太陽能技術(shù)在原油罐加熱裝置應(yīng)用設(shè)計

1、中國石油大學(xué)（華東）畢業(yè)設(shè)計（論文）太陽能技術(shù)在原油罐加熱裝置應(yīng)用設(shè)計 學(xué)生姓名：李愛華學(xué) 號：06050211專業(yè)班級：自動化06-2班指導(dǎo)教師：胡長松2010年6月20日摘 要論文針對當(dāng)前采油廠單井儲油罐加熱系統(tǒng)中常用的大功率電加熱棒使用壽命短、能耗大、安全性低等問題，特別是在偏遠地區(qū)供電不足，而拉線供電又耗費巨大，提出了以太陽能為基礎(chǔ)的儲油罐加熱系統(tǒng)。在解決了電加熱棒在油罐加熱中易火災(zāi)、爆罐等安全隱患的同時，解決了偏遠地區(qū)供電不足的難題，使用太陽能能源，綠色環(huán)保，降低了能耗，一次性投入可長期受益。整個系統(tǒng)包括原油儲油罐、控制系統(tǒng)、太陽能集熱裝置、太陽能光電部分、保溫儲水罐、保溫層、管路部

2、分等。利用太陽能集熱器將太陽能轉(zhuǎn)化為水的熱能，經(jīng)循環(huán)管路給原油儲油罐內(nèi)原油加熱使其內(nèi)部原油維持在一個特定的溫度范圍，當(dāng)原油儲油罐不需要加熱時，熱能儲存在保溫水箱內(nèi)，等需要時再啟動循環(huán)系統(tǒng)給原油罐內(nèi)原油加熱。論文針對系統(tǒng)包含的各部分進行了詳細的設(shè)計計算及選型，對系統(tǒng)的可行性、性價比及合理性進行性了分析和綜述歸納。關(guān)鍵詞：太陽能；儲油罐；加熱系統(tǒng)；光電系統(tǒng)；單片機 abstractaccording to the defect of the large electric heating which used commonly in the current oil extraction factor

3、y that short life ,high energy consumption ,low safety etc , especially in remote areas,power supply shortage and takes great, this thesis come up with a petroleum storage tank heating system based on solar energy .at the same time with the solution of the potential safety hazard such as flammable g

4、as fire ,explosive tank etc in the electric heating system,solving the remote region blackouts fault, using solar energy ,pollution-free and pro-environment,one time investment benefit long-term.the system includes crude oil tank, the control system, the solar heating device, the solar energy, heat

5、insulation, water containers, pipeline parts etc. use solar energy collector to heat energy into water, heat crude oil from the circulative pipeline to keep it in a certain temperature range, when oil tanks do not need heated, storage the heat in the water containers ,restart circulatory system to h

6、eat the crude oil when needed .for each section of the system contains ,the thesis makes detailed design calculation and selection of, and the feasibility,cost performance and the rationality were analyzed and summarized.keywords: solar energy; oil tank; heating system; photovoltaic system ; single-

7、chip microcontroller目 錄第1章 前 言11.1 國內(nèi)外儲油罐保溫加熱系統(tǒng)的現(xiàn)狀11.2 太陽能的特點及開發(fā)利用的現(xiàn)狀21.3小結(jié)4第2章 太陽能儲油罐加熱裝置的總體設(shè)計方案52.1 太陽能儲油罐加熱裝置的總體硬件設(shè)計方案52.2 太陽能儲油罐加熱裝置的總體軟件設(shè)計方案52.3太陽能儲油罐加熱裝置的方案設(shè)計62.4 小結(jié)11第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計及選型133.1太陽能熱水器的設(shè)計及選型133.2太陽能供電系統(tǒng)的設(shè)計及選型163.3熱水循環(huán)管路的設(shè)計及選型183.4水泵的設(shè)計及選型213.5伴熱帶的設(shè)計及選型213.6保溫材料的設(shè)計及選型233.7小結(jié)24第4章 控制系統(tǒng)的設(shè)計

8、及選型254.1凌陽spce061a單片機的簡單介紹254.2單片機外圍接口電路的設(shè)計264.3控制程序編寫284.4小結(jié)30第5章 結(jié) 論31致 謝32參考文獻33附 錄34第1章 前 言1.1 國內(nèi)外儲油罐保溫加熱系統(tǒng)的現(xiàn)狀 在原油生產(chǎn)中，某些油井產(chǎn)出的高粘度原油需要在井場儲罐內(nèi)儲存加熱后才能裝車外運。單井原油儲罐的加熱方法及裝置是影響原油成本的關(guān)鍵之一。北京石油學(xué)院任瑛教授發(fā)明了當(dāng)時世界上第一種水套加熱爐加熱裝置，水套加熱爐所用的燃料是天然氣。這種水套加熱爐在經(jīng)過以后幾十年的改進，仍然在某些油井中應(yīng)用，是油田大多數(shù)油井產(chǎn)出的原油可進入輸油管道的常用設(shè)備1。以下是近幾十年來采油廠常用的儲油

9、罐保溫措施。1.火燒心儲油罐由于有些油田在成產(chǎn)原油中伴生的水汽很少，有的甚至沒有伴生水汽，水套加熱爐就不能使用。為此，有人設(shè)計出了火燒心儲油罐。這種儲油罐中心有加熱管道，罐外有原油燃燒室，人工將原油加入原油燃燒室，加熱儲油罐中的原油。這種方法原油燃燒不完全，效率低，污染環(huán)境，但在一些沒有電、天然氣的偏遠油井中，仍然使用這種裝置。2.電熱管加熱儲油罐此方法只適用于有充足供電條件的油井上。一般的單井儲油罐外形呈圓柱體，儲量在20-40m之間，次方法可在原有儲罐上稍作改造。在罐體開一圓孔，利用此圓孔加裝電熱管。電熱管的數(shù)量和功率，需根據(jù)儲油罐的儲量跟實際需要來計算。一般一個40m的儲油罐裝4-6根功

