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兴56号站太阳能节能项目实施方案中油辽河分公司兴隆台采油厂56号站太阳能节能项目实施方案北京市太阳能研究所有限公司二零零三年七月II 第 页 目 录第一部分 方案的论证及整体规划11.1 项目研究的目的及意义11.2 项目研究的国内外现状31.3 方案的可行性论证51.4 方案的经济性分析81.4.1 测算前提条件81.4.2 试验点(兴56站)指标和参数81.4.3 大面积推广的成本和效益测算基础101.4.4 结论111.5 本项目的研究内容及技术指标161.5.1 主要研究内容161.5.2 主要技术指标161.6 总体方案的规划设计171.6.1 采用的关键技术171.6.2 总体方案171.7 设计标准及规范241.8 小结251.9 参考文献26第二部分 热管式真空管太阳能集热器的技术分析272.1 集热器的主要优点272.2 集热器的结构原理292.3 集热器的应用实例312.4 集热器的性能测试37第三部分 太阳能集热系统的设计413.1 气象资料及设计要求说明413.2 系统热力计算433.3 集热器的布置483.4 小结50第四部分 原油换热器设计51第五部分 控制与数据采集系统555.1 系统概述555.2 系统工作原理及控制方案565.2.1 系统工作原理565.2.2 系统控制方案575.2.3 系统功能特点585.3 系统结构及实施方案605.3.1 硬件结构605.3.2 实施方案及功能描述：605.3.3 软件结构67第六部分 工程施工方案696.1 工程范围696.2 施工要求706.3 工程规划726.4 进度管制736.5 工程进度736.6 品质管制736.7 施工规范746.8 施工进度计划776.9 培训786.9.1 培训内容786.9.2 培训方式796.10 技术支持与服务806.10.1 技术支持806.10.2 服务热线与响应时间806.10.3 远程维护806.10.4 系统升级服务816.10.5 硬件升级816.10.6 系统软件升级816.10.7 应用软件升级816.10.8 系统扩容82附件：系统清单：83a软件平台83b软件控制模块83c硬件控制模块83d传感器及设备机构组件清单84e综合布线85f太阳能集热器系统85g换热器86h其它86第一部分 方案的论证及整体规划1.1 项目研究的目的及意义能源与环境问题已成为当今社会普遍关注的热点。在目前全球化能源日趋紧张的形势下，节能与开发可再生能源变得十分重要。从能源危机及生态环境的破坏对人类造成负面影响之后，人们重新把未来的希望寄托在广泛存在、平等给予和可自由利用的太阳能资源上。太阳能三天的辐射总量之和相当于地球上所有矿物燃料的总和，若能将这部分天赐的自然能源广泛而有效的应用于人类，必将具有深远的经济意义及社会意义。日益紧迫的能源形势对开发能源新技术和进一步开发利用可再生能源提出了迫切要求。我国太阳能资源十分丰富，全国有90%以上的地区年太阳辐照总量大于5000MJ/m2，除四川盆地和毗邻地区外，绝大部分地区的太阳能资源相当或超过国外同纬度地区的太阳能资源，具有良好的开发条件和应用价值。辽河油田是我国第三大产油基地，是产能大户，同时又是能耗大户，在采油、集输等环节需要消耗大量能源。在削减油田开采能耗方面能够采取的一个有效措施是利用替代能源或余热。辽河油田位于太阳能资源较好的地区，开发利用太阳能具有相当大的潜力。若能将太阳能应用于原油加热中，必将在节能降耗、绿色环保方面取到积极的示范与推广作用。我国的原油凝固点普遍较高，粘度大，常温下流动性差，因此从油井出油后的输运过程中必须进行加热与保温。在油田的采油、集输等过程中至少有20%左右的能耗用于原油加热与处理中。如果用太阳能的热量来加热原油，可为油田节省大量的天然气消耗。1.2 项目研究的国内外现状利用太阳能光热转换技术降低油田能源水平的应用主要包括三个方面：(1)太阳能原油预热装置，可实现将原油温度加热并维持在50以上（保持其流动性）；(2)通过太阳能集热作用降粘和提高原油管输能力的“太阳能二极管”，预计可提高原油管输能力20%左右；(3)原油开采注汽、注水水质的预热，原油热采通常要利用蒸汽或热水，利用太阳能高温集热装置将水加热到指定工作条件，设备复杂、成本高。