引言在加大油田生产规模的同时，需要注意开发过程中对生态环境的保护问题，对油田能源消耗的有效配置及优化是做好环境保护工作的重要保障。在油气开采领域，采油系统能耗不仅包括抽油机用电，还包括采出液加热或井筒伴热降黏防蜡等热能需求。因此对采油单井所需能耗的配置及优化，对开展油田企业低能耗、高效率的采油工作具有重要意义[1]。已有太阳能光热转换技术应用在原油储运工程中的实例，Lasich[2]等将太阳能集热技术应用于原油管道，实现输量增加和管道伴热。Altayib[3]等开发太阳能预加热原油的方案，效率达到60.94%。王学生[4]等设计原油加热集输系统，在正常的太阳辐射下加热原油，温升可达25~30 ℃。王向宏[5]等指出太阳能光热技术代替集输加热炉燃气节能潜力较大，具有良好的经济效益和环境效益。付在国[6]等设计耦合电制热、储热功能的原油加热系统及其工作流程，热负荷计算流程、供热方式与节能分析方法，为太阳能利用技术在原油储运工程中的应用提供参考。刘文龙[7]等提出一种太阳能辅助电加热联合热水供给系统的节能控制方案，研究结果能够为太阳能与辅助能源联合供热系统的节能设计提供有效方法。利用太阳能加热原油，可采用直接加热和间接加热。直接加热的效率较高，但集热器内的原油可能发生结焦现象；当原油黏度较大时，存在结垢现象，集热器清洗难度大[8]。间接加热采用导热油作为太阳能集热器的传热介质，通过换热器与原油进行换热，安全可靠、运行稳定，但效率低于直接加热系统，受天气、季节等变化影响，通常采用辅助能源进行加热。本研究以东营地区某采油单井为例，利用电加热辅助太阳能加热技术替代常规能源。通过TRNSYS仿真模拟平台，建立电加热辅助太阳能集热系统，对采出液加热系统进行优化配置，使不同能源优劣互补，实现低能耗、高效率的供能方式。1仿真模型采用TRNSYS软件，利用软件自带的各类模块，如集热器Type73、热交换器Type5e、温差控制器Type2b模块等按各部件之间质量流动、热量流动以及控制信号等逻辑关系，将模块进行顺序连接。建立太阳能-电加热系统模型如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.007.F001图1太阳能-电加热系统模型1.1系统假设条件单井采油采出液温度为20 ℃，每日采出液10 t。原油密度、传热系数等物性参数不随温度变化。系统各月热损失率在10%~20%之间[9]。1.2系统气象参数设置模拟所用的气象参数通过Meteonorm软件导出，选取8 760 h逐时气象参数数据，包括干球温度、湿球温度、太阳辐射强度等参数。东营市全年太阳辐射变化如图2所示，东营市全年室外温度变化如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.007.F002图2东营市全年太阳辐射变化10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.007.F003图3东营市全年室外温度变化太阳辐射强度随时间的增加呈现先上升后下降的趋势，在5月太阳辐射量达到最高值，12月太阳辐射强度最低。年平均太阳总辐射量为5 059.08 MJ/m2，具有优良太阳能利用条件。室外温度随时间的增加呈现先上升后下降的趋势，7月温度达到最高值，12月温度最低。该地区的气象参数为制定电加热辅助太阳能供热系统的运行策略提供依据。1.3系统控制策略系统运行过程中，集热系统采用温差控制。对于太阳能集热器，由于太阳能的间歇性，将集热器的出口温度和蓄热油箱的进口温度差作为控制太阳能集热器运行的控制依据，采用电加热进行系统的辅助加热。具体运行策略：对于太阳能集热系统，当集热器出口温度Th与蓄热油箱温度TL差值≥10 ℃时，集热循环泵与换热泵启动；TL＜5 ℃时，集热循环泵与换热泵停止运行，采用温差控制器进行控制。1.4主要参数设计计算1.4.1太阳能集热器面积本系统中太阳能集热系统采用间接连接，间接系统的太阳能集热面积为直接系统的1.1倍。