太阳能技术在油罐加热.docx
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太阳能技术在油罐加热
中国石油大学（华东）毕业设计（论文）
太阳能技术在原油罐加热
装置应用设计
学生姓名：
***
学号：
********
专业班级：
自动化 06-2 班
指导教师：
***
2010 年 6 月 20 日
摘要
论文针对当前采油厂单井储油罐加热系统中常用的大功率电加热棒使用寿
命短、能耗大、安全性低等问题，特别是在偏远地区供电不足，而拉线供电又耗
费巨大，提出了以太阳能为基础的储油罐加热系统。
在解决了电加热棒在油罐加
热中易火灾、爆罐等安全隐患的同时，解决了偏远地区供电不足的难题，使用太
阳能能源，绿色环保，降低了能耗，一次性投入可长期受益。
整个系统包括原油储油罐、控制系统、太阳能集热装置、太阳能光电部分、
保温储水罐、保温层、管路部分等。
利用太阳能集热器将太阳能转化为水的热能，
经循环管路给原油储油罐内原油加热使其内部原油维持在一个特定的温度范围，
当原油储油罐不需要加热时，热能储存在保温水箱内，等需要时再启动循环系统
给原油罐内原油加热。
论文针对系统包含的各部分进行了详细的设计计算及选型，对系统的可行
性、性价比及合理性进行性了分析和综述归纳。
关键词：
太阳能；储油罐；加热系统；光电系统；单片机
ABSTRACT
According to the defect of the large electric heating which used commonly in the
current oil extraction factory that short life ,high energy consumption ,low safety etc ,
especially in remote areas,power supply shortage and takes great, this thesis come up
with a petroleum storage tank heating system based on solar energy . Atthesame
time with the solution of the potential safety hazard such as flammable gas
fire ,explosive tank etc in the electric heating system,solving the remote region
blackouts fault, using solar energy ,pollution-free and pro-environment,one time
investment benefit long-term.
The system includes crude oil tank, the control system, the solar heating device,
the solar energy, heat insulation, water containers, pipeline parts etc. Use solar energy
collector to heat energy into water, heat crude oil from the circulative pipeline to keep
it in a certain temperature range, when oil tanks do not need heated, storage the heat
in the water containers ,restart circulatory system to heat the crude oil when needed .
For each section of the system contains ,the thesis makes detailed design
calculation and selection of, and the feasibility,cost performance and the rationality
were analyzed and summarized.
Keywords:
Solar Energy; Oil Tank; Heating System; PhotovoltaicSystem ;
Single-chip Microcontroller
目 录
第 1 章 前言......................................................................... 1
1.1 国内外储油罐保温加热系统的现状........................ 1
1.2 太阳能的特点及开发利用的现状............................ 2
1.3 小结............................................................................. 4
第 2 章太阳能储油罐加热装置的总体设计方案.............. 6
2.1 太阳能储油罐加热装置的总体硬件设计方案........ 6
2.2 太阳能储油罐加热装置的总体软件设计方案........ 6
2.3 太阳能储油罐加热装置的方案设计......................... 7