用于中低温加热的光热转换装置经济性要好得多，效率和可靠性也有保障，在用于水的预热方面有很大的节能潜力。近年来，国外不断地有太阳能应用在石油开采及输送的报道。文献1，约旦大学的Badran等对当地一家电厂进行调研，发现该电厂5%的发电量用于加热燃料油的工业中。因为这些燃料在环境温度下其粘度较高，通常加热到50，并在该温度下储存。他们设计了两种太阳能燃油预热装置用于燃料油加热，把两个相同的传统的平板集热器一个加满燃油，一个加满水，进行理论和实验的研究，并进行性能对比。结果发现，在相同进口温度和相同太阳辐射下，加满燃油集热器的出口温度比加满水的高，能够将燃料油温度维持在50以上，但是发现其瞬时效率要低25%。文献2，澳大利亚一家太阳能公司开始利用太阳能热二级管技术对原油储槽加热以降低粘度。所谓“热二极管”，顾名思义就是指只能使热量单向传递的装置，主要措施包括抑制对流和长波辐射等。该技术是利用透明蜂窝材料和选择性吸收涂层等。在增加太阳能吸收比同时，抑制对流和辐射散热。此外，土耳其的Mohamad提出一种集储存箱和集热转换装置于一体的太阳能热二极管中低温集热装置，采用一塑料片抑制夜间储存箱的对流散热损失，用作燃油预热装置具有很好的效果。文献3提出了为重油运输和产品所设计的太阳能系统的可行性研究结果。该系统设计考虑到，当重油吸收太阳辐射或能时粘度会降低，在此情况下其流动会容易。尽管还没有文献参考，但考虑到可以利用透明隔热材料，该材料具有两个重要的性能：高传送系数和低总传热系数。主要是用这些材料包覆产品或分布管钱。开始测量了非包覆管线的一些重要数据，这些数据让我们建立了计算机程序以验证了非包覆管计算公式，考虑太阳能系统后，并通过前面公式组合成了第二个计算机程序，结果显示，理论上在重油产品和分布中利用太阳能系统的可行性。总之，国外太阳能在石油工业中的有效利用已显示出良好的应用前景。然而，在国内还未见有太阳能技术在油田开采输送过程中的应用先例，本项目的完成及应用将填补我们太阳能技术在油田输送过程应用的空白。为充分而有效地利用太阳能资源，我们实地考查了油田兴隆台采油厂实际情况，并认真分析了能耗现状，在开展了大量前期工作的基础上，我们完成了兴隆采油厂56站太阳能加热输送油系统方案的设计工作。1.3 方案的可行性论证从能源利用和现有技术的可行性来看，太阳能集热技术用于燃油或储油预热，提高原油的管输能力以及在原油热采中利用太阳能热水系统对水进行预热，是目前石油企业最现实可行的、利用太阳能实现节能的技术方案。据盘锦气象站提提供的气象资料表明，历年盘锦地区的平均日照时数为2750小时，从十一月份至三月份的所统计的太阳能辐射资料见表1-1。月份十一月w/m2十二月w/m2一月w/m2二月w/m2三月w/m2全年MJ/ m2晴天414.2326.4380.8488.4665.33319.2云天305.4246.9292.0376.6502.12369.8 表1-1 盘锦地区各月太阳能辐射资料若按此表换算，每年盘锦地区大约有300天日照时数在89小时，按晴天计算，全年有922kWh/m2的能量可利用，若按云天计算，全年有658 kWh/m2的能量可利用。这一太阳能辐射资源已基本达全国太阳能利用的第二类区域，证明盘锦地区的太阳能辐射资源相当丰富，具有较强的潜力可挖掘。兴56号站利用太阳能进行原油输送的加热的具体要求指标如表1-2。成份流量m3/天进口温度出口温度天然气1.52万30355560油50水30表1-2 设计要求表中的温度指标是比较适合太阳能光热转换能量的低品位特性，所以利用太阳能加热来输送原油符合现存的实际情况，是能够实现的。根据这一设计要求，在前期大量调研及所做工作的基础上，通过到辽河油田现场观察并结合当地太阳能辐射特点及各种集热器的效率，在大量的理论及实验分析的基础上，经热力学、传热学及流体力学的计算，提出了可行的系统设计方案。利用太阳能来加热输送原油，一般可以有两种设计方式，即直接加热方式和间接加热方式两种。直接加热方式是原油进入太阳能集热器里面被直接加热，直接加热流体是液体受热过程中效率最高的一种方式。目前太阳能集热器中，效率最高的是真空管集热器。但是用真空管集热器直接接加热原油有以下不足：第一，原油输送系统有一定的压力，目前的集热器规格承压能力不够，即使重新设计，其承压结构也很难可靠；第二，直接加热方式集热器内的温度由于太阳辐射能量的变化，有时会较高，温度高时可能会发生集热器内原油的结焦现象；第三，原油的粘度较大，存在结垢、结焦现象，输送需经常清洗管道，而在集热器内清洗是非常困难的。