根据《太阳能供热采暖工程技术规范》（GB 50495—2009）[9]，直接系统太阳能集热面积公式为：Ac=QwCwt2- t1fJTηcd1- ηL (1)式中：Ac——直接系统集热器采光面积，m2；Qw——日产油量，10 000 kg/d；Cw——油的定压比热容，kJ/(kg·℃)；t2——蓄热油罐中的设计温度，℃；t1——采出液初始温度，℃；f——太阳能保证保证率，%，根据系统使用期内的太阳辐射、系统经济性及用户要求等因素综合考虑后确定，宜为30%~80%；JT——当地集热器采光面上的年平均日太阳辐照量，kJ/m2；ηcd——集热器的年平均集热效率，根据经验取值宜为0.25~0.50；ηL——贮水箱和管路的热损失率，根据经验取值宜为0.20~0.30。1.4.2电加热器的容量设计PEAUX=QwCw(t2- t1)3.6ηEAUXtAUX (2)式中：Qw——日产油量，取12.5 m3/d；Cw——油的比热，取2.1 kJ/(kg·℃)；ηEAUX——电加热器热效率，取80%；tAUX——辅助加热时间，根据系统设定的辅助加热启停控制策略确定，按照全天24 h设计。根据式(1)、式(2)计算加热10 t采出液所需要的间接集热面积约为70 m2，辅助电加热器功率为12 kW。2全年系统模拟结果及分析对于整个电加热辅助太阳能运行系统，采用集热效率、系统耗能比作为系统性能的评价指标。采用月控制策略，对一年内集热量及能耗进行统计分析，月集热量及能耗如表1所示。系统全年总热量为2.70×108 kJ，其中太阳能总集热量为2.05×108 kJ，电加热辅助加热量为6.16×107 kJ；系统运行能耗即油泵能耗与电加热能耗之和为6.48×107 kJ。集热器在5月集热量较高，这与气象参数相关，此时电加热辅助加热量最小。该系统年总节省量约2.05×108 kJ，相当于节省电能5.7×104 kWh。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.007.T001表1月集热量及能耗月份集热器集热量Q1/(×107 kJ)电加热辅助加热量Q2/(×106 kJ)系统能耗Q3/(×106 kJ)合计20.5061.6064.8011.1210.2010.4021.276.776.7031.764.955.2141.942.803.0952.201.692.0262.142.102.4471.933.944.2781.923.914.2392.052.783.08101.684.734.50111.357.397.60121.1010.3010.50电加热与太阳能集热器月集热量如图4所示。太阳能集热量与电加热集热量呈现互补状态，这与太阳能间断性有关。在辐射量较低的季节，辅助能源加热量较大。该系统夏季运行能耗较小，冬季运行能耗较高。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.007.F004图4电加热与太阳能集热器月集热量3全年系统模拟优化及分析太阳能集热器作为系统的核心部件之一，集热性能的优劣对整个系统的节能效率至关重要[1]。太阳能集热器的集热量不仅取决于集热器材料的种类和结构，对于型号规格固定的太阳能集热器，集热量与集热面积、安装方位角、倾角等密切相关。本研究对太阳能集热器面积的优化，以集热量和集热效率作为优化目标。对集热器安装方位角、倾角、温度控制策略等3个方面优化，以年系统得热量高、能耗小为目标，以耗能比为评价指标，对系统方案进行优化。3.1集热器参数优化3.1.1集热器面积优化对不同的太阳能集热面积进行系统的性能模拟分析，为实现太阳能高效利用、减少电能消耗具有重要意义。设计模拟工况蓄热油箱初始温度设置为20 ℃，集热循环仍采用温度控制，上限温度取10 ℃，下限温度5 ℃；集热器方位角和倾角分别为0°和37°。改变集热板面积分别为50 m2、60 m2、70 m2、80 m2、90 m2，在TRNSYS软件中对不同集热板面积工况进行模拟。不同集热器面积下，集热器年平均出口温度及太阳能集热量的变化趋势如图5所示，集热器面积对集热器年平均集热效率的影响如图6所示。随着集热器面积的增大，集热板集热量及出口温度逐渐增大。在其他参数一致的情况下，集热面积越大，集热量越大，辅助加热量相应减少，系统能耗越小，系统运行越节能。但从经济性方面考虑，集热面积越大，实际安装条件越高，初投资成本也相应增加[1]。