CN106642687B - 一种带储热的原油加热系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种带储热的原油加热系统，所述系统包括太阳能集热器、热媒储罐和原油换热器，所述原油换热器包括换热单元和储热单元，所述热媒储罐出口分两路，其中一路经管线与太阳能集热器入口连接，太阳能集热器出口经管线与原油换热器的热媒入口连接，原油换热器的热媒出口与热媒储罐入口连接，所述热媒储罐出口另一路经管线与储热单元的热媒进入口连接，所述储热单元的热媒排出口经管线与原油换热器的热媒入口连接。本发明还提供一种带储热的原油加热方法。本发明所述原油加热系统可以提高对太阳能热的利用效率，同时提高了太阳能热输出的稳定性。

Description

一种带储热的原油加热系统及方法

技术领域

本发明涉及太阳能热利用领域，特别是涉及太阳能热利用与热存储在原油加热领域的应用，主要是发明了一种具有储热功能的太阳能加热原油设备与工艺。

背景技术

我国原油具有高凝、高粘的特点，同时随着开采不断深入，稠油储量比重加大、含水率上升是必然趋势，在开采集输过程中耗能巨大。另一方面，我国太阳光资源充足，内蒙古、新疆、甘肃等日照时间在2200小时以上的地区，约占国土面积2/3以上。年接收太阳辐射的能量相当于上万个三峡工程的发电量或17000亿吨标准煤的热量。

我国陆上油田大都位于太阳能资源分布的二、三类地区，具有利用太阳能的良好条件，油田原油输送中利用太阳能加热，可实现节能环保具有重大的经济和社会效益。

近年来，国内研究者也积极开展了太阳加热原油输送技术的研究与应用。2008年河南油田首次采用太阳能实现储油罐的加热维温，确保安全生产的同时，满足任何时间装运原油所需的45℃左右的温度。目前，已实现了太阳能、太阳能与热泵相结合的技术在大港油田、江苏油田、大庆油田等的原油加热输送系统和储油罐加热系统的应用，实现了安全、节能、高效的目标。

2014年，中国石化开发的基于槽式/线性菲涅尔式的太阳能加热原油工业示范装置在西北油田建成。运行后，预计年节省天然气~70000Nm³，年减排二氧化碳130吨。但是，太阳辐照强度具有随季节、日照时间而变化的特点，不能提供稳定的热源。中国石化总结工业应用经验，开发了高效可行的带储热的太阳能加热原油工艺，以及相应的设备与方法。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明公开了一种带储热的原油加热系统及方法，所述原油加热系统及方法可以提高对太阳能热的利用效率，同时提高了太阳能热输出的稳定性，通过新型带储热的原油换热器，实现了对日照高峰期太阳能热的快速存储。

本发明提供一种带储热的原油加热系统，所述系统包括太阳能集热器、热媒储罐和原油换热器，所述原油换热器包括换热单元和储热单元，所述储热单元设置于换热单元上方，所述换热单元与储热单元之间通过膨胀管连接，所述换热单元包括壳体和热媒管道，所述热媒管道盘设于壳体的内壁上，且所述热媒管道与所述换热单元的壳体同轴，所述壳体与所述热媒管道内部空间形成原油换热区，所述热媒管道一端为热媒入口，另一端为热媒出口，所述热媒入口和热媒出口分别伸出所述壳体；所述换热单元的壳体上设有原油进口、原油出口和紧急放空口，所述储热单元包括壳体，所述壳体内设置储热材料，且所述壳体上设置有热媒进入口和热媒排出口；所述热媒储罐出口分两路，其中一路经管线与太阳能集热器入口连接，太阳能集热器出口经管线与原油换热器的热媒入口连接，原油换热器的热媒出口与热媒储罐入口连接，所述热媒储罐出口另一路经管线与储热单元的热媒进入口连接，所述储热单元的热媒排出口经管线与原油换热器的热媒入口连接。