我们认为目前采用太阳能直接加热原油方式，其关键技术仍不成熟。间接加热方式是用太阳能集热器提供热量给一种热媒，该热媒再通过热交换器把热量间接传递给原油。用太阳能真空管集热器间接加热原油，原则上讲，间接加热方式的效率低于直接加热方式，因为采用此方式与直接加热方式相比必需要换热器，且通过二次能量的交换才能将太阳辐射能所收集的能量传递给输油管道的原油中，效率不如直接加热太阳能输油管道的方式高。假定太阳能集热器的效率为50%，在换热器内热媒对原油的加热效率为90%，则太阳辐射能的转换效率只有45%，其效率比直接加热方式低。然而从安全、可靠、维护、维修及安装调试的角度看，采用间接加热方式可最大程度地利用现有成熟的太阳能集热技术和现有的太阳能集热器，因此方案可靠、稳定。从成本看，虽然间接加热方式需增添一台中间换热器，但是可节约现有太阳能集热器改造的费用，同时由于系统的稳定性、可靠性强，因而可大大节约系统维修、维护费用。同时我们已在同步设计对原水套炉的改造，将现有水套炉和换热器功能二合一，以进一步减少换热过程能量损耗，节约成本，提高效率。综上所述，我们拟采用太阳能间接加热原油的技术方案。1.4 方案的经济性分析在间接加热输送原油的方式确定下来以后，我们针对国内现有较为成熟的太阳能集热器技术，并经过对大口径全玻璃真空管集热器、热管式真空管管集热器、平板型集热器等不同形式的集热器进行了性能比较及经济性比较，再结合从安全性角度考虑，经过分析比较表明，采用热管式真空管间接加热原油具有较好的安全可靠性及较好的集热效率。因此建议采用热管式真空管太阳能集热器的方案。1.4.1 测算前提条件在确定了太阳能集热器选型的前提下，以兴56号站为蓝本，对投资回收效益进行测算。测算中，油田提供的各项过程指标和参数均不取峰值而取平均值。1.4.2 试验点(兴56站)指标和参数a基础数据平均液量： 油 50 t/d 水 30 t/d 气量 1.5x104 m3/d 天然气消耗： 站内夏季 500m3/D 冬季 600m3/d 平均 550m3/D 温度： 出口温度 冬季 65 夏季 55-60 进口温度 冬季 35-40 夏季35 最小升温要求为 20 最高升温要求为 30升温平均值 25 将油管内混合体升温 25 所需热量计算：原油成分密度kg/m3比热KJ/kg.体积流量m3/D质量流量kg/D导热系数W/m.粘度kg/m3油8812.58250440500.14410-3水100046330.65310-3天然气3.752.15615000562500.0351.13310-5表1-3设定原油升温度25时，系统达到合理负荷，则每天所需加热量分别为: Q油= 44050 2.582 25 = 2843427 KJ 2843 MJ Q水= 30000 4.187 25 = 3140250 KJ 3140 MJ Q汽= 56250 2.156 25 = 3031875 KJ 3032 MJ每天所需总热量 Q = Q油+Q水+Q气=9015 MJ在正常日照日太阳平均辐照量为17MJ/M2 太阳能集热系统效率为45%。b.实验站投资预算（见表1-4）（1）集热器面积计算如果要节约 33% 的天然气 相应的热能为： 9015 MJ 0.33 = 2975 MJ 需要的集热器面积为： 2975 MJ/0.45/17=388.8390M2 （2）鉴于第一个试验点，我们对集热器面积按上浮25%进行试验，按490M2设计施工。1.4.3 大面积推广的成本和效益测算基础a、按照太阳能专家的设计和计算，在实际推广中换热器可以省去，整个热效率还可提高1.25倍(直接用原水套炉做换热器)，天然气节省率可达43%。b、大规模应用中太阳能集热器部分可下降30%的价格c、我国天然气价格是按化肥、其它化工、燃料等不同用途制定的差异价格。随着天然气需求的增长，价格上升趋势将逐步加大，特别是在石油价格大幅上升后，天然气价格理应同步上升。但由于我国天然气各种价格均由政府确定，执行的是国家指导价下的双轨制价格，还没有形成市场导向下合理的天然气价格机制，仍然处于较低水平。从国外天然气价格看，在过去的3年中，美国天然气价格一路暴涨，目前已经相当于人民币1.8元/立方米，而且在接下来的几个月直到明年，天然气价格仍可能维持现在的高价，甚至继续上涨；俄罗斯经济发展部制定的20042006年社会经济发展计划表明，在今后的3年期间俄罗斯的天然气实际价格上升36%39%。