10、率為9kw的電熱管。電熱管加熱儲油罐有很多優(yōu)點，如可以實現(xiàn)自動化管理，溫度容易控制等，但也有其缺點。最大的缺點就是耗電量太大，昂貴的電費直接加大了原油生產(chǎn)的成本。面對節(jié)能及降低成本兩大問題，顯然生產(chǎn)單位對這種方法不是很歡迎。3.氣加熱及氣舉裝油儲罐針對電加熱的不足，研制了氣加熱跟氣舉裝為一體的加熱裝置。這種裝置要求在油井生產(chǎn)的原油時，必須有足夠的天然氣才行。如果伴生的天然氣不足則無法使用次裝置。目前生產(chǎn)和使用此裝置的數(shù)量比較少，勝利油田的孤島采油廠有此裝置。4. 煤加熱儲罐 煤加熱的儲油罐，外形如火管式鍋爐。由于煤炭的價格低廉，使得此法迅速的在各地得以推廣。此法也存在其缺點，要組織車輛定時向井

11、場運送煤炭以及及時處理掉煤渣，增加了工人的勞動強度，由于燃煤爐不是一個密封的明火火源使得其安全性較差。而且需要有人24小時值班，這樣燃料上節(jié)省的費用將會被人工費用抵消。所以此種方法只能在偏遠地區(qū)的少數(shù)高產(chǎn)油井上使用。5.使用原油燃燒器的儲油罐加熱裝置原油本身就是一種高質(zhì)量的燃料，如何利用自產(chǎn)的原油加熱單井儲油罐是很多單位都在研究的課題。石油大學(xué)（華東）東石化機械廠1999研制成功了一種以原油（或渣油）為燃料的燃燒器。這種燃燒器吸取國內(nèi)外同類產(chǎn)品的特點，可以充分燃燒原油，火焰可以控制沒有積碳，功率由幾kw到數(shù)百kw。這種加熱裝置以生產(chǎn)的原油為燃料，不必再去購買價格雖然較低，單管理費用很高的煤，綜

12、合經(jīng)濟效益比較高。加熱速度快，可根據(jù)需要隨時開機不需要連續(xù)運行。隨著能源危機的加劇及世界各地對環(huán)保的越來越重視，尋求一種既環(huán)保又節(jié)能的單井儲油罐加熱裝置成了許多單位研究的主要方向。其中便有人提出了將太陽能運用到儲油罐加熱系統(tǒng)中。1.2 太陽能的特點及開發(fā)利用的現(xiàn)狀來自地球外部天體的能源主要是太陽能，人類所需能量的絕大部分都直接或間接地來自太陽。正是各種植物通過光合作用把太陽能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能在植物體內(nèi)貯存下來。煤炭、石油、天然氣等化石燃料也是由古代埋在地下的動植物經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代形成的。它們實質(zhì)上是由古代生物固定下來的太陽能。此外，水能、風(fēng)能、波浪能、海流能等也都是由太陽能轉(zhuǎn)換來的。太陽能的特點

13、：太陽能于常規(guī)能源相比，具有一大、二公、三潔的優(yōu)點2。（1）大 所謂大，就是說太陽能具有能量的巨大性和使用壽命的長久性每年地球陸地上接受的太陽能據(jù)估計至少為70000億千瓦時，相當(dāng)于全球一年內(nèi)總能耗的3.5倍，是當(dāng)今全世界可以開發(fā)的最大能源，也是人類21世紀的主要能源。太陽的能量，按核反應(yīng)速度及質(zhì)量虧損率計算，太陽上氫的儲量足夠維持600億年，與地球上人類歷史相比，可以說太陽能是一種取之不盡、用之不竭的長久能源。（2）公 所謂公，就是說太陽能具有其廣泛性，因為陽光普照大地，無論在陸地或海洋、高山或平原、沙漠或草地，都可以就地取用，無需開采和運輸。（3）潔 所謂潔，就是說太陽能是一種清潔的能源，

14、在開發(fā)和利用的過程中沒有廢渣、廢料、廢水、廢氣的排出，沒有噪聲，不產(chǎn)生對人體有害的物質(zhì)，不會給環(huán)境造成污染和破壞生態(tài)平衡，無論如何利用，多對人類是絕對安全的。我國蘊藏著豐富的太陽能資源，太陽能利用前景廣闊。目前，我國太陽能產(chǎn)業(yè)規(guī)模已位居世界第一，是全球太陽能熱水器生產(chǎn)量和使用量最大的國家和重要的太陽能光伏電池生產(chǎn)國。我國比較成熟的太陽能產(chǎn)品有兩項：太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和太陽能熱水系統(tǒng)。太陽能利用的基本方式可分為如下四類（1）光熱利用它的基本原理是將太陽能輻射能收集起來，通過物質(zhì)的互相作用轉(zhuǎn)化為熱能加以利用。目前使用最多的太陽能收集器，主要有平板型太陽能集熱器、真空管集熱器和聚焦集熱器等3種。通常

15、根據(jù)所能達到的溫度和用途不同，而把太陽能光熱利用分為低溫利用、中溫利用和高溫利用。目前低溫利用主要有太陽能熱水器、太陽能干燥器、太陽能蒸餾器、太陽房、太陽能溫室、太陽能空調(diào)制冷系統(tǒng)等。中溫利用主要有太陽灶、太陽能熱發(fā)電聚光集熱裝置等。高溫利用主要有高溫太陽爐等。（2）太陽能發(fā)電未來太陽能的大規(guī)模利用時用來發(fā)電。利用太陽能發(fā)電有多種形式，目前已實用的主要有以下兩種。光熱電轉(zhuǎn)換。既利用太陽能輻射所產(chǎn)生的熱能發(fā)電。一般是太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)化為工質(zhì)的蒸汽，然后由蒸汽驅(qū)動汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。前一過程為光熱轉(zhuǎn)換，后一過程為熱電轉(zhuǎn)換。光電轉(zhuǎn)換。其基本原理是利用光生伏打效應(yīng)將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換為電