本发明所述系统中，所述热媒储罐与太阳能集热器连接管线上设置有阀门。

本发明所述系统中，所述热媒储罐与原油换热器的储热单元连接管线上设置有阀门。

本发明所述系统中，所述太阳能集热器与原油换热器的换热单元热媒入口连接管线上设置有阀门。

本发明所述系统中，所述原油换热器的储热单元的热媒排放口与原油换热器的换热单元的热媒入口连接管线上设置有阀门。

本发明所述系统中，所述原油进口和原油出口分别设置于所述换热单元壳体两端的侧壁上，所述紧急放空口设置于所述换热单元的壳体的底部，所述紧急放空口连通所述热媒管道。

本发明所述系统中，所述原油进口与热媒出口位于一侧，原油出口与热媒入口位于一侧。

本发明所述系统中，所述热媒管道内还间隔的设置有若干扰流元件，所述扰流元件为扭曲带、弹簧或者异性扭曲带。

本发明所述系统中，所述热媒管道的横截面为圆拱形。

本发明所述系统中，所述紧急放空口的数量为至少2个，且所述紧急放空口沿所述换热单元的轴向均匀分布。

本发明所述系统中，所述膨胀管的数量为至少2个，且所述膨胀管沿所述高温段轴向均匀分布。

本发明所述系统中，所述太阳能集热器可以是槽式、线性菲涅尔式、塔式及碟式的单独或组合型式的聚光型太阳能集热器。

本发明所述系统中，所述储热材料为相变储热材料可以是高级脂肪酸、芳香烃、醇和羧酸、硝酸盐水合物、硫酸盐水合物、磷酸盐水合物、 NaOH/KOH的混合物中的任一种或几种。

本发明所述系统中，所述热媒为导热油，具体可以是烷基苯类、烷基萘类、烷基联苯类等有机物，或来自石油馏分的矿物型导热油。

本发明还提供一种带储热的原油加热方法，所述方法包括如下内容

（1）当太阳能集热器提供的热量与原油加热需求正好匹配时，热媒经过太阳能集热器加热后进入原油换热器的换热单元与原油进行换热，经过冷却后的热媒进入热媒储罐循环使用；

（2）当所述太阳能集热器提供的热量大于原油加热需求时，热媒经太阳能集热器加热后温度持续上升，体积不断膨胀，一部分热媒受热膨胀会经膨胀管进入原油换热器的储热单元，然后与其中的储热材料换热降温后再回到热媒管道，与原油换热后进入热媒储罐循环使用；

（3）当所述太阳能集热器提供的热量小于原油加热需求时，部分或全部热媒进入原油加热器的储热单元与其中的储热材料换热，经过加热后的热媒再进入原油换热器的换热单元，与原油换热，换热后的热媒进入热媒储罐循环使用。

与现有技术相比，本发明方法具有如下优点：

（1）本发明提供一种新型的原油换热器，该换热器包括换热单元和储热单元，并将上述两部分结合为一个整体，有效节省系统占地，大幅减少了热输送管道，提高了热能利用效率。

（2）本发明提供的一种新型原油换热器，通过热媒管道与换热器壳体一体化的特殊设计，与传统的热媒加热系统相比，省去了膨胀罐，使整个原油加热工艺的管路系统紧凑简洁，更适合于太阳能热随时间变化的特点，有利于太阳能热的高效稳定输出与利用，与同样直径的圆盘管道相比，本发明采用的圆拱形热媒管道的流通面积增加10%以上，同时受热面积没有减少。热媒管道内还间隔的设置有若干扰流元件，可有效提高管道内热媒径向扰动，减小管道内径向的热媒温度梯度，起到强化传热与防止结焦的效果。其中，每两个扰流元件之间的距离保证热媒处于扰动状态，使层流层变薄。紧急放空口用于突发停电时，放空加热炉热媒管道内的高温热媒，防止其聚合结焦，避免事故发生。与现有技术相比，紧急情况下，本实施例中的高温热媒可以直接从换热器壳体上放出，且可以设置多个紧急排放口。