2.4 小结.......................................................................... 13
第 3 章 系统硬件设计及选型.............................................. 15
3.1 太阳能热水器的设计及选型................................... 15
3.2 太阳能供电系统的设计及选型............................... 18
3.3 热水循环管路的设计及选型................................... 21
3.4 水泵的设计及选型................................................... 23
3.5 伴热带的设计及选型............................................... 24
3.6 保温材料的设计及选型........................................... 26
3.7 小结........................................................................... 27
第 4 章 控制系统的设计及选型.......................................... 28
4.1 凌阳 SPCE061A 单片机的简单介绍 ......................28
4.2 单片机外围接口电路的设计................................... 29
4.3 控制程序编写........................................................... 31
4.4 小结........................................................................... 33
第 5 章 结论...................................................................... 34
致谢.................................................................................... 35
参考文献................................................................................ 36
附录.................................................................................... 38
第1章前言
1.1 国内外储油罐保温加热系统的现状
在原油生产中，某些油井产出的高粘度原油需要在井场储罐内储存加热后
才能装车外运。
单井原油储罐的加热方法及装置是影响原油成本的关键之一。
北
京石油学院任瑛教授发明了当时世界上第一种水套加热炉加热装置，水套加热炉
所用的燃料是天然气。
这种水套加热炉在经过以后几十年的改进，仍然在某些油
井中应用，是油田大多数油井产出的原油可进入输油管道的常用设备[1]。
以下是
近几十年来采油厂常用的储油罐保温措施。
1.火烧心储油罐
由于有些油田在成产原油中伴生的水汽很少，有的甚至没有伴生水汽，水套
加热炉就不能使用。
为此，有人设计出了火烧心储油罐。
这种储油罐中心有加热
管道，罐外有原油燃烧室，人工将原油加入原油燃烧室，加热储油罐中的原油。
这种方法原油燃烧不完全，效率低，污染环境，但在一些没有电、天然气的偏远
油井中，仍然使用这种装置。
2.电热管加热储油罐
此方法只适用于有充足供电条件的油井上。
一般的单井储油罐外形呈圆柱
体，储量在 20-40m³之间，次方法可在原有储罐上稍作改造。
在罐体开一圆孔，
利用此圆孔加装电热管。
电热管的数量和功率，需根据储油罐的储量跟实际需要
来计算。
一般一个 40m³的储油罐装 4-6 根功率为 9KW 的电热管。
电热管加热储油罐有很多优点，如可以实现自动化管理，温度容易控制等，
但也有其缺点。
最大的缺点就是耗电量太大，昂贵的电费直接加大了原油生产的
成本。
面对节能及降低成本两大问题，显然生产单位对这种方法不是很欢迎。
3.气加热及气举装油储罐
针对电加热的不足，研制了气加热跟气举装为一体的加热装置。
这种装置要
求在油井生产的原油时，必须有足够的天然气才行。
如果伴生的天然气不足则无
法使用次装置。
目前生产和使用此装置的数量比较少，胜利油田的孤岛采油厂有
此装置。
4.煤加热储罐
煤加热的储油罐，外形如火管式锅炉。
由于煤炭的价格低廉，使得此法迅
速的在各地得以推广。
此法也存在其缺点，要组织车辆定时向井场运送煤炭以及
及时处理掉煤渣，增加了工人的劳动强度，由于燃煤炉不是一个密封的明火火源
使得其安全性较差。
而且需要有人 24 小时值班，这样燃料上节省的费用将会被
人工费用抵消。
所以此种方法只能在偏远地区的少数高产油井上使用。
5.使用原油燃烧器的储油罐加热装置
原油本身就是一种高质量的燃料，如何利用自产的原油加热单井储油罐是很
多单位都在研究的课题。
石油大学（华东）东石化机械厂 1999 研制成功了一种
以原油（或渣油）为燃料的燃烧器。
这种燃烧器吸取国内外同类产品的特点，可
以充分燃烧原油，火焰可以控制没有积碳，功率由几 KW 到数百 KW。
