太阳能技术在油罐加热.docx

1、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

2、。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ABSTRACTAccordingtothedefectofthelargeelectricheatingwhichusedcommonlyinthecurrentoilextractionfactorythatshortlife,highe

3、nergyconsumption,lowsafetyetc,especiallyinremoteareas,powersupplyshortageandtakesgreat,thisthesiscomeupwithapetroleumstoragetankheatingsystembasedonsolarenergy.At the sametimewiththesolutionofthepotentialsafetyhazardsuchasflammablegasfire,explosivetanketcintheelectricheatingsystem,solvingtheremotere

4、gionblackoutsfault,usingsolarenergy,pollution-freeandpro-environment,onetimeinvestmentbenefitlong-term.Thesystemincludescrudeoiltank,thecontrolsystem,thesolarheatingdevice,thesolarenergy,heatinsulation,watercontainers,pipelinepartsetc.Usesolarenergycollectortoheatenergyintowater,heatcrudeoilfromthec

5、irculativepipelinetokeepitinacertaintemperaturerange,whenoiltanksdonotneedheated,storagetheheatinthewatercontainers,restartcirculatorysystemtoheatthecrudeoilwhenneeded.Foreachsectionofthesystemcontains,thethesismakesdetaileddesigncalculationandselectionof,andthefeasibility,costperformanceandtheratio

6、nalitywereanalyzedandsummarized.Keywords:SolarEnergy;OilTank;HeatingSystem;Photovoltaic System;Single-chipMicrocontroller目录第1章前 言.11.1国内外储油罐保温加热系统的现状. 11.2太阳能的特点及开发利用的现状. 21.3小结. 4第2章 太阳能储油罐加热装置的总体设计方案.62.1太阳能储油罐加热装置的总体硬件设计方案. 62.2太阳能储油罐加热装置的总体软件设计方案. 62.3太阳能储油罐加热装置的方案设计. 72.4小结. 13第3章系统硬件设计及选型. 153

7、.1太阳能热水器的设计及选型. 153.2太阳能供电系统的设计及选型. 183.3热水循环管路的设计及选型. 213.4水泵的设计及选型. 233.5伴热带的设计及选型. 243.6保温材料的设计及选型. 263.7小结. 27第4章控制系统的设计及选型. 284.1凌阳SPCE061A单片机的简单介绍. 284.2单片机外围接口电路的设计. 294.3控制程序编写. 314.4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

8、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

9、。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20-40m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40m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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、式，目前已实用的主要有以下两种。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。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。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。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

16、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

17、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

18、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/cmmm/s104Pas0.8820501545152510（）28350.96022979 2819稠油 0.9966 8825

19、8735 5 39石油的比热为2.53KJ/Kg2）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=R2H=3.142.251.5=47.69m储油罐表面积：A=2R2+2RH=23.142.25+23.142.253=74.182.3.2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 a3 s式中：T-储油罐内油温度0T-外部环境温度ab-储油罐钢板厚度1b-水管直径m2b-保温层厚度m3a-表面放热系数W/(m)s68（21）（22）（23）W/层夹以上参数中T取50，T取-20，b取6mm,b取20mm，b取100mm，

20、取0 a 1 2 3 145W/m,取0.2W/m，取0.024W/m2 3a=1.163(6+3W)W/(m2)，W为当地平均风速，取3m/ss则a=1.163(6+33)=13W/(m2)s将上述数据代入散热量计算公式，则Q=610-34550-(-20)2010-310010-31+0.20.02413=16.1J/(ms)2）油罐每日总体散热量Q=QAT散（24）=16.174.18243600=103.2106J设满罐时原油下降一摄氏度所需时间为T1，则CMT=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

21、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2-22000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4895.3240.56352.23527.88579.47577.73544.02542.04498.46438.41245.81213.93184.859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= QS L式中：Q-太阳能热水系统的热负荷MJH-平均日太阳辐射量MJS-集热器的平均极热效率L-水箱和管路的热损失

22、率取决于集热器质量的好坏，一般可在0.30.5之间选取。一般可S L按0.20.3之间选取。本设计中取0.4，取0.2，Q=Q，则S L 散S= 103.2 =52.3m26.170.4(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=8.7m2。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=2R=23.142.25=14.1

23、3m选热水管管径20-2，则缠绕储油罐热水管的圈数为：n= 3 =1500.02则此部分所需热水管长度为：L=Ln=14.13150=2119.5m1设底面所需热水管长度为L：2则有：dL=R22式中：d-热水管直径R-储油罐底面半径代入数据0.02L=3.142.2522得L=794.8m2综上所需热水管总长度为：L=L+L=2119.5+794.8=2914.3m总 1 26)管路阻力损失计算4.5=弯头0.022=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：u2 p u2 pgz+ 1+ 1+W=gz+ 2+ 1+h1 e 21 2f（26）式中：u，u分别为出水口和进水口的水流速度m/s1 2p，p分别为出水口和进水口的压强Pa1 2，分别为出水口和进水口液体密度Kg/m