（3）本发明利用热媒受热膨胀的特点，将日照高峰期的过剩太阳能通过热媒携带并转存到储热材料中，有效提高了对太阳能热的利用效率，同时提高了太阳能热输出的稳定性。

附图说明

图1为本发明一种带储热的原油加热系统及方法示意图。

图2为本发明中热媒管道的截面示意图。

具体实施方式

下面结合图1对本发明所述带储热的原油加热系统做进一步说明，本发明所述带储热的原油加热系统包括太阳能集热器2、热媒储罐1和原油换热器3，所述原油换热器3包括换热单元4和储热单元5，所述储热单元5设置于换热单元4上方，所述换热单元4与储热单元5之间通过膨胀管6连接，所述换热单元4包括壳体7和热媒管道8，所述热媒管道8盘设于壳体7的内壁上，且所述热媒管道8与所述换热单元的壳体7同轴，所述壳体7与所述热媒管道8内部空间形成原油换热区，所述热媒管道一端为热媒入口11，另一端为热媒出口12，所述热媒入口11和热媒出口12分别伸出所述壳体7；所述换热单元4的壳体上设有原油进口13、原油出口14和紧急放空口17，所述储热单元5包括壳体9，所述壳体9内设置储热材料10，且所述壳体上设置有热媒进入口15和热媒排出口16；所述热媒储罐1出口分两路，其中一路经管线与太阳能集热器2入口连接，且连接管线上设置阀门V1，太阳能集热器2出口经管线与原油换热器3的换热单元4的热媒入口11连接，且连接管线上设置阀门V2，原油换热器3的换热单元4的热媒出口12与热媒储罐1入口连接，所述热媒储罐1出口另一路经管线与原油换热器3的储热单元5的热媒进入口15连接，且连接管线上设置阀门V3，所述储热单元5的热媒排出口16经管线与原油换热器的热媒入口连接，且连接管线上设置阀门V4。

本发明所述带储热的原油加热系统是如何工作的，以一天之内太阳辐照变化为例，本发明一种带储热的原油加热系统具体工作方式如下：

1、当早晨太阳辐照较弱时（阀V1，V2打开，阀V3，V4关闭），通过泵将热媒储罐1中的热媒导热油送到太阳能集热器2收集太阳能的热量，升温后的热媒经原油换热器的热媒入口进入原油换热器，与原油换热后从原油换热器的热媒出口排出并进入热媒储罐循环利用；

2、当中午太阳辐照较强时（阀V1，V2打开，阀V3，V4关闭），通过太阳能集热器收集得到的太阳能热过剩，热媒温度持续上升，体积不断膨胀，一部分热媒将会通过受热膨胀经膨胀管进入原油换热器的储热单元，高温热媒的热量被储热单元内填充的储热材料吸收，热媒自身温度降低后回到换热单元内的热媒管道内，并进一步循环会热媒储罐；

3、当下午太阳辐照较弱时（阀V1，V2打开，阀V3，V4关闭），太阳能集热器提供的热能够独立满足原油加热需求，导热油循环加热原油的运行如步骤1所示。

4、当下午至傍晚太阳能辐照减弱，太阳能集热器提供的热不能独立满足原油的加热需求，阀V1、V2、V3、V4全部打开，这时，一部分热媒通过太阳能集热器取热，剩余部分热媒通过原油换热器的储热单元取热，两部分热媒混合 后进入原油换热器，满足原油的加热需求。

5、当晚间无太阳辐照，关闭阀V1，V2，打开阀V3，V4，热媒不再经过太阳能集热器，而是直接通过阀V3进入原油换热器的储热单元，与储热单元内的储热材料进行取热，然后经过阀V4进入原油换热器的换热单元，与原油换热后从原油换热器的热媒出口离开进入热媒储罐循环利用。

6、原油始终从导热油/原油换热器壳程入口13进入换热器壳程，与导热油换热后从导热油/原油换热器壳程出口14离开换热器。

Claims (13)