而国内天然气价格明显低于国际市场价格，内地天然气的价格调整空间相当大。按照目前国际天然气价格走势，今后上涨是必然趋势，以后五年内按平均价2元计算。1.4.4 结论在批量推广和天然气价格上扬的前提下，投资回收期为4.95-5.84年，可以进行投资。 11 第 页 表1-4 试验站投资预算表（以兴56号站为蓝本）集热器面积（平方米）规模推广投资（万元）含换热器投资回收期（年）不含换热器后投资回收期（年）3908506006.074.954409276006.625.4049010046007.175.84图1-1 辽河油田（1086个站点计）年度节省天然气价值曲线图注：按每年新建站216个站、每站以兴56号站为蓝本，不含换热器）年节省171，842元天然气。图1-2 辽河油田（1086个站点计）累计节省天然气价值曲线图图1-3 年度节省天然气价值曲线图注：按兴56号站消耗550 M3/天计算。15第 页1.5 本项目的研究内容及技术指标1.5.1 主要研究内容l 整体系统的可行性、经济性论证、方案实施规划l 不同结构形式的太阳能集热器性能初步实验分析、选型l 大面积集热器的热力、传热、流体力学计算，组合、排列的优化l 原油加热器的介质工艺参数确定、结构设计、强度、传热及流体力学的计算l 加热炉控制系统的改选方案设计，测量与控制系统的硬件和软件设计。1.5.2 主要技术指标l 根据油田实际情况及要求，利用大面积太阳能集热器提供热媒水，再通过原油加热器间接加热原油，以达到降低天然气加热输送原油消耗的目的。l 将稠油温升提高2030。在这一条件下，使每年用于原油加热的天然气消耗量节省30%左右。l 在辐射强度每日平均为17MJ/ m2的条件下，集热系统可满足每天供热68小时，可使出口温度达7080。l 在上述条件下，可使经原油换热器加热的原油由30加热至50，使原油的温度提高2030。l 控制系统满足正常稳定运行要求。1.6 总体方案的规划设计1.6.1 采用的关键技术l 根据盘锦气象站所提供的盘锦地区平均日照时数及每年的太阳辐射能量等气象资料，在实地考查油田采油厂及分析其能耗的基础之上，并查阅国内外相关资料，规划整体方案。l 初步对各种不同结构、不同规格、不同面积的集热器进行试验，得出各不同条件下每天可获得的太阳辐射能量，辐射能转化为有效能的比率，在日照情况下，计算日产热水的量。l 根据测试的实验数据及厂家提供的集热器的材料，并进行集热器的串、并联多种情况组合，进行科学大面积集热器的热力、水力设计计算。l 根据辽河油田原油成分、介质的物性数据，对原油换热器进行传热与流体力学的计算及结构强度的计算设计。l 根据系统的设计方案，确定系统控制策略，实现各种控制功能以及整个系统的综合监测。实现太阳能的充分利用与系统的稳定运行。在本报告的第一第五部分采用以上关键技术，对1.5节的研究内容进行了深入的实验与理论分析，完成了要求的内容，并能达到1.5节所提出的技术指标。1.6.2 总体方案（1） 近一年多来，我们根据对该项目的研究内容要求，对该项技术进行了大量且深入的理论分析和实验研究工作，完成了整体系统方案的规划设计。包括太阳能加热原油输送系统、太阳能集热器阵列部分、热水辅送管道阀门、热水循环泵、蓄热水箱、原油换热器、水套炉的控制改造、整体系统的控制等，如下图所示。87 第 页注：在足够的太阳辐射条件下，开启循环泵P1，防冻液从蓄热箱中抽出，经阀门V1，进入太阳能集热器阵列。被太阳能加热后的防冻液经阀门V2，进入换热器。此时阀门V4关闭。防冻液与原油换热后，经阀门V3，返回蓄热箱。在换热器中加热后的原油，通过换热器出口后进入水套加热炉中，水套加热炉则根据所需原油温度的高低进行自动点火加热。当太阳辐射富裕时，在保持阀门V2开启的情况下，同时开启阀门V4，被太阳能加热后的部分防冻液经阀门V4，进入蓄热箱，使蓄热箱内的防冻液逐渐加热，从而将多余的能量储存起来。当太阳辐射不足时，开启循环泵P2，防冻液经阀门V5、V6，进入换热器。此时阀门V2关闭。防冻液与原油换热后，经阀门V3，返回蓄热箱。在太阳辐射不足的条件下，关闭循环泵P1，防冻液停止循环。如果换热器出口端的防冻液温度接近进口端的防冻液温度，则关闭阀门V6，开启阀门V7，让防冻液经过阀门V7返回蓄热箱。