本實用新型涉及一種太陽能相變儲換熱裝置，用于在油田原油太陽能加溫輸送過程中最大程度的利用太陽能，減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)常規(guī)能源的消耗。

背景技術(shù)：

目前將太陽能應(yīng)用于油田管輸原油加熱的太陽能熱水系統(tǒng)中，往往設(shè)置儲熱水箱和原油換熱器來實現(xiàn)將太陽能通過集熱循環(huán)加熱儲熱水箱內(nèi)的介質(zhì)水，再通過將介質(zhì)熱水循環(huán)至換熱器實現(xiàn)對原油的加熱。在這樣的系統(tǒng)中，儲熱水箱本身的散熱會造成熱能損失，二次換熱會造成熱能損失，太陽能集熱產(chǎn)出的熱水溫度較低（60℃）使得原油換熱器不得不采用較大的換熱面積，使得系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)水總量加大，增加循環(huán)泵的能耗損失。同時，這樣的系統(tǒng)占地面積和投資較大，并不滿足多數(shù)油田的生產(chǎn)現(xiàn)場的使用要求。

在撬裝式原油太陽能輔助加熱裝置中通過設(shè)置撬裝式集熱換熱水箱，減少了太陽能系統(tǒng)的占地面積，初步提高了太陽能的系統(tǒng)利用率，滿足了油田現(xiàn)場條件的要求，實現(xiàn)了在優(yōu)先使用太陽能的條件下原油全年不間斷加溫、原油外輸溫度可控等功能，原油輸送溫度可控制在40℃以上。在現(xiàn)場應(yīng)用中一體式集熱換熱水箱內(nèi)的介質(zhì)水被控制在一個最低溫度值（如50℃），當(dāng)晴日陽光照射時間段，水箱溫度會逐步提升，起到一定的儲能作用，與此同時，隨著水箱溫度提升外輸原油的溫度也在該時段內(nèi)會相應(yīng)提升，這種現(xiàn)象會造成該時段內(nèi)外輸?shù)脑瓦^多的帶走水箱內(nèi)的熱量，使可利用的太陽能能量提前損失，導(dǎo)致之后時段輔助常規(guī)能源的消耗增大，造成一定的能源浪費。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服太陽充足時段富余的太陽能量過多的被流動原油帶走而造成的常規(guī)能源的浪費問題，本實用新型提供的一種太陽能相變儲換熱裝置，實現(xiàn)在晴日陽光照射時間段相變儲換熱裝置在水箱內(nèi)介質(zhì)水溫度不提升或小范圍提升，保持外輸原油的溫度穩(wěn)定，同時儲存更多的太陽能量，增加系統(tǒng)內(nèi)太陽能的利用時間，減少常規(guī)能源消耗，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

本實用新型采用的技術(shù)方案為：

一種太陽能相變儲換熱裝置，包括保溫水箱和托盤，所述保溫水箱固定在托盤上，所述保溫水箱內(nèi)設(shè)置原油盤管，所述原油盤管的原油出口和原油入口位于保溫水箱一側(cè)，所述保溫水箱另一側(cè)的托盤上還設(shè)有控制柜和循環(huán)水泵，循環(huán)水泵和保溫水箱均與控制柜信號連接；所述保溫水箱上端設(shè)有循環(huán)水回水口，所述保溫水箱下端設(shè)有循環(huán)水出水口，循環(huán)水出水口與循環(huán)水泵連接；所述保溫水箱內(nèi)設(shè)有多根金屬棒，所述金屬棒與原油盤管相互垂直。