1.一种带储热的原油加热系统，所述系统包括太阳能集热器、热媒储罐和原油换热器，所述原油换热器包括换热单元和储热单元，所述储热单元设置于换热单元上方，所述换热单元与储热单元之间通过膨胀管连接，所述换热单元包括壳体和热媒管道，所述热媒管道盘设于壳体的内壁上，且所述热媒管道与所述换热单元的壳体同轴，所述壳体与所述热媒管道内部空间形成原油换热区，所述热媒管道一端为热媒入口，另一端为热媒出口，所述热媒入口和热媒出口分别伸出所述壳体；所述换热单元的壳体上设有原油进口、原油出口和紧急放空口，所述储热单元包括壳体，所述壳体内设置储热材料，且所述壳体上设置有热媒进入口和热媒排出口；所述热媒储罐出口分两路，其中一路经管线与太阳能集热器入口连接，太阳能集热器出口经管线与原油换热器的热媒入口连接，原油换热器的热媒出口与热媒储罐入口连接，所述热媒储罐出口另一路经管线与储热单元的热媒进入口连接，所述储热单元的热媒排出口经管线与原油换热器的热媒入口连接。

2.按照权利要求1所述的系统，其特征在于：所述热媒储罐与太阳能集热器连接管线上设置有阀门，所述热媒储罐与原油换热器的储热单元连接管线上设置有阀门，所述太阳能集热器与原油换热器的换热单元热媒入口连接管线上设置有阀门，所述原油换热器的储热单元的热媒排放口与原油换热器的换热单元的热媒入口连接管线上设置有阀门。

3.按照权利要求1所述的系统，其特征在于：所述原油进口和原油出口分别设置于所述换热单元壳体两端的侧壁上，所述紧急放空口设置于所述换热单元的壳体的底部，所述紧急放空口连通所述热媒管道。

4.按照权利要求1所述的系统，其特征在于：所述原油进口与热媒出口位于一侧，原油出口与热媒入口位于一侧。

5.按照权利要求1所述的系统，其特征在于：所述热媒管道内还间隔的设置有若干扰流元件，所述扰流元件为扭曲带或者弹簧。

6.按照权利要求1所述的系统，其特征在于：所述热媒管道的横截面为圆拱形。

7.按照权利要求1所述的系统，其特征在于：所述紧急放空口的数量为至少2个，且所述紧急放空口沿所述换热单元的轴向均匀分布。

8.按照权利要求1所述的系统，其特征在于：所述膨胀管的数量为至少2个。

9.按照权利要求1所述的系统，其特征在于：所述太阳能集热器是槽式、线性菲涅尔式、塔式及碟式的单独或组合型式的聚光型太阳能集热器。

10.按照权利要求1所述的系统，其特征在于：所述储热材料为相变储热材料是高级脂肪酸、芳香烃、醇和羧酸、硝酸盐水合物、硫酸盐水合物、磷酸盐水合物、 NaOH/KOH的混合物中的任一种或几种。

11.按照权利要求1所述的系统，其特征在于：所述热媒为导热油。

12.按照权利要求11所述的系统，其特征在于：所述导热油是烷基苯类、烷基萘类、烷基联苯类有机物，或来自石油馏分的矿物型导热油。

13.一种带储热的原油加热方法，所述方法包括如下内容：

（1）当太阳能集热器提供的热量与原油加热需求正好匹配时，热媒经过太阳能集热器加热后进入原油换热器的换热单元与原油进行换热，经过冷却后的热媒进入热媒储罐循环使用；

（2）当所述太阳能集热器提供的热量大于原油加热需求时，热媒经太阳能集热器加热后温度持续上升，体积不断膨胀，一部分热媒受热膨胀会经膨胀管进入原油换热器的储热单元，然后与其中的储热材料换热降温后再回到热媒管道，与原油换热后进入热媒储罐循环使用；

（3）当所述太阳能集热器提供的热量小于原油加热需求时，部分或全部热媒进入原油加热器的储热单元与其中的储热材料换热，经过加热后的热媒再进入原油换热器的换热单元，与原油换热，换热后的热媒进入热媒储罐循环使用。