此时原油管道的阀门V9关闭，阀门V10开启，原油经阀门V8、V10直接进入水套加热炉。 太阳能加热原油输送系统控制原理图注：当太阳辐射量足够的情况：开启循环泵P1，防冻液从蓄热箱中抽出，经阀门V1，进入太阳能集热器阵列。被太阳能加热后的防冻液经阀门V2，进入换热器。此时阀门V4关闭。防冻液与原油换热后，经阀门V3，返回蓄热箱。在换热器中加热后的原油，通过换热器出口后进入水套加热炉中，水套加热炉则根据所需原油温度的高低进行自动点火加热。当太阳辐射量富余的情况：利用蓄热箱储热：在保持阀门V2开启的情况下，同时逐渐开启电动调节阀门V4，被太阳能加热后的部分防冻液经阀门V4，进入蓄热箱，使蓄热箱内的防冻液逐渐加热，从而将多余的能量储存起来。防止原油加热过热，当蓄热箱储热已足够时，为防止原油过热，可逐渐调小电动阀V3的开度，使进入换热器的热水减少，使原油的温度稳定在一个适量的温度下。当太阳辐射不足的情况：关闭循环泵P1，防冻液停止循环； 蓄热箱有足够的热量可继续加热原油：开启循环泵P2，防冻液经阀门V5、V6，进入换热器。此时阀门V2关闭。防冻液与原油换热后，经阀门V3，返回蓄热箱。蓄热箱已没有足够的热量加热原油：如果换热器出口端的防冻液温度接近进口端的防冻液温度，则关闭阀门V6，。此时原油管道的阀门V8关闭，阀门V9开启，原油经阀门V9直接进入水套加热炉。启动太阳能集热器：当检测到太阳辐射量足够时，P1启动，V4开，V2关，防冻液循环。当T2 - T1 8 时，P1保持开，防冻液继续循环。启用太阳能集热器加热当T2 T6 5 时，V2开，V4关，原油在换热器内被防冻液加热。此时，V8开，V9关。当换热器热量不够时（原油加热不够）若T7 所需原油温度，水套加热炉自动点火，使T8达到所需原油温度。当换热器热量过多时（原油过热）若T7 所需原油温度，逐渐打开电动阀V4,将多余的能量储存在蓄热箱中；如果原油温度仍然偏高，调节电动阀V3，减少防冻液流量，使T7接近所需原油温度。停用太阳能集热器加热当蓄热箱内有足够热水时，当T2 T6 5 时，P2启动，V6开，V2关，让蓄热箱中的防冻液进入换热器。当蓄热箱内没有足够热水时。当T5- T4 1 时，V6关，P2停止运转。此时，V8关，V9开，原油直接进入水套加热炉。停用太阳能集热器当T2 - T1 3 时，P1停止，防冻液停止循环。（2）项目完成的成果内容l 整体系统方案的规划（可行性、经济性、总体理论分析）l 太阳能集热器的性能实验分析l 太阳能集热器的设计计算及选型（含总系统图纸）l 原油加热器的设计计算（含施工图纸）l 水套炉的改造及系统自动控制系统的软件设计等1.7 设计标准及规范本项目涉及能源、机械、石油、化工、电子等相关领域。本项目的方案设计依据的国家及行业标准规范如下：l SY/T6276-1997石油天然气工业健康、安全与环境管理体系l GB150-98钢制压力容器l GB151-98钢制管壳式换热器l HG20592HG20635-97钢制管法兰、垫片、紧固件标准l GB8163-87输送流体用无缝钢管l 压力容器安全技术监察规程劳动部颁发 1999版l GB/T12915-91家用太阳热水器热性能试验方法l GB/T 17581-1998真空管太阳集热器本项目的实施，本着健康、卫生、安全、保护环境的目标，同时符合辽河田分公司兴隆台采油厂2001年3月9日发布实施的健康、安全与环境（HSE）管理体系管理手册规定。1.8 小结 （1）用太阳能的热量来加热原油，不仅为油田节省大量的天然气消耗，而且在绿色环保方面取到积极的示范与推广作用。 （2）太阳能技术在油田开采输送过程中的应用，将填补我国太阳能技术在油田输送过程应用的空白。 （3）经过方案的可行性、经济性分析，最终得出采用热管式真空管太阳能集热器间接加热原油的方案。试点项目投资为132.8万元，在批量推广的情况下，总投资成本在5年左右内收回。（4）利用太阳能加热原油可实现平均每天至少节省33%的天然气用量，仅兴隆台56站一个计量年可节省近17.1842万元人民币，该技术在全辽河油田推广使用将产生巨大的经济效益。（5）在本报告的第一第五部分采用以上关键技术，对1.5节的研究内容进行了深入的实验与理论分析，完成了要求的内容，并能达到1.5节所提出的技术指标。