楊宏偉 王煙帝 魏偉 中國石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院

輸油管道的光伏發(fā)電—自控溫電伴熱系統(tǒng)*

楊宏偉 王煙帝 魏偉 中國石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院

以太陽能作為輸油管線伴熱設(shè)備的能量供應(yīng)源，利用光伏發(fā)電系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，再由電能對(duì)原油管線進(jìn)行伴熱。將光伏發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)伴熱方式進(jìn)行組合，得出優(yōu)化方案。結(jié)果表明，光伏發(fā)電—自控溫電伴熱方案可行性、經(jīng)濟(jì)性均較突出，該伴熱方式可達(dá)到節(jié)能減排、優(yōu)化運(yùn)行的目的。

輸油管道；伴熱系統(tǒng)；光伏發(fā)電；太陽能

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以新疆塔里木油田某區(qū)塊為例，年日照時(shí)數(shù)為2 700 h，年總輻射量為6 000 MJ/m2，平均輻射率為617 W/m2，最高氣溫36℃，最低氣溫-10℃，年平均溫度為10℃。

1.1 管道散熱量計(jì)算

某架空管道的保溫材料為聚氨酯泡沫塑料，厚40 mm，保護(hù)層厚3 mm。氣溫-10℃，風(fēng)速5 m/s，管道長度400 m，輸送原油溫度維持在55～60℃。各層物性參數(shù)見表1，原油物性參數(shù)見表2。

表1 各層物性參數(shù)

表2 原油物性參數(shù)

根據(jù)以上參數(shù)，由參考計(jì)算公式[1]計(jì)算的總傳熱系數(shù)為1.15 W/(m2·℃)，裸露管段向外散發(fā)的總熱量為29 603 W，單位長度的散熱量為74 W/m。

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮到相關(guān)儀表的供電要求，功率按照30 kW估算，額定工作電壓220 V，每天用電時(shí)間24 h，電流強(qiáng)度136.4 A，平均安培小時(shí)數(shù)3 272.7 Ah，每天需要供電量720 kW·h。光伏方陣的利用效率取0.6，可知一天的發(fā)電量為1 208 kW·h，則計(jì)算得出太陽能電池標(biāo)稱容量為150 kWP。

（1）太陽能電池組件。選擇300塊型號(hào)為500 W/24 V的太陽能組件，總功率為150 kWP。光電場(chǎng)由10個(gè)太陽能電池支架組成陣列，每個(gè)支架上固定30塊太陽能電池組件。15塊太陽能電池組件串聯(lián)成一個(gè)子方陣，其工作電壓為360 V。兩個(gè)支架共4個(gè)子方陣并聯(lián)成一個(gè)支路單獨(dú)接入直流控制系統(tǒng)，便于實(shí)現(xiàn)分路控制。太陽能電池陣列共計(jì)有5個(gè)支路。

（2）蓄電池。選擇180只蓄電容量為3 400 Ah的固定式鉛酸蓄電池單體，串聯(lián)成360 V/3 400 Ah的儲(chǔ)能蓄電池組。

（3）逆變器。容量140 kW，負(fù)荷功率因數(shù)為0.93。

（4）直流控制系統(tǒng)。容量360 kW，電壓360 V，輸入類型為光電充電/整流充電，光電輸入12路，每路20 A；輸出2路，每路120 A。操作方式為手動(dòng)/自動(dòng)/計(jì)算機(jī)三方式控制。

（5）交流配電系統(tǒng)。蓄電池直流電經(jīng)逆變器變成50 Hz正弦交流電后，由交流配電系統(tǒng)輸出。交流配電系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷進(jìn)行控制管理。主要技術(shù)要求為：容量430 kVA，其中兩路逆變器2×140 kVA；1臺(tái)150 kW柴油發(fā)電機(jī)組；電壓形式220 VAC，三相四線，具有逆變器/柴油機(jī)供電切換功能，并有互鎖保護(hù)；具有輸入欠壓、缺相保護(hù)及輸出短路保護(hù)功能。

（6）整流發(fā)電系統(tǒng)。用柴油發(fā)電給蓄電池充電。技術(shù)參數(shù)：輸入三相交流電壓380 V，輸出可調(diào)直流300～500 V，容量200 kW。

（7）配套柴油發(fā)電機(jī)組。作為后備電源，以保證光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠可靠供電，發(fā)電功率150 kW。

2 各種伴熱方式技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比

在綜合調(diào)查油田長輸管道伴熱方式的基礎(chǔ)上，對(duì)各種伴熱方式的各項(xiàng)費(fèi)用進(jìn)行匯總：①蒸汽伴熱與熱水伴熱的年平均運(yùn)行費(fèi)用均較其他伴熱方式費(fèi)用高，而自控溫電伴熱運(yùn)行費(fèi)用最低；②集膚管伴熱與微波加熱相對(duì)比，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)，微波加熱可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，自動(dòng)化程度高，但存在磁控管功率損失的缺點(diǎn)，而集膚管伴熱卻不容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；③蒸汽伴熱年平均費(fèi)用最高，屬于能耗最高的伴熱方式，而自控溫電伴熱、稀土電熱膜、集膚管伴熱和微波加熱作為新技術(shù)，發(fā)展前景好，優(yōu)勢(shì)明顯。由以上分析并結(jié)合油田現(xiàn)狀，推薦輸油管線伴熱組合方式為光伏發(fā)電—自控溫電伴熱。其實(shí)施過程為：利用光伏發(fā)電系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，再由電能對(duì)自控溫電伴熱帶供電，實(shí)現(xiàn)對(duì)原油管線的伴熱。

3 結(jié)語

隨著光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，光伏發(fā)電的光電轉(zhuǎn)換效率將隨之增加，相關(guān)設(shè)備造價(jià)會(huì)下降，太陽能伴熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性會(huì)更加突出。光伏發(fā)電—自控溫電伴熱系統(tǒng)在外輸管線，特別是地處惡劣環(huán)境的架空、裸露管線的伴熱保溫領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]楊莜衡．輸油管道設(shè)計(jì)與管理[M]．東營：中國石油大學(xué)出版社，2006.

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.1.012

基金論文：中國石油大學(xué)（華東）研究生創(chuàng)新資金資助項(xiàng)目（CX—1239）。

基金論文：大慶師范學(xué)院研究基金項(xiàng)目（10ZR04）。