16、能，它的基本裝置是太陽能電池。光化利用這是利用太陽能輻射能直接分解水制氫的光化學(xué)裝換方式。光生物利用通過植物的光合作用來實現(xiàn)將太陽能轉(zhuǎn)換為生物質(zhì)的過程。目前主要有速成植物（如薪炭林）、油料作物和巨型海藻。如今，太陽能已廣泛應(yīng)用于建筑、發(fā)電、制冷、農(nóng)業(yè)等，油田的日常照明也都大規(guī)模應(yīng)用了太陽能發(fā)電技術(shù)。1.3小結(jié)隨著太陽能應(yīng)用的越來越廣泛，其技術(shù)也越來越成熟，為本次太陽能儲油罐加熱系統(tǒng)的設(shè)計提供了許多可供參考的模型，也使得設(shè)計有了理論上的可行性。本設(shè)計借鑒了太陽能在建筑及家用熱水器上的成熟應(yīng)用技術(shù)，參考了太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計思路，具體設(shè)計將在接下來的幾章中給出具體的闡述。 第2章 太陽能儲油罐加熱

17、裝置的總體設(shè)計方案2.1 太陽能儲油罐加熱裝置的總體硬件設(shè)計方案 本設(shè)計是以中國石油大學(xué)（華東）校內(nèi)一單井儲油罐為原型設(shè)計的一套太陽能儲油罐加熱裝置。此儲油罐呈圓柱體，高3m底面直徑4.5m。整個系統(tǒng)包括原油儲油罐、控制系統(tǒng)、太陽能集熱裝置、太陽能光電部分、保溫儲水罐、保溫層、管路部分等。系統(tǒng)的整體硬件設(shè)計方案框圖如圖2-1所示。 圖2-1系統(tǒng)整體硬件方案設(shè)計框圖在本設(shè)計方案中，單片機系統(tǒng)采用凌陽spce061a芯片?？紤]到本系統(tǒng)所需水量比較大而現(xiàn)行市場上太陽能熱水器儲水量達不到要求，所以本系統(tǒng)太陽能熱水器采用分體式既分別購買保溫儲水箱跟太陽能集熱器。太陽能電池板及蓄電池選12v類型，繼電器選

18、無觸點固態(tài)繼電器，各部分的具體的選型及設(shè)計方案在后續(xù)章節(jié)中將詳細介紹。2.2 太陽能儲油罐加熱裝置的總體軟件設(shè)計方案太陽能儲油罐加熱裝置的軟件設(shè)計在基于凌陽spec061a單片機芯片的基礎(chǔ)上，主要實現(xiàn)系統(tǒng)的熱水自動循環(huán)、自動防凍、系統(tǒng)的啟動及停止，實現(xiàn)對系統(tǒng)的自動化控制。軟件的總體設(shè)計操作流程圖如圖2-2所示。 圖2-2軟件總體設(shè)計操作流程圖有圖2-2可知，單片機在開始工作后，首先初始化各個工作模塊及給出每個變量的設(shè)定值，然后采集數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行a/d轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)與對應(yīng)得設(shè)定值進行比較根據(jù)比較結(jié)果控制水泵的啟停及伴熱帶的啟停，并對系統(tǒng)各模塊進行監(jiān)督確保系統(tǒng)自動的正確安全運行，數(shù)據(jù)的采集、

19、轉(zhuǎn)換、處理在后續(xù)的章節(jié)中將詳細的介紹。2.3太陽能儲油罐加熱裝置的方案設(shè)計2.3.1相關(guān)參數(shù)1）原油的相關(guān)參數(shù) 表2-1 原油相關(guān)參數(shù) 稀油密度（20）g/cm 0.88運動粘度（50）mm/s 2050動力粘度（50）pas 1545含蠟（%） 1525含膠（%） 10凝固點（） 2835 稠油0.96020.99662979882528198735 5 39 68 石油的比熱為2.53kj/kg 2）儲油罐容量及面積 儲油罐底面直徑：d=4.5m 儲油罐高：h=3m 儲油罐容積： （21） =3.142.251.5 =47.69m 儲油罐表面積： （22） =23.142.25+23.14

20、2.253 =74.182.3.2熱力計算 1）每保溫層外表面的散熱量計算 公式為： （23） 式中： 以上參數(shù)中取50，取-20，取6mm,取20mm，取100mm，取45,取0.2，取0.024則將上述數(shù)據(jù)代入散熱量計算公式，則= =16.1j/(ms)2） 油罐每日總體散熱量 （24）設(shè)滿罐時原油下降一攝氏度所需時間為t1，則代入數(shù)據(jù)得：t1=26h既滿罐時原油下降一攝氏度需要26小時。 3）日照量的計算本設(shè)計中選擇濟南的太陽輻射量作為參考。根據(jù)中國氣象局國家氣象中心提供的2000年濟南每月及全年總輻射量數(shù)據(jù)如表2-2所示（單位：mj/）。表2-2 2000年濟南太陽輻射量地區(qū)總量一月二

21、月三月四月五月六月七月八月九月十月十一月十二月濟南4895.39240.56352.23527.88579.47577.73544.02542.04498.46438.41245.81213.93184.85 考慮到極限情況，既日照量最低的十二月份作為依據(jù)計算日輻射量為：h=184.85/30=6.17mj/4） 集熱面積的計算 （25）式中： 平均日太陽輻射量mj 取決于集熱器質(zhì)量的好壞，一般可在0.30.5之間選取。一般可按0.20.3之間選取。本設(shè)計中取0.4，取0.2，則存儲滿罐一般時間為6天，考慮到天氣影響，設(shè)定6天集夠所需熱量，則所需的集熱面積為s=52.3/6=8.7。5） 管路