满足系统集热需求的条件下，结合参数控制，合理匹配提高系统的综合性能。集热器面积选择初始工况面积70 m2，此时集热效率达到0.52。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.007.F005图5集热器面积对集热器集热量及出口温度的影响10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.007.F006图6集热器面积对集热器年平均集热效率的影响3.1.2集热器方位角优化集热器应朝正南方布置或者南偏东、偏西30°范围内布置[10]。本研究的优化方案从正南方向偏东±30°方向进行模拟，寻找最佳方位角。根据优化方式设计模拟工况，蓄热油箱初始温度设置为20 ℃，集热循环仍采用温度控制策略，上限温度取10 ℃，下限温度5 ℃，集热板面积为70 m2，倾角按当地纬度值37°设置。对不同方位角的工况进行模拟，根据不同方位角的模拟结果进行耗能比计算，计算结果如图7所示。方位角为5°时，耗能比相对较高，因此选择5°方位角安装太阳能集热板。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.007.F007图7方位角对系统耗能比的影响3.1.3集热器倾角优化目前太阳能集热系统设计，集热板倾角大多采用当地纬度值进行初步设计，根据东营地区纬度倾角选择在37°附近进行模拟，确定最佳倾角。本优化按照正南方向0°的方位角，在倾角27°~47°之间进行优化。根据以上优化方式设计模拟工况，蓄热油箱初始温度设置为20 ℃，集热循环仍采用温度控制策略，上限温度取10 ℃，下限温度5 ℃，集热板面积为70 m2。在TRNSYS中对不同倾角的工况进行数值模拟，根据不同倾角的模拟结果进行耗能比计算，计算结果如图8所示。倾角为37°时，耗能比相对较高，因此选择37°倾角安装太阳能集热板。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.007.F008图8倾角对系统耗能比的影响3.2温度控制策略优化在温差控制策略中，当集热器出口温度与蓄热油箱底部温度差值大于某一温差上限时，将启用循环集热泵；当温差小于某一温度下限时，集热循环泵及换热泵将停止运行。对温差上下限的取值无强制规定[10]，设计中，一般温差上限取为10 ℃，下限温差取为5 ℃，温差控制策略对集热器的影响有待优化。该优化将基于电加热器24 h辅助加热供热模式，优化温差控制上下限参数，上下限温差分别取（10±2） ℃、（5±2） ℃。即上限温差取8 ℃、9 ℃、10 ℃、11 ℃、12 ℃；下限温差取3 ℃、4 ℃、5 ℃、6 ℃、7 ℃。对不同温差上下限进行组合，在TRNSYS中进行模拟，计算不同组合的耗能比，并绘制耗能比与上下限温差的关系曲线如图9所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.007.F009图9温差控制上下限参数对系统耗能比的影响在上限温差9~12 ℃时，供热耗能比随下限温差的升高变化不大，可以认为供热耗能比受上限温差影响较小。上限温差保持不变时，随着下限温差降低，耗能比明显增大，下限温差3 ℃时，供热耗能比达到最大。因此在集热循环的温差控制策略中，在保证换热效率的前提下，尽量降低下限温差，理论上温差不小于温差传感器的测量准确度。考虑集热循环泵运行时间，且集热工质的运行温度不宜过高，温差上限采用10 ℃，下限采用3 ℃。4结语本研究介绍电加热辅助太阳能供热系统及其仿真模型，通过模拟得出系统太阳能集热量和电加热量的变化规律，同时对集热器参数及温度控制策略进行优化。研究结果表明，电加热辅助太阳能加热采出液系统年节省2.05×108 kJ，相当于节省电能5.7×104 kWh。太阳能集热比例在夏季较大、冬季较小，而电加热量与太阳能集热相反。通过参数优化得出集热器面积70 m2、方位角5°、倾角37°安装，温差控制策略采用下限温差3 ℃，上限温差10 ℃时，系统耗能比最大。此优化方案为实际工程中电加热辅助太阳能集热系统的发展和推广具有一定的参考价值。