所述保溫水箱上靠近控制柜的一側(cè)設(shè)置有輔助電加熱器，所述輔助電加熱器位于保溫水箱內(nèi)，輔助電加熱器與控制柜信號連接。

所述原油盤管為多層，所述金屬棒在原油盤管垂直方向焊接在保溫水箱內(nèi)部，每根金屬棒在保溫水箱的兩側(cè)保留開口，開口采用內(nèi)絲螺紋。

所述金屬棒內(nèi)添加有相變儲熱材料，金屬棒兩端開口通過絲堵密封。

所述原油盤管采用Ф60無縫鋼管，公稱壓力為10MPa；所述金屬棒3采用Ф100無縫鋼管。

所述保溫水箱內(nèi)膽材質(zhì)為5mm熱軋鋼板，保溫為雙層保溫，內(nèi)層3.0cm橡塑保溫，外層為5.0cm聚苯乙烯泡沫彩鋼夾心板。

所述保溫水箱內(nèi)徑為3.0m×2.0m×1.8m，所述托盤11尺寸為3.8 m×2.2m×0.1m。

所述保溫水箱內(nèi)部涂有防腐材料。

本實用新型的有益效果為：

本實用新型中原油通過原油盤管被直接加熱，減少了二次換熱造成的熱量損失，熱效率高；裝置在設(shè)定好水箱溫度后，水箱內(nèi)介質(zhì)水和原油的溫度會保持在一個穩(wěn)定的滿足現(xiàn)場輸油條件的溫度值，根據(jù)現(xiàn)場的油溫要求我們可以確定該裝置水箱的設(shè)定溫度，然后選擇與該溫度相應(yīng)的相變材料填充到裝置內(nèi)集熱換熱水箱內(nèi)的專用金屬棒內(nèi)，當(dāng)晴日太陽能量充足的時段內(nèi)，富余太陽能量提升水箱的溫度到達(dá)相變儲熱材料的相變溫度后，儲熱材料發(fā)生相變（固態(tài)至液態(tài)），在吸收儲存了富余太陽能量的同時，水箱溫度和被加熱的原油溫度保持穩(wěn)定；當(dāng)太陽能量減弱后，水箱溫度降低，儲熱材料發(fā)生相變（液態(tài)至固態(tài)），并逐步釋放熱量，直至熱量釋放完成，水箱溫度降至設(shè)定溫度后輔助電加熱開啟保溫運行，大大延長了利用太陽能加熱原油的時間，節(jié)約常規(guī)能源的消耗，做到了最大程度的利用太陽能。

本裝置克服了太陽充足時段富余的太陽能量過多的被流動原油帶走而造成的常規(guī)能源的浪費問題，同時使原油的外輸溫度更加平穩(wěn)。

本裝置利用了先進(jìn)的定溫相變儲能材料，縮減了通常太陽能系統(tǒng)的儲能水箱和二次換熱設(shè)計，提高熱利用率的同時，減小了設(shè)備的體積和整體占地面積，現(xiàn)場設(shè)備安裝簡易，便于維修及部件更換。

以下將結(jié)合附圖進(jìn)行進(jìn)一步的說明。

附圖說明

圖1為本裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本裝置俯視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，附圖標(biāo)記為：1、保溫水箱；2、原油盤管；3、金屬棒；4、原油出口；5、原油入口；6、輔助電加熱器；7、循環(huán)水回水口；8、循環(huán)水出水口；9、循環(huán)水泵；10、控制柜；11、托盤。

具體實施方式

實施例1：

為了克服太陽充足時段富余的太陽能量過多的被流動原油帶走而造成的常規(guī)能源的浪費問題，本實用新型提供如圖1所示的一種太陽能相變儲換熱裝置，實現(xiàn)在晴日陽光照射時間段相變儲換熱裝置在水箱內(nèi)介質(zhì)水溫度不提升或小范圍提升，保持外輸原油的溫度穩(wěn)定，同時儲存更多的太陽能量，增加系統(tǒng)內(nèi)太陽能的利用時間，減少常規(guī)能源消耗，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

一種太陽能相變儲換熱裝置，包括保溫水箱1和托盤11，所述保溫水箱1固定在托盤11上，所述保溫水箱1內(nèi)設(shè)置原油盤管2，所述原油盤管2的原油出口4和原油入口5位于保溫水箱1一側(cè)，所述保溫水箱1另一側(cè)的托盤11上還設(shè)有控制柜10和循環(huán)水泵9，循環(huán)水泵9和保溫水箱1均與控制柜10信號連接；所述保溫水箱1上端設(shè)有循環(huán)水回水口7，所述保溫水箱1下端設(shè)有循環(huán)水出水口8，循環(huán)水出水口8與循環(huán)水泵9連接；所述保溫水箱1內(nèi)設(shè)有多根金屬棒3，所述金屬棒3與原油盤管2相互垂直。