22、計算儲油罐側(cè)面采用螺旋纏繞式將水管纏繞于儲油罐外側(cè)，儲油罐底部管 路分布如圖2-3所示： 圖2-3儲油罐底部管路分布圖由圖可知，油罐底部管路呈u型分布，用一張輕質(zhì)鋼板通過罐底的固定螺絲將管路固定在油罐底部，罐底部同時有五根支撐住將罐固定。油罐周長：選熱水管管徑20-2，則纏繞儲油罐熱水管的圈數(shù)為：則此部分所需熱水管長度為：設(shè)底面所需熱水管長度為：則有：式中： 代入數(shù)據(jù) 得 綜上所需熱水管總長度為：底部180彎頭個數(shù)：6)管路阻力損失計算 儲水箱 出水口 進水口 圖2-4 阻力損失計算模型設(shè)出水口跟進水口在同一水平面上，由列柏努利方程得： （26）式中：，分別為出水口和進水口的水流速度 ，分別為

23、出水口和進水口的壓強 ，分別為出水口和進水口液體密度 ，分別為出水口和進水口液面所在水平高度m 單位質(zhì)量（1kg）流體所獲得的外加機械能 單位質(zhì)量（1kg）流體在橫算范圍能流動時的能量損失設(shè)進出口在同一水平面，則；由于進出水口直接跟水箱連接，所以進出水口的水流速度可視為0，既；則公式（26）可簡化為： （27）分為兩部分：直管比能損失： （28）式中： （29）式中： 將（29）代入（28）得： （210）代入數(shù)據(jù)得：底部180彎頭比能損失： （211）式中： 代入數(shù)據(jù)得：則管路的總比能損失為： （212）2.4 小結(jié) 本設(shè)計以中國石油大學(xué)（華東）校內(nèi)一單井儲油罐為研究背景，系統(tǒng)設(shè)計參考了太陽

24、能熱水器系統(tǒng)的工作原理，所設(shè)計的硬件及軟件充分考慮到了功能的完成、低能耗、高性價比、高穩(wěn)定性，且計算都是在極限情況下進行計算的，可以在極限情況下連續(xù)安全穩(wěn)定運行，并可投入到實際應(yīng)用中。下面就硬件的具體選型設(shè)計跟軟件的設(shè)計進行具體的介紹。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計及選型太陽能儲油罐加熱裝置在硬件的設(shè)計選型過程中要充分考慮其實際工作環(huán)境，所選擇的器件既要滿足功能需要又必須要滿足長久穩(wěn)定性運行的要求，考慮到實際應(yīng)用的成本問題，所選器件還要有較高的性價比。3.1太陽能熱水器的設(shè)計及選型3.1.1儲水箱的設(shè)計及選型太陽能保溫水箱是指應(yīng)用在太陽能集中熱水或太陽能采暖工程中，用來收集和存儲集熱器產(chǎn)生的熱水的一種裝

25、置，一般由內(nèi)膽、保溫層和外殼組成。 表3-1 保溫水箱種類表 水箱種類 材料組成特點 應(yīng)用現(xiàn)狀價格不銹鋼保溫水箱在不銹鋼水箱的夾層添加特殊工藝及保溫材料，使不銹鋼水箱的水保持一定溫度，滿足工業(yè)或生活需要具有較高的耐腐蝕性、防污染性，保溫效果好，通常狀況下一天降溫在10范圍內(nèi)通常應(yīng)用于太陽能熱水系統(tǒng)，供暖系統(tǒng)，電熱系統(tǒng)等500-1500/噸玻璃鋼保溫水箱用玻璃鋼作為原料加工成的保溫儲水箱，一般分為frp組裝式和smc組合式保溫水箱質(zhì)量輕、無銹蝕、水質(zhì)好、使用范圍廣、外形美觀、安裝方便等廣泛應(yīng)用于賓館飯店、學(xué)校、醫(yī)院、企事業(yè)單位、居民住宅的取暖設(shè)備800-2000/噸內(nèi)膽：通常用sus304不銹鋼

26、焊接而成，具有較高的耐腐蝕性，防污染性。保溫層：分為幾類：巖棉、橡塑海棉、聚氨酯發(fā)泡等等，以聚氨酯發(fā)泡效果最好。外殼：由于外殼主要起到保護保溫層和美觀的作用，一般用較薄的不銹鋼板制成，為了降低成本，很多時候用彩板制作，要注意防腐。 設(shè)熱水循環(huán)一周后由80降低為50，則 （31）式中： 將數(shù)據(jù)代入（31）得：由于現(xiàn)行市場上主流的太陽能熱水器自帶儲水箱最大儲量為300l，所以本設(shè)計選分體式太陽能熱水器，保溫儲水箱容量選1m。保溫水箱根據(jù)使用加工材料的不同可分為不銹鋼保溫水箱和玻璃鋼保溫水箱。下面就兩種水箱的材料組成、特點、應(yīng)用現(xiàn)狀及價格方面通過列表的方式進行比較，如表3-1所示?？紤]現(xiàn)場的外部環(huán)境

27、及設(shè)備的性價比，本設(shè)計所選水箱為1m的立方體不銹鋼保溫水箱，水箱設(shè)有安全閥，確保不因水箱內(nèi)部溫度及壓力過高而發(fā)生險情，并設(shè)計有溫度傳感器及液位傳感器的安裝孔，使其能實現(xiàn)自動化管理。3.1.2太陽能集熱器的設(shè)計及選型太陽能集熱器是吸收太陽輻射并將產(chǎn)生的熱能傳遞到傳熱工質(zhì)的裝置。太陽能集熱器雖然不是直接面向消費者的終端產(chǎn)品，但是太陽能集熱器是組成各種太陽能熱利用系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。無論是太陽能熱水器、太陽灶、主動式太陽房、太陽能溫室還是太陽能干燥、太陽能工業(yè)加熱、太陽能熱發(fā)電等都離不開太陽能集熱器，都是以太陽能集熱器作為系統(tǒng)的動力或者核心部件的.按集熱器內(nèi)是否有真空空間太陽能集熱器可分為真空管集熱器和