1.9 参考文献1 Badran, Ali A. Utilization of solar energy for heating fuel oil Energy, Conversion and Management v 39 n 1-2 Jan 19982 Anon, Solar-heating system studied for heavy-oil pipelines Oil and Gas Journal v 97 n 13 1999 p 44-463 Latif Oswaldo Saab, V., Calentamiento solar de crudos pesados, Revista de la Facultad de Ingenieria v 16 n 2.2001 p 53-60第二部分 热管式真空管太阳能集热器的技术分析2.1 集热器的主要优点为准备辽河油田太阳能加热原油工程，我们进行了大量的集热器资料的调查，先后到北京桑达太阳能技术有限公司、山东皇明太阳能有限公司、同乐太阳能设备厂、深圳雅柏斯太阳能实业有限公司、浙江美光太阳能工业有限公司等国内生产太阳能热水器的专业厂家进行了集热器选型，并针对所开展的项目与厂家进行了仔细的洽谈。根据大量的工程运用实践及仔细的分析，考虑到东北地区气候特点及升温特点，选择热管式真空管作为加热原油的太阳能集热器。热管式真空管是我国自己开发成功的一种金属吸热体真空管，于上世纪90年代中期投入市场。热管式真空管综合应用了真空技术、热管技术、玻璃-金属封接技术和磁控溅射涂层技术，不仅使太阳能集热器能够全年运行，而且提高了工作温度、承压能力和系统可靠性，使太阳能热利用进入中高温领域。与平板型集热器和全玻璃真空管集热器相比，热管式真空管集热器具有耐冰冻、工作温度高、承压大、启动快、保温好、耐冷热冲击、运行安全可靠、易于安装维修等许多优点，比其他集热器更适用于太阳能热水系统。采用热管作为集热器和蓄热器之间的传热元件，具有如下主要优点：l 传热效率高，热管内部工质在相变过程中具有极大的换热系数。l 抗冻能力强，选用适当的工质甚至可使集热器在-30或更低的环境温度下工作。l 集热器工作性能稳定，使用寿命长，因其不受水质造成的结垢及腐蚀影响。2.2 集热器的结构原理热管式真空管的外形尺寸为100*2000mm，它主要由热管、吸热板、玻璃管、金属端盖和消气剂等部件组成，如图2-1所示。 图2-1热管式真空管结构示意图作为高效传热元件的热管由蒸发段和冷凝段两部分组成。蒸发段与吸热板紧密连接。吸热板表面磁控溅射AL-N-O选择性吸收涂层，吸收比大于0.93，发射率小于0.08。先进的热压封技术应用于玻璃-金属之间的封接。 玻璃管采用硼硅玻璃，透射率大于0.90。当太阳辐射穿过玻璃管，投射在吸热板上，被吸热板吸收并转换成热。此热量加热热管蒸发段内的工质，使其汽化。工质蒸汽上升到冷凝段，在冷凝段内表面凝结，释放出蒸发潜热。液态工质依靠其自身的重力流回蒸发段。然后重复上述过程。热管式真空管集热器由真空管、集管和保温盒等部件组成，如图2-2所示。图2-2热管式真空管集热器结构示意图热管式真空管与集管之间采用“干性连接”的方法，即热管冷凝段通过特殊的结构与集管连接，真空管与集管内的液体是不相通的。当太阳辐射能使热管工质受热后汽化，工质蒸汽在冷凝段凝结，从而加热集管内的液体。其结果是，许多根真空管连续不断地将太阳辐射能转换成热，并传递给集管内的液体，使集管内液体的温度逐步升高，然后通过换热器去加热输送原油。2.3 集热器的应用实例北京市太阳能研究所于1994年在我国首先研制成功热管式真空管太阳能集热器。该项科技成果于1995年荣获北京市科技进步一等奖，于1996年荣获国家技术发明四等奖。其后，热管式真空管太阳能集热器由该所下属的北京桑达太阳能技术有限公司，建成年产50万支真空管的现代化生产线，产品投放国内外市场，见图2-3。图2-3 热管式真空管太阳能集热管多年来，全国各地已用热管式真空管集热器建立了一大批太阳能热水系统，见图2-4、图2-5。这些太阳能热水系统热效率高，操作简单，运行可靠，维护方便，而且都可以全年运行。图2-4 国内安装的太阳能热水系统图2-5国内安装的太阳能热水系统1999年，作为“九五”国家科技攻关项目，还已用热管式真空管集热器在我国山东建成了太阳能吸收式空调及供热综合示范系统，见图2-6。该系统可夏季用于制冷空调，冬季用于加热采暖，全年提供生活热水。