这种加热装置以生产的原油为燃料，不必再去购买价格虽然较低，单管理费
用很高的煤，综合经济效益比较高。
加热速度快，可根据需要随时开机不需要连
续运行。
随着能源危机的加剧及世界各地对环保的越来越重视，寻求一种既环保又节
能的单井储油罐加热装置成了许多单位研究的主要方向。
其中便有人提出了将太
阳能运用到储油罐加热系统中。
1.2 太阳能的特点及开发利用的现状
来自地球外部天体的能源主要是太阳能，人类所需能量的绝大部分都直接或
间接地来自太阳。
正是各种植物通过光合作用把太阳能转变成化学能在植物体内
贮存下来。
煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫
长的地质年代形成的。
它们实质上是由古代生物固定下来的太阳能。
此外，水能、
风能、波浪能、海流能等也都是由太阳能转换来的。
太阳能的特点：
太阳能于常规能源相比，具有一大、二公、三洁的优点[2]。
（1）大所谓大，就是说太阳能具有能量的巨大性和使用寿命的长久性
每年地球陆地上接受的太阳能据估计至少为 70000 亿千瓦时，相当于全球一
年内总能耗的 3.5 倍，是当今全世界可以开发的最大能源，也是人类 21 世纪的
主要能源。
太阳的能量，按核反应速度及质量亏损率计算，太阳上氢的储量足够维持
600 亿年，与地球上人类历史相比，可以说太阳能是一种取之不尽、用之不竭的
长久能源。
（2）公所谓公，就是说太阳能具有其广泛性，因为阳光普照大地，无论
在陆地或海洋、高山或平原、沙漠或草地，都可以就地取用，无需开采和运输。
（3）洁所谓洁，就是说太阳能是一种清洁的能源，在开发和利用的过程
中没有废渣、废料、废水、废气的排出，没有噪声，不产生对人体有害的物质，
不会给环境造成污染和破坏生态平衡，无论如何利用，多对人类是绝对安全的。
我国蕴藏着丰富的太阳能资源，太阳能利用前景广阔。
目前，我国太阳能产
业规模已位居世界第一，是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家和重要
的太阳能光伏电池生产国。
我国比较成熟的太阳能产品有两项：
太阳能光伏发电
系统和太阳能热水系统。
太阳能利用的基本方式可分为如下四类
（1）光热利用
它的基本原理是将太阳能辐射能收集起来，通过物质的互相作用转化为热能
加以利用。
目前使用最多的太阳能收集器，主要有平板型太阳能集热器、真空管
集热器和聚焦集热器等 3 种。
通常根据所能达到的温度和用途不同，而把太阳能
光热利用分为低温利用、中温利用和高温利用。
目前低温利用主要有太阳能热水
器、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器、太阳房、太阳能温室、太阳能空调制冷系统
等。
中温利用主要有太阳灶、太阳能热发电聚光集热装置等。
高温利用主要有高
温太阳炉等。
（2）太阳能发电
未来太阳能的大规模利用时用来发电。
利用太阳能发电有多种形式，目前已
实用的主要有以下两种。
①光—热—电转换。
既利用太阳能辐射所产生的热能发电。
一般是太阳能集
热器将所吸收的热能转化为工质的蒸汽，然后由蒸汽驱动汽轮机带动发电机发
电。
前一过程为光—热转换，后一过程为热—电转换。
②光—电转换。
其基本原理是利用光生伏打效应将太阳辐射能直接转换为电
能，它的基本装置是太阳能电池。
③光化利用
这是利用太阳能辐射能直接分解水制氢的光—化学装换方式。
④光生物利用
通过植物的光合作用来实现将太阳能转换为生物质的过程。
目前主要有速成
植物（如薪炭林）、油料作物和巨型海藻。
如今，太阳能已广泛应用于建筑、发电、制冷、农业等，油田的日常照明也
都大规模应用了太阳能发电技术。
1.3 小结
随着太阳能应用的越来越广泛，其技术也越来越成熟，为本次太阳能储油罐
加热系统的设计提供了许多可供参考的模型，也使得设计有了理论上的可行性。
本设计借鉴了太阳能在建筑及家用热水器上的成熟应用技术，参考了太阳能热水
系统的设计思路，具体设计将在接下来的几章中给出具体的阐述。
第 2 章太阳能储油罐加热装置的总体设计方案
2.1 太阳能储油罐加热装置的总体硬件设计方案
本设计是以中国石油大学（华东）校内一单井储油罐为原型设计的一套太
阳能储油罐加热装置。
此储油罐呈圆柱体，高 3m 底面直径 4.5m。
整个系统包括
原油储油罐、控制系统、太阳能集热装置、太阳能光电部分、保温储水罐、保温
层、管路部分等。
系统的整体硬件设计方案框图如图 2-1 所示。
图 2-1 系统整体硬件方案设计框图
在本设计方案中，单片机系统采用凌阳 SPCE061A 芯片。
考虑到本系统所需
水量比较大而现行市场上太阳能热水器储水量达不到要求，所以本系统太阳能热
水器采用分体式既分别购买保温储水箱跟太阳能集热器。
太阳能电池板及蓄电池
选 12v 类型，继电器选无触点固态继电器，各部分的具体的选型及设计方案在后
续章节中将详细介绍。
2.2 太阳能储油罐加热装置的总体软件设计方案
太阳能储油罐加热装置的软件设计在基于凌阳 SPEC061A 单片机芯片的基础
上，主要实现系统的热水自动循环、自动防冻、系统的启动及停止，实现对系统
的自动化控制。
软件的总体设计操作流程图如图 2-2 所示。
图 2-2 软件总体设计操作流程图
有图 2-2 可知，单片机在开始工作后，首先初始化各个工作模块及给出每个
变量的设定值，然后采集数据并对数据进行 A/D 转换，转换后的数据与对应得设
定值进行比较根据比较结果控制水泵的启停及伴热带的启停，并对系统各模块进
行监督确保系统自动的正确安全运行，数据的采集、转换、处理在后续的章节中