28、平板式集熱器。下面就兩種集熱器的工藝組成、特點、應(yīng)用現(xiàn)狀、價格通過列表的形式進行比較，如表3-2所示，從而選取合適的應(yīng)用于本設(shè)計。本設(shè)計所考慮的最低溫度為-20，所以要選抗凍型的集熱器。系統(tǒng)設(shè)計需要較高的熱效率及較長的使用壽命來降低成本。綜上本設(shè)計所選集熱器為一款型號為tmrqb5816型 的集熱器。設(shè)備具體參數(shù)如下：產(chǎn)品名稱：熱管真空管集熱器 產(chǎn)品型號 tmrqb5816型 外形尺寸mm 自重 85kg 集熱器件 全玻璃真空集熱管 規(guī)格數(shù)量 581800mm16支 集熱膜層 三靶磁控濺射吸熱膜層 涂層吸收率95%，發(fā)射率5% 德國進口（400w/mk無氧銅）集熱條帶

29、 玻璃罩管 58-47mm硼硅酸鹽3.3玻璃雙壁真空熱絕緣 傳熱器件 8-14mm 超導(dǎo)紫銅熱管及鋁翼 集熱面積 2.5 m 空曬溫度 180 承壓能力 0.6mpa 集管材料 25mm-38mm不銹鋼管 外殼材料 鋼板噴塑鋁合金扣蓋 保溫材料 40mm聚氨酯整體發(fā)泡 支架材料 熱鍍鋅板折彎型材噴塑 表3-2 集熱器種類表集熱器類型工藝組成特點應(yīng)用現(xiàn)狀價格真空管集熱器有內(nèi)管及外管組成，內(nèi)管內(nèi)壁有水銀涂層，內(nèi)管外壁有吸熱涂層，內(nèi)外管之間為真空層。內(nèi)外管均采用高硬度的高硼硅玻璃新技術(shù)、高效率，熱效率可高達93%；使用壽命長，散熱小，看抗凍能力強廣泛應(yīng)用于太陽能熱利用系統(tǒng)，目前市場上絕大多數(shù)太陽能熱

30、水器都使用真空管集熱器，在我國占有95%的市場份額500-2000/平方米平板式集熱器主要有吸熱板、透明蓋板、隔熱板和外層等幾部分組成結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、成本低、承壓能力強、吸熱面積大；熱效率低、使用壽命偏低，散熱快、無抗凍能力應(yīng)用于太陽能熱利用系統(tǒng)，但市場占有份額小，正逐步被真空集熱管代替200-1500/平方米由于一套集熱管集熱面積只有2.5m，由第2章中的設(shè)計計算可得本系統(tǒng)需要8.7m集熱面積，所以選四套裝置串聯(lián)使用。3.2太陽能供電系統(tǒng)的設(shè)計及選型3.2.1 太陽能電池板的設(shè)計及選型太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價值最高的部分。其作用是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能

31、，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作。太陽能電池板的質(zhì)量和成本將直接決定整個系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。 太陽能發(fā)電方式太陽能發(fā)電有兩種方式，一種是光熱電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光電直接轉(zhuǎn)換方式。（1） 光熱電轉(zhuǎn)換方式通過利用太陽輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電，一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成工質(zhì)的蒸氣，再驅(qū)動汽輪機發(fā)電。前一個過程是光熱轉(zhuǎn)換過程；后一個過程是熱電轉(zhuǎn)換過程，與普通的火力發(fā)電一樣.太陽能熱發(fā)電的缺點是效率很低而成本很高，估計它的投資至少要比普通火電站貴510倍.一座1000mw的太陽能熱電站需要投資2025億美元，平均1kw的投資為20002500美元。因此，目前只能小規(guī)模地應(yīng)用于特殊的場合，而

32、大規(guī)模利用在經(jīng)濟上很不合算，還不能與普通的火電站或核電站相競爭。（2） 光電直接轉(zhuǎn)換方式該方式是利用光電效應(yīng)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能，光電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽能電池。太陽能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個半導(dǎo)體光電二極管，當(dāng)太陽光照到光電二極管上時，光電二極管就會把太陽的光能變成電能，產(chǎn)生電流。當(dāng)許多個電池串聯(lián)或并聯(lián)起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。一般太陽能電池板可分為：晶體硅電池板、非晶硅電池板和化學(xué)染料電池板。其中市場上主流的產(chǎn)品為晶體硅電池板，非晶硅電池板和化學(xué)染料電池板在發(fā)展中，下面就三種電池板的組成工藝、特點、使用現(xiàn)狀進行列

33、表分析，如表3-3所示。本設(shè)計系統(tǒng)中，太陽能電池板轉(zhuǎn)換的電量儲存在專用蓄電池中，確保系統(tǒng)隨時可以用電。由于是工業(yè)應(yīng)用，所以要保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，及對外部環(huán)境要有很強的適應(yīng)性，使用壽命高且性價比高。綜合以上比較本設(shè)計系統(tǒng)所選太陽能電池板為多晶硅薄膜電池板。具體規(guī)格如表3-4所示。表3-3 太陽能電池板種類表電池板種類工藝組成特點使用現(xiàn)狀晶體硅電池板主要有晶體硅材料構(gòu)成，分為多晶體硅和單晶體硅兩種轉(zhuǎn)換效率高、技術(shù)最成熟、價格較高是目前主流的太陽能電池板，廣泛應(yīng)用于太陽能發(fā)電系統(tǒng)，太陽能熱電系統(tǒng) 非晶硅電池板分為非晶硅薄膜電池板和有機太陽能電池成本低、轉(zhuǎn)換效率較高、便于大規(guī)模生產(chǎn)、重量輕但穩(wěn)定性不高