图2-6 在我国山东安装的太阳能空调系统北京桑达公司生产的热管式真空管产品已出口德国、印尼、新加坡、奥地利、意大利、约旦等十几个国家，应用范围包括太阳能热水、泵水、空调、工业加热等，如图2-7、图2-8、图2-9、图2-10和图2-11所示。图2-7 在德国安装的太阳能热水系统图2-8在印尼安装的太阳能泵水系统图2-9 在新加坡安装的太阳能空调系统图2-10在约旦安装的太阳能工业加热系统图2-11德国工人正在检验热管式真空管的强度热管式真空管的玻璃管采用强度极高的硼硅玻璃制成，具有很强的抗冰雹能力，在图2-11中，一名德国工人站在真空管集热器上，检验真空管的强度。2.4 集热器的性能测试热管式真空管集热器的热性能是依据国家标准GB/T4271-2000规定的方法进行测试的。测试利用德国进口的双轴自动跟踪太阳能集热器试验台，在室外自然阳光下进行，见图2-12图2-12 双轴自动跟踪太阳能集热器试验台试验台及其测试仪表的主要技术指标如下：双轴自动跟踪，精度0.1;工质进出口温度用铂电阻温度计Pt100测量，精度0.1；工质流量用电磁感应流量计测量，精度0.5%；太阳辐照度用荷兰KIPP&ZONEN公司CM11型总日射计测量，精度1%；由计算机采集和处理数据。被测集热器由16支热管式真空管组成，总面积4，采光面积3.67，吸热体面积2.75。测试于2002年11月7日进行。当天，太阳辐照度为904.6996.9W/，环境温度为13.214.4，工质进口温度按5个工况从21.4加热到73.4，工质流量始终保持在0.04180.004kg/s。根据测试数据，按吸热体面积整理而得的集热器瞬时效率方程为： 几年前，北京桑达公司生产的热管式真空管集热器曾送往国际权威的瑞士Rapperswil太阳能所进行过测试,得到的瞬时效率方程为 由此可见，我国的测试结果与国外的测试结果比较一致。出口集热器（II-16）测试数据测试日期：2002-11-07 设定流量：150Kg/h 采光面积：3.67 吸热体面积：2.75环境温度 进口温度 出口温度 温差 平均温度 流量 有用功率 日照度 辐照功率 （tm-ta）/l 瞬时效率 ta ti to to-ti tm qm qm*Cp(to-ti) I A*I Kg/s W mv w/ W w-1 14.3 21.4 32.8 11.4 27.1 0.0417 2015 9.49 973.7 2678 0.0131 0.753 14.3 21.4 32.8 11.4 27.1 0.0417 2015 9.45 968.9 2665 0.0132 0.756 14.2 21.5 32.9 11.4 27.2 0.0417 2015 9.58 982.6 2702 0.0132 0.746 14.2 21.5 32.9 11.4 27.2 0.0417 2015 9.54 978.5 2691 0.0133 0.749 13.1 35.3 45.3 10.0 40.3 0.0422 1768 8.82 904.6 2488 0.0301 0.711 13.2 35.4 45.5 10.1 40.5 0.0422 1786 8.93 915.8 2518 0.0298 0.709 13.5 35.4 45.5 10.1 40.5 0.0422 1786 8.88 911.0 2505 0.0296 0.713 13.2 35.3 45.3 10.0 40.3 0.0422 1768 8.91 914.3 2514 0.0296 0.703 14.0 48.0 58.2 10.2 53.1 0.0419 1791 9.34 957.6 2634 0.0408 0.680 13.7 48.0 58.4 10.4 53.2 0.0419 1826 9.34 967.8 2661 0.0408 0.686 13.9 48.1 58.5 10.4 53.3 0.0419 1826 9.36 959.6 2639 0.0411 0.692 13.5 48.3 58.7 10.4 53.5 0.0419 1826 9.34 957.6 2634 0.0418 0.694 14.4 63.6 73.5 9.9 68.6 0.0417 1727 9.64 988.3 2718 0.0548 0.635 13.6 63.6 73.6 10.0 68.6 0.0417 1745 9.59 983.1 2703 0.0559 0.645 13.7 63.6 73.6 10.0 