原油通過進(jìn)入本裝置的換熱原油盤管2被直接加熱，減少了二次換熱造成的熱量損失，熱效率高；本裝置在設(shè)定好保溫水箱1溫度后，保溫水箱1內(nèi)介質(zhì)水和原油的溫度會保持在一個穩(wěn)定的滿足現(xiàn)場輸油條件的溫度值，根據(jù)現(xiàn)場的油溫要求我們可以確定該裝置保溫水箱1的設(shè)定溫度，在本裝置工作時，通過循環(huán)水出水口8和循環(huán)水回水口7與外部太陽能集熱器連接，裝置監(jiān)測所連接太陽能集熱器溫度和水箱溫度，當(dāng)二者溫差大于程序設(shè)定值5-8℃時，控制柜10對其進(jìn)行控制，自動打開集熱循環(huán)水泵9，使保溫水箱1內(nèi)的低溫水流經(jīng)集熱器進(jìn)行加溫后返回保溫水箱1，當(dāng)二者溫差達(dá)到程序設(shè)定的循環(huán)停止值2-3℃時，裝置關(guān)閉循環(huán)水泵9停止循環(huán)，使得在有充分日照的條件下的太陽能轉(zhuǎn)換為熱能儲存至儲熱的保溫水箱1。

實施例2：

基于上述實施例的基礎(chǔ)上，本實施例中，所述保溫水箱1上靠近控制柜10的一側(cè)設(shè)置有輔助電加熱器6，所述輔助電加熱器6位于保溫水箱1內(nèi)，輔助電加熱器6與控制柜10信號連接。

控制柜10為現(xiàn)有技術(shù)，為成品，市場上均可買到，本實用新型中將不再具體敘述。

所述原油盤管2為多層，所述金屬棒3在原油盤管2垂直方向焊接在保溫水箱1內(nèi)部，每根金屬棒3在保溫水箱1的兩側(cè)保留開口，開口采用內(nèi)絲螺紋。

所述金屬棒3內(nèi)添加有相變儲熱材料，金屬棒3兩端開口通過絲堵密封。

所述原油盤管2采用Ф60無縫鋼管，公稱壓力為10MPa；所述金屬棒3采用Ф100無縫鋼管。

所述保溫水箱1內(nèi)膽材質(zhì)為5mm熱軋鋼板，保溫為雙層保溫，內(nèi)層3.0cm橡塑保溫，外層為5.0cm聚苯乙烯泡沫彩鋼夾心板。

所述保溫水箱1內(nèi)徑為3.0m×2.0m×1.8m，所述托盤11尺寸為3.8 m×2.2m×0.1m。

所述保溫水箱1內(nèi)部涂有防腐材料。

如圖1所示，保溫水箱1內(nèi)徑為3.0m×2.0m×1.8m，托盤11尺寸為3.8 m×2.2m×0.1m，根據(jù)現(xiàn)場需求，保溫水箱1內(nèi)設(shè)置28米原油盤管2，同時設(shè)置Ф100×2000mm的填充相變儲熱材料的80只金屬棒3，金屬棒3內(nèi)可填充1.25m³規(guī)格為46℃的相變材料，可儲存250MJ的熱量。

本裝置的托盤11采用8號槽鋼進(jìn)行焊接，保溫水箱1固定于托盤11一側(cè)，保溫水箱1容積為10.2m³，保溫水箱1內(nèi)膽材質(zhì)為5mm熱軋鋼板，保溫為雙層保溫，內(nèi)層3.0cm橡塑保溫，外層為5.0cm聚苯乙烯泡沫彩鋼夾心板,保溫水箱1內(nèi)部防腐處理，控制柜10、循環(huán)水泵9和輔助電加熱器6在托盤11的另一側(cè)，和原油進(jìn)、出口朝向相反。