34、由于其穩(wěn)定性不高，應(yīng)用范圍較小化學(xué)燃料電池板主要是指以染料敏化多孔納米結(jié)構(gòu)tio2薄膜為光陽極的一類半導(dǎo)體光電化學(xué)電池成本低、壽命長、效率高、可大規(guī)模生產(chǎn)、制造簡單等由于技術(shù)不成熟，處在研究中所以應(yīng)用較少，有廣闊的發(fā)展空間表3-4 多晶硅電池板規(guī)格表規(guī)格標稱功率峰值電壓峰值電流最大開路電壓短路電流使用壽命20w/12v20w17.28v1.16a21.42v1.31a20-25年3.2.2太陽能蓄電池的設(shè)計及選型考慮到本系統(tǒng)需要連續(xù)運行，所以需要一個長期穩(wěn)定的供電電源來給系統(tǒng)供電，由此便需要一個大容量的蓄電池來維持整個系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。由式（212）可得系統(tǒng)的總阻力損失為：由式（27）可得：

35、則循環(huán)水泵的有效功率：式中： 代入數(shù)據(jù)得：一般水泵的效率在0.7左右，電動機與水泵的傳動效率一般在0.95左右，取15%的安全余量，則可求得電動機的功率，既 （31）實際水泵選10w的，則連續(xù)工作三天所需電量為：選12v蓄電池，則蓄電池容量根據(jù)設(shè)計需要，選出了以下幾種，如表3-5所示。表3-5 蓄電池種類表種類容量特點使用范圍價格免維護鉛酸蓄電池12v120ah安全密封、免維護、自放電低、安裝方便、使用壽命長太陽能系統(tǒng)、ups電源系統(tǒng)，供發(fā)電站、變電站等直流系統(tǒng)使用800元金武士鉛酸免維護電池pw-12ups150ah壽命長、綠色環(huán)保、可靠性高、內(nèi)阻小、自放電低、安全性高ups后備電源、控制設(shè)

36、備、電信設(shè)備、醫(yī)療器材、安全系統(tǒng)、應(yīng)急電源、電動工具、電子儀器等1200元12v-100ah太陽能光伏專用儲能蓄電池/膠體蓄電池100ah安全性高、使用壽命長、自放電低、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)能力強太陽能系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、電信系統(tǒng)、電動工具等1000元考慮成本及對環(huán)境的適應(yīng)能力，本設(shè)計選12v-100ah太陽能光伏專用儲能蓄電池。3.3熱水循環(huán)管路的設(shè)計及選型3.3.1 太陽能熱水管的設(shè)計及選型由第2章的計算可知，本設(shè)計所需管路總長為2914.3m，單井儲油罐底部設(shè)計需180彎頭113個。本設(shè)計中，由于管路直接纏繞于儲油罐，所以所需管路要有很強的耐腐蝕性、可塑性，內(nèi)壁光滑以降低管路的阻力損失，綜合上

37、述概況由以下幾種可供選擇，如表3-6所示。 表3-6 太陽能熱水管種類表種類特點導(dǎo)熱系數(shù)使用范圍價格pe-rt管綠色環(huán)保、耐酸堿、抗蠕變、抗老化、抗沖擊、阻力小、高柔韌性、可焊接、使用壽命長等0.4廣泛應(yīng)用于室內(nèi)供暖系統(tǒng)、地?zé)嵯到y(tǒng)、太陽能熱水系統(tǒng)等2.0元/米鋁塑復(fù)合管耐溫范圍廣、耐壓強度高、使用壽命長、抗靜電、阻燃、耐腐蝕、不結(jié)垢0.45廣泛應(yīng)用于冷熱給水、燃氣、采暖、純凈水、化工、醫(yī)藥、食品管道系統(tǒng)及船舶配管和電器導(dǎo)管等2.2元/米pex管耐高溫、承壓能力強、阻力小0.2廣泛應(yīng)用于太陽能熱水器冷熱管1.0元/米原油從地底被抽取到儲油罐時，本身溫度會在4060左右，所以進入儲油罐的原油在一段

38、時間內(nèi)是不需要被加熱的，當(dāng)原油經(jīng)過一段時間的散熱溫度會降低這時就需要加熱系統(tǒng)來給原油進行加熱，而在這之前盡量使原油不散熱或者散熱速率降低是儲油罐保溫加熱系統(tǒng)的重要一環(huán)。所以所選太陽能熱管導(dǎo)熱系數(shù)不應(yīng)過大以降低原油的散熱效率，結(jié)合低成本的要求本設(shè)計選pe-tr（20-2）管作為系統(tǒng)的熱水循環(huán)管路。由于pe-re管具有熱熔性，所以彎頭不需要另選特殊的彎頭，直接焊接即可，這樣也解決了儲油罐底部設(shè)計需要大量彎頭的難題。3.3.2管路中所用閥門的設(shè)計及選型為防止系統(tǒng)由于長期使用造成水垢阻塞管路的正常循環(huán)，本系統(tǒng)設(shè)計有排污系統(tǒng)及外部加水系統(tǒng)。排污系統(tǒng)即定期將儲水罐及管路中的水排空一次來沖洗管路，使管路可以

39、長期穩(wěn)定運行。外部加水系統(tǒng)即由水罐車定期給系統(tǒng)加水，由于采油廠一般都在偏遠的地區(qū)，就地沒有自來水系統(tǒng)只能靠水罐車來定期給系統(tǒng)換水及沖洗。排污及外部加水系統(tǒng)設(shè)計如下： 圖3-1 排污及外部加水系統(tǒng)設(shè)計圖排污時，首先將儲水箱內(nèi)水放空，然后關(guān)閉閥門1、3，打開閥門4、6、5，將水車的出水口和系統(tǒng)的加水口練接，借助水車的壓力將左側(cè)水管沖洗一遍，左側(cè)沖洗完后，關(guān)閉閥門6、2，打開閥門3，沖洗右側(cè)管路。加水時，閥門1、4打開，閥門2、3、5、6關(guān)閉，將水車的出水口與系統(tǒng)的加水口連接，用水車給系統(tǒng)加水。所用閥門均為普通手動截止閥。3.4水泵的設(shè)計及選型系統(tǒng)的循環(huán)需要動力系統(tǒng)來完成，由式31可得，本系統(tǒng)所需水

