层3.0cm橡塑保温，外层为5.0cm聚苯乙烯泡沫彩钢夹心板。
7.根据权利要求1所述的一种太阳能相变储换热装置，其特征在于：所述保温水箱（1）内径为3.0m×2.0m×1.8m，所述托盘（11）尺寸为3.8 m×2.2m×0.1m。
8.根据权利要求1所述的一种太阳能相变储换热装置，其特征在于：所述保温水箱（1）内部涂有防腐材料。
9.根据权利要求1-8所述的任意一种太阳能相变储换热装置，提供一种太阳能相变储换热方法，其特征在于：具体步骤为：
步骤一 将本装置通过循环水回水口（7）和循环水出水口（8）与太阳能集热器连接，并监测太阳能集热器温度和保温水箱（1）温度，当二者温差大于程序设定值5-8℃时，打开集热循环水泵（9），使保温水箱（1）内的低温水流经集热器进行加温后返回保温水箱（1），当二者温差达到程序设定的循环停止值2-3℃时，关闭循环水泵（9）停止循环；
步骤二 根据现场的原油输油温度选择相应的换热相变材料进行储热，当晴日太阳能量充足的时段内，富余太阳能量提升保温水箱（1）的温度到达相变储热材料的相变温度后，储热材料发生相变从固态至液态，在吸收储存了富余太阳能量的同时，保温水箱（1）温度和被加热的原油温度保持稳定；当太阳能量减弱后，保温水箱（1）温度降低，储热材料发生相变从液态至固态，并逐步释放热量，直至热量释放完成；
步骤三 当保温水箱（1）温度降至设定温度后辅助电加热器（6）开启保温运行。
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