保溫水箱1內(nèi)置原油盤管2，原油盤管2采用Ф60無縫鋼管，公稱壓力為10MPa；相變儲熱材料的金屬棒3采用Ф100無縫鋼管，與原油盤管2垂直方向焊接在保溫水箱1內(nèi)部，每根金屬棒3在保溫水箱1的前后兩側(cè)保留開口，開口采用內(nèi)絲螺紋，開口可用相應(yīng)的絲堵進(jìn)行密封，也便于相變材料的填料及換料維護(hù)。原油進(jìn)、出口采用相應(yīng)壓力等級的鋼制法蘭與現(xiàn)場輸油管線連接。

原油通過進(jìn)入本裝置的換熱原油盤管2被直接加熱，減少了二次換熱造成的熱量損失，熱效率高；本裝置在設(shè)定好保溫水箱1溫度后，保溫水箱1內(nèi)介質(zhì)水和原油的溫度會保持在一個穩(wěn)定的滿足現(xiàn)場輸油條件的溫度值，根據(jù)現(xiàn)場的油溫要求我們可以確定該裝置保溫水箱1的設(shè)定溫度，然后選擇與該溫度相應(yīng)的相變儲熱材料填充到保溫水箱1內(nèi)的專用金屬棒3內(nèi)，當(dāng)晴日太陽能量充足的時段內(nèi)，富余太陽能量提升保溫水箱1的溫度到達(dá)相變儲熱材料的相變溫度后，儲熱材料發(fā)生相變（固態(tài)至液態(tài)），在吸收儲存了富余太陽能量的同時，保溫水箱1溫度和被加熱的原油溫度保持穩(wěn)定；當(dāng)太陽能量減弱后，保溫水箱1溫度降低，儲熱材料發(fā)生相變（液態(tài)至固態(tài)），并逐步釋放熱量，直至熱量釋放完成，保溫水箱1溫度降至設(shè)定溫度后輔助電加熱器6開啟保溫運行，大大延長了利用太陽能加熱原油的時間，節(jié)約常規(guī)能源的消耗，做到了最大程度的利用太陽能。

實施例3：

基于上述實施例的基礎(chǔ)上，本實施例中提供一種太陽能相變儲換熱方法，具體步驟為：

步驟一 將本裝置通過循環(huán)水回水口7和循環(huán)水出水口8與太陽能集熱器連接，并監(jiān)測太陽能集熱器溫度和保溫水箱1溫度，當(dāng)二者溫差大于程序設(shè)定值5-8℃時，打開集熱循環(huán)水泵9，使保溫水箱1內(nèi)的低溫水流經(jīng)集熱器進(jìn)行加溫后返回保溫水箱1，當(dāng)二者溫差達(dá)到程序設(shè)定的循環(huán)停止值2-3℃時，關(guān)閉循環(huán)水泵9停止循環(huán)；

步驟二 根據(jù)現(xiàn)場的原油輸油溫度選擇相應(yīng)的換熱相變材料進(jìn)行儲熱，當(dāng)晴日太陽能量充足的時段內(nèi)，富余太陽能量提升保溫水箱1的溫度到達(dá)相變儲熱材料的相變溫度后，儲熱材料發(fā)生相變從固態(tài)至液態(tài)，在吸收儲存了富余太陽能量的同時，保溫水箱1溫度和被加熱的原油溫度保持穩(wěn)定；當(dāng)太陽能量減弱后，保溫水箱1溫度降低，儲熱材料發(fā)生相變從液態(tài)至固態(tài)，并逐步釋放熱量，直至熱量釋放完成；

步驟三 當(dāng)保溫水箱1溫度降至設(shè)定溫度后輔助電加熱器6開啟保溫運行。

本實施例中采油三廠76井區(qū)定井場，地處定邊油坊莊境內(nèi)，海拔1800米，場內(nèi)共有采油井2口，日產(chǎn)液12.0ｍ3，其中原油6.5ｍ3，油井產(chǎn)油通過輸油管道輸送，為保持原油外輸溫度并減小冬季回壓，通過安裝撬裝式原油太陽能輔助加熱裝置對外輸原油進(jìn)行全天候加溫，使原油冬季輸出溫度需保持在35-40℃，所需能源由太陽能集熱系統(tǒng)及輔助電加熱提供。