将详细的介绍。
2.3 太阳能储油罐加热装置的方案设计
2.3.1 相关参数
1）原油的相关参数
表 2-1 原油相关参数
密度 运动粘度动力粘度含蜡（%） 含胶（%） 凝固点
稀油
（20℃） （50℃） （50℃）
g/cm³ mm²/s 10 4 Pa·s
0.88 20—50 15—45 15—25
10
（℃）
28—35
0.9602 — 2979— 2819—
稠油0.996688258735539
石油的比热为 2.53KJ/Kg·℃
2）储油罐容量及面积
储油罐底面直径：
d=4.5m
储油罐高：
h=3m
储油罐容积：
V = π R 2 H
=3.14×2.25²×1.5
=47.69m³
储油罐表面积：
A = 2πR 2 + 2πRH
=2×3.14×2.25²+2×3.14×2.25×3
=74.18 ㎡
2.3.2 热力计算
1）每㎡保温层外表面的散热量计算
Q =T0 - Ta
公式为：
b1 + b2 + b3 + 1
λa
3s
式中：
T - 储油罐内油温度℃
0
T - 外 部 环 境 温 度 ℃
a
b - 储 油 罐 钢 板 厚 度
1
b - 水管直径m
2
b - 保温层厚度m
3
a - 表面放热系数W / （ m℃）
s
﹣6—8
（2—1）
（2—2）
（2—3）
λ
W /
λ
λ
/
层 夹
以上参数中 T 取 50℃，T 取-20℃，b 取 6mm, b 取 20mm，b 取 100mm，λ 取
0a1231
45 W / m ⋅℃ , λ 取 0.2 W / m ⋅℃ ， λ 取 0.024 W / m ⋅℃
23
a = 1.163⨯ （6 + 3 W ）W /（m2 ⋅℃），W为当地平均风速，取3m / s
s
则 a = 1.163⨯ （6 + 3 3） = 13W /（m2 ⋅℃）
s
将上述数据代入散热量计算公式，则
Q =
6 ⨯10-3
45
50 - （-20）
20 ⨯10-3 100 ⨯10-3 1
+ + +
0.2 0.024 13
=16.1 J/（m²·s）
2）油罐每日总体散热量
Q = Q ⋅ A ⋅ T
散
（2—4）
= 16.1⨯ 74.18 ⨯ 24 ⨯ 3600 = 103.2 ⨯106 J
设满罐时原油下降一摄氏度所需时间为 T1，则
C M ∆T = QAT
油油1
代入数据得：
T1=26h
既满罐时原油下降一摄氏度需要 26 小时。
3）日照量的计算
本设计中选择济南的太阳辐射量作为参考。
根据中国气象局国家气象中心提供的 2000 年济南每月及全年总辐射量数据
如表 2-2 所示（单位：
MJ/㎡）。
表 2-2 2000 年济南太阳辐射量
地
区
总
量
一
月
二
月
三
月
四
月
五
月
六
月
七
月
八
月
九
月
十
月
十
一
十
二
月
月
济
南
489
5.3
240
.56
352
.23
527
.88
579
.47
577
.73
544
.02
542
.04
498
.46
438
.41
245
.81
213
.93
184
.85
9
考虑到极限情况，既日照量最低的十二月份作为依据计算
日辐射量为：
H=184.85/30=6.17MJ/㎡
4）集热面积的计算
S =Q
SL
式中：
Q - 太阳能热水系统的热负荷MJ
H - 平均日太阳辐射量 MJ
η
η
S - 集 热 器 的 平 均 极 热 效 率
L - 水 箱 和 管 路 的 热 损 失 率
η 取决于集热器质量的好坏，一般可在 0.3—0.5 之间选取。
η 一般可
SL
按 0.2—0.3 之间选取。
本设计中η 取 0.4，η 取 0.2， Q = Q ，则
SL散
S =103.2= 52.3m 2
6.17 ⨯ 0.4（1 - 0.2）
存储满罐一般时间为 6 天，考虑到天气影响，设定 6 天集够所需热量，
则所需的集热面积为 S=52.3/6=8.7 m 2 。
5）管路计算
储油罐侧面采用螺旋缠绕式将水管缠绕于储油罐外侧，储油罐底部管
路分布如图 2-3 所示：
图 2-3 储油罐底部管路分布图
由图可知，油罐底部管路呈 U 型分布，用一张轻质钢板通过罐底的固定螺丝
将管路固定在油罐底部，罐底部同时有五根支撑住将罐固定。
油罐周长：
L = 2π R = 2 ⨯ 3.14 ⨯ 2.25 = 14.13m
选热水管管径 20-2，则
缠绕储油罐热水管的圈数为：
n =3= 150
0.02
则此部分所需热水管长度为：
L = L ⋅ n = 14.13 ⨯150 = 2119.5m
1
设底面所需热水管长度为 L ：
2
则有：
d ⋅ L = π R 2
2
式中：
d - 热水管直径
R - 储油罐底面半径
代入数据 0.02 ⨯ L = 3.14 ⨯ 2.252
2
得 L = 794.8m
2
综上所需热水管总长度为：
L = L + L = 2119.5 + 794.8 = 2914.3m
总12
6）管路阻力损失计算
4.5
=
弯头 0.02 ⨯ 2
= 113个
储水箱
出水口进水口
图 2-4 阻力损失计算模型
设出水口跟进水口在同一水平面上，由列柏努利方程得：
u 2pu 2p
gz +1 +1 + W = gz +2 +1 + ∑ h
1e2
12
f
（2—6）
式中：
u ， u 分别为出水口和进水口的水流速度 m / s
12
p ， p 分别为出水口和进水口的压强 Pa
12
ρ ， ρ 分别为出水口和进水口液体密度 Kg / m
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