40、泵的功率為3.46w，目前市場上主流的小功率水泵主要有以下幾種，如表3-7所示。 表3-7 水泵種類表種類流量功率特點適用范圍價格普蘭迪12v直流隔膜泵2-3l/min10w壓力大、耗電量小、壽命長、耐油、耐熱、耐酸堿腐蝕等廣泛應(yīng)用于通用工業(yè)設(shè)備、醫(yī)藥設(shè)備、化工設(shè)備、農(nóng)業(yè)、車輛清洗、水凈化及水處理設(shè)備等58元直流微型隔膜水泵2-4l/min 5w運轉(zhuǎn)平穩(wěn)可長時間連續(xù)運轉(zhuǎn)，使用壽命長、能耗小、耐腐蝕、耐熱、耐油等運用于家庭供水、太陽能工業(yè)、水凈化業(yè)。食品飲料加工設(shè)備、車輛船舶沖洗設(shè)備等64元本設(shè)計中，考慮到水泵要長時間運行及介質(zhì)又是0-100的熱水，所選水本為直流微型隔膜水泵，功率為5w既滿足系

41、統(tǒng)所需3.46w的功率要求又降低了能耗，延長了系統(tǒng)的連續(xù)運行時間。水泵開關(guān)由固體無觸點繼電器來充當(dāng)，由控制器發(fā)出控制信號，控制繼電器的通斷來控制水泵的啟停，無明火，安全性高。3.5伴熱帶的設(shè)計及選型位于儲水箱和儲油罐之間的管路，由于裸露在外，在出現(xiàn)連陰天等導(dǎo)致系統(tǒng)供電不足而使系統(tǒng)長時間不能運行時，管路可能因溫度過低而導(dǎo)致結(jié)冰，為此給這部分管路安裝了伴熱帶，在系統(tǒng)恢復(fù)供電時，如果檢測到水管結(jié)冰，啟動伴熱帶給水加熱，慢慢將冰融化使系統(tǒng)恢復(fù)正常運行。目前市場上主流的伴熱帶介紹如表3-8所示。 表3-8 伴熱帶種類表種類特點使用范圍恒功率伴熱帶單位長度發(fā)熱量恒定，可根據(jù)實際需要任意剪切，柔軟性強可緊貼

42、管路表面敷設(shè)，與控制系統(tǒng)連用能較準確的控制溫度，機械強度高，防腐能力強，使用壽命長，溫度均勻，安全可靠自來水管線、閥門的防凍保溫；大中小型罐體的伴熱保溫；長距離輸油管路的伴熱保溫；液位計的防凍保溫；自控溫電半熱帶自動調(diào)節(jié)輸出功率，不會因自身發(fā)熱而燒毀；低溫快速啟動，溫度均勻；安裝簡便，維護方便；安全可靠，壽命長。氣體輸送管道、輸油管道、閥門等設(shè)備電伴溫或保持恒溫；傳送管道、處理容器、反應(yīng)堆、熱熔膠設(shè)備電伴熱或保持恒溫；動力車間鍋爐設(shè)備、重油輸送管道保持恒溫；電器機械設(shè)備等冬天的保溫防護 考慮到成本，由于自控溫電伴熱帶相對于恒功率伴熱帶造價高，在兩者所使用環(huán)境差不多的情況下選恒功率伴熱帶可以增加

43、性價比，所以本設(shè)計所選伴熱帶為型號dxw-j 的恒功率伴熱帶，具體參數(shù)如下：型號：dxw-j 溫度等級:低溫(d)系列 結(jié)構(gòu)型式:防爆防腐型(p/jf) 電壓等級:12v標稱功率:10w/m伴熱帶結(jié)構(gòu)：1、 銅芯導(dǎo)線:70.32 2、導(dǎo)電塑料層:阻燃ptc 3、絕緣層:改良性聚烯烴 4、屏蔽層:鍍錫軟圓銅線，覆蓋密度80 5、護套層:改性聚烯烴技術(shù)指標: 1、標準顏色:黑色 2、溫度范圍:最高工作655；最高曝露溫度85；施工溫度最低-40 其結(jié)構(gòu)圖參見附錄b。伴熱帶與控制系統(tǒng)之間接一繼電器，通過控制繼電器的開、斷來控制伴熱帶的啟停。3.6保溫材料的設(shè)計及選型目前市場上保溫材料的種類很多，主要

44、有玻璃棉制品、維耐隔熱毯、絕熱泡沫玻璃、聚氨酯等。下面就其各自的特點及應(yīng)用領(lǐng)域列表分析，如表3-9所示。表3-9 保溫材料種類表種類特點應(yīng)用范圍玻璃棉制品分為玻璃棉板和玻璃棉粘，水分在其內(nèi)具有遷移性，長時間受潮會影響其保溫性能空調(diào)保溫、風(fēng)管保溫、鋼結(jié)構(gòu)保溫、除塵器、蒸汽管道保溫等。維耐隔熱毯耐高溫、強韌性、耐火、耐腐蝕等石油化工熱工設(shè)備的隔熱與保溫，船舶、汽車燈交通設(shè)備的高溫隔熱，家電產(chǎn)品的保溫隔熱，作為地產(chǎn)建筑及冷氣機等的襯墊隔熱、消音材料絕熱泡沫玻璃具有良好的防火、防水、耐腐蝕、不燃、防蛀、無毒、不老化、無放射性、機械強度高、尺寸穩(wěn)定等特點建筑墻體保溫，各種煙道內(nèi)襯和工業(yè)窯爐的保溫應(yīng)用，各