根據(jù)計算，秋冬季節(jié)原油加熱（平均升溫30℃）每日的總熱需求約為1250MJ，設(shè)計太陽能集熱能力按照總熱需求的50%，需要太陽能集熱器面積A=Q/Hη=625/17×0.6=61.3m²，合1800×58mm×36無機(jī)超導(dǎo)集熱聯(lián)箱16組。

按照設(shè)計的產(chǎn)熱量，晴日單日產(chǎn)熱約625MJ，在6小時集熱時段，應(yīng)當(dāng)被原油帶走熱量316MJ，有309MJ應(yīng)當(dāng)被儲存，如果利用儲熱水箱的儲熱介質(zhì)水進(jìn)行儲熱，同時水箱溫度上升不超過3℃的條件，則儲熱水箱的應(yīng)當(dāng)為24.5噸，顯然現(xiàn)場條件和造價滿足不了這樣的設(shè)計需求。

如圖2所示，保溫水箱內(nèi)徑為3.0m×2.0m×1.8m，托盤尺寸為3.8 m×2.2m×0.1m，根據(jù)現(xiàn)場需求，水箱內(nèi)設(shè)置28米原油換熱盤管，同時設(shè)置Ф100×2000mm的填充相變儲熱材料的金屬棒80只，可填充1.25m³規(guī)格為46℃的相變材料，可儲存250MJ的熱量。

為確保系統(tǒng)最不利狀態(tài)下日產(chǎn)熱能力，配備12KW×3組（一備兩用）輔助電加熱器6，保溫水箱1溫度低于定溫規(guī)定值（45℃）時分級啟動，保持保溫水箱1溫度在45℃以上。本裝置中裝置配備兩臺循環(huán)水泵9（一用一備），設(shè)計流量為2.7m³/h。

根據(jù)現(xiàn)場的原油輸油溫度要求，首先通過設(shè)定使得集熱換熱的保溫水箱1的溫度被控制在不低于一個溫度值，從而使原油輸油溫度也保持在相應(yīng)的溫度值，該溫度滿足原油輸送要求，范圍內(nèi)滿足了實際工作需要。當(dāng)水箱溫度低于設(shè)定溫度值時，輔助電加熱器6分級啟動，保持保溫水箱1和原油溫度。在本裝置工作時，通過循環(huán)水出水口8和循環(huán)水回水口7與外部太陽能集熱器連接，裝置監(jiān)測所連接太陽能集熱器溫度和水箱溫度，當(dāng)二者溫差大于程序設(shè)定值5-8℃時，自動打開集熱循環(huán)水泵9，使保溫水箱1內(nèi)的低溫水流經(jīng)集熱器進(jìn)行加溫后返回保溫水箱1，當(dāng)二者溫差達(dá)到程序設(shè)定的循環(huán)停止值2-3℃時，裝置關(guān)閉循環(huán)水泵9停止循環(huán)，使得在有充分日照的條件下的太陽能轉(zhuǎn)換為熱能儲存至儲熱的保溫水箱1。

根據(jù)現(xiàn)場的原油輸油溫度選擇相應(yīng)的相變材料進(jìn)行儲熱，當(dāng)晴日太陽能量充足的時段內(nèi)，富余太陽能量提升保溫水箱1的溫度到達(dá)相變儲熱材料的相變溫度后，儲熱材料發(fā)生相變（固態(tài)至液態(tài)），在吸收儲存了富余太陽能量的同時，保溫水箱1溫度和被加熱的原油溫度保持穩(wěn)定；當(dāng)太陽能量減弱后，保溫水箱1溫度降低，儲熱材料發(fā)生相變（液態(tài)至固態(tài)），并逐步釋放熱量，直至熱量釋放完成，保溫水箱1溫度降至設(shè)定溫度后輔助電加熱開啟保溫運行，延長利用太陽能加熱原油的時間，節(jié)約常規(guī)能源的消耗，做到了最大程度的利用太陽能。

本實用新型中提到的裝置及部件，沒有特殊說明的，均為現(xiàn)有公知技術(shù)，本實用新型中將不再進(jìn)行一一敘述。