68.6 0.0417 1745 9.35 958.6 2636 0.0573 0.662 13.9 63.8 73.8 10.0 68.8 0.0417 1745 9.37 960.8 2642 0.0571 0.660 14.1 73.3 82.9 9.6 78.1 0.0417 1675 9.52 976.5 2685 0.0655 0.624 14.1 73.4 83.2 9.8 78.3 0.0417 1710 9.62 986.6 2713 0.0651 0.630 13.7 73.3 83.1 9.8 78.2 0.0417 1710 9.72 996.9 2742 0.0647 0.624 13.8 73.4 83.1 9.7 78.3 0.0417 1692 9.61 985.9 2711 0.0654 0.624图2-12 热管式真空管集热器效率曲线第三部分 太阳能集热系统的设计3.1 气象资料及设计要求说明据盘锦气象站所提供的气象资料表明，历年盘锦地区的平均日照时数为2750小时，从十一月份至三月份所统计的太阳能辐射资料见表3-1。若按此表换算，每年盘锦地区大约有300天日照时数在89小时，按晴天计算，全年有922kWh/的能量可利用，若按云天计算，全年有658 kWh/的能量可利用。这一太阳能辐射资源已基本达全国太阳能利用的第二类区域，证明盘锦地区的太阳能辐射资源相当丰富，具有较强的潜力可挖掘。月份十一月w/m2十二月w/m2一月w/m2二月w/m2三月w/m2全年MJ/ m2晴天414.2326.4380.8488.4665.33319.2云天305.4246.9292.0376.6502.12368.8表3-1 盘锦地区各月太阳能辐射资料根据以上数据，结合第二章对热管式真空管太阳能集热器的技术分析，可对太阳能进行加热稠油系统的设计。设计要求如下：辽河油田提出利用太阳能进行稠油输送的加热，其具体要求如表3-2：成份流量m3/天进口温度出口温度天然气1.52万夏季 3035冬季 45556068油50水30表3-2 设计要求根据这一设计要求，通过到辽河油田现场观察并结合太阳辐射能特点及真空管太阳能集热器测试的效率，经热力学与传热学的计算，提出采用490 m2热管式真空管集热器产生热水，并将所产生的热水通过换热器来加热稠油。3.2 系统热力计算根据设计要求、集热器效率（含玻璃管透射率、吸收率、真空管长度、直径等几何参数的影响）、太阳辐射强度等参数的影响，可计算出一定流量下进出口水温变化，以此为依据，对换热器进行动力能源设计。以下为根据盘锦地区太阳能辐射的气象资料及采用热管式真空管太阳能集热器加热换热器的水所产生的温升。太阳辐照度(W/m2)200300400500600700800900集热器进、出口温差() (40%)8.412.616.821.025.229.433.637.8集热器进、出口温差() (50%)10.515.821.026.331.536.842.047.3表3-3 各种太阳辐照度下集热器进出口温差分布情况表图3-1 各种太阳辐照度下集热气进出口温差分布情况曲线图太阳辐照度(W/m2)200300400500600700800900集热器出口温度()5058.462.666.871.075.279.483.687.86068.472.676.881.085.289.493.697.87078.482.686.891.0795.299.4103.6107.8表3-4 各种进口温度下出口温度随太阳辐照度的变化情况表（效率为40%）图3-2 各种进口温度下出口温度随太阳辐照度的变化情况曲线图太阳辐照度(W/m2)200300400500600700800900集热器出口温度()5060.565.871.076.381.586.892.097.36070.575.881.086.391.596.8102.0107.37080.585.891.096.3101.5112.0112.0117.3表3-5 各种进口温度下出口温度随太阳辐照度的变化情况表（效率为50%）图3-3各种进口温度下出口温度随太阳辐照度的变化情况曲线图图3-4 辽河地区各月太阳能集热器出口温度分布情况图图3-5 辽河地区各月太阳能集热器出口温度分布情况图图3-6 辽河地区各月太阳能集热器出口温度分布情况图从上面图表中可看出，采用热管式真空管加热循环水，对盘锦