45、種民用冷庫、庫房和地鐵、隧道等基礎(chǔ)絕熱應(yīng)用聚氨酯具有導(dǎo)熱系數(shù)低、透濕系數(shù)低、吸水率低、耐水解穩(wěn)定性、抗老化、耐酸堿腐蝕、不易燃等特點冷庫、冷藏車或保鮮箱，彩鋼夾芯板隔熱層等，石化罐體、管道的保溫保冷，地埋式各種復(fù)合直埋管的外層等。 綜合價格及各自使用范圍，本設(shè)計選聚氨酯保溫材料。具體參數(shù)如下：1 保溫層厚度100mm 2 導(dǎo)熱系數(shù)；導(dǎo)熱系數(shù)0.024 3 氧化指數(shù)；28 4 閉孔率；99.5 5 吸水率；1 6 強度；10mpa3.7小結(jié)硬件的設(shè)計及選型都是在上一章計算的基礎(chǔ)上根據(jù)現(xiàn)場的實際情況進行選取的。在滿足系統(tǒng)正常運行的條件下，選取性價比高的設(shè)備來降低系統(tǒng)的設(shè)計成本，以此選出了本次設(shè)計所

46、需要的具體設(shè)備。設(shè)備的價格基本上是由供貨商提供的，其中有的設(shè)備可以定做便于施工，例如保溫儲水罐。一個自動控制系統(tǒng)不僅需要硬件，還要有相應(yīng)的軟件上的支持才能實現(xiàn)自動化，接下來的章節(jié)便介紹本設(shè)計中控制系統(tǒng)的設(shè)計及選型。第4章 控制系統(tǒng)的設(shè)計及選型4.1凌陽spce061a單片機的簡單介紹spce061a單片機是一款16位結(jié)構(gòu)的微控制器，圖4-1是它的結(jié)構(gòu)概覽： 圖4-1 spce061a單片機結(jié)構(gòu)概覽圖spce061a主要包括輸入/輸出端口、定時器/計數(shù)器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、串行設(shè)備輸入輸出、通用異步串行接口、低電壓檢測和復(fù)位等部分，并且內(nèi)置在線仿真電路ice接口，較高的處理速度使其能夠快速

47、的處理復(fù)雜的數(shù)字信號。spce061a單片機應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，例如應(yīng)用在家用電器控制、工業(yè)控制、通信產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備以及電子書籍等諸多方面。本設(shè)計以spce061a為控制器，完成系統(tǒng)的自動化控制，包括自動熱水循環(huán)系統(tǒng)、防凍系統(tǒng)。設(shè)計中所需要的i/o接口電路、電源電壓轉(zhuǎn)換電路將在接下來的章節(jié)中作詳細介紹。4.2單片機外圍接口電路的設(shè)計4.2.1 i/o接口電路的設(shè)計由于spce061a單片機內(nèi)自帶a/d轉(zhuǎn)換器，而且可以自行選擇開啟及自判斷轉(zhuǎn)化是否完成，所以外部i/o接口電路可省去a/d轉(zhuǎn)換的設(shè)計。spce061a單片機i/o接口能接收的最大模擬電壓為3.3v，由現(xiàn)場送來的信號都是4-20ma電流信

48、號，如何將電流轉(zhuǎn)化為0-3.3v的電壓信號是i/o接口電路設(shè)計的所要解決的問題。下面以溫度傳感器為列，設(shè)計i/o接口電路。 圖4-2 i/o接口轉(zhuǎn)換電路圖溫度變送器輸出4-2ma標準電流，經(jīng)標準165電阻轉(zhuǎn)換為0-3.3v電壓，將電阻低電壓一端與spce061a的公共接地端相連，電阻高電壓一端接ioa0端口，這樣ioa0端口就會接收到轉(zhuǎn)換來的0-3.3v電壓信號，再經(jīng)內(nèi)部a/d轉(zhuǎn)換就可得到數(shù)字信號用于數(shù)據(jù)的處理。本設(shè)計公用到三個溫度變送器及一個液位變送器，溫度變送器采用sbwr熱電偶變送器，具體型號如下：傳感部分由cu100構(gòu)成，測溫范圍為0100；工作環(huán)境溫度：-25+80；負載電阻：060

49、0；輸出信號：420ma，直流二線制；具有高精度冷端溫度補償電路全溫度范圍絕對誤差；內(nèi)帶漂移自校正電路，輸出信號與被測溫度呈線性關(guān)系；采用環(huán)氧樹脂封裝，耐腐蝕，抗震性好，可靠性高；液位變送器采用yp投入式液位變送器，具體型號如下：測量范圍：01m；負載電阻：0750輸出信號：420ma，直流二線制精密獨特的零點、溫度、非線性補償，保證儀表使用范圍內(nèi)的精度，長期穩(wěn)定性好；具備本安防爆和隔離防爆能力，可適用于各種危險場合；具有現(xiàn)場顯示能力，現(xiàn)場讀數(shù)十分方便；4.2.2電源接口電路設(shè)計在i/o接口的設(shè)計中，蓄電池電量的檢測由于沒有現(xiàn)成的電量檢測元件，所以在設(shè)計中電源電量檢測電路單獨設(shè)計如下：ioa3

50、spce061a +12v電源 r2 r1 270 100 圖4-3 電池電量檢測接口圖電源電壓降低為10v時，說明電壓不足，電池電量過低，此時系統(tǒng)應(yīng)停止工作或只有少數(shù)器件工作，r1高端電壓最高為3.3v，有效防止因電壓過高而引起單片機燒毀的事故。 圖4-4 單片機硬件接口電路連接圖spce061a單片機供電有5v和3.3v兩種，而外部供電電源只有12v電壓，所以就用到一穩(wěn)壓器將12v的電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的5v或3.3v電壓，考慮到單片機不需要在連接外圍模塊，功率較小，所以選5v供電電壓。選7805穩(wěn)壓器來轉(zhuǎn)換12v成5v電壓。其硬件接口電路如圖4-4所示。4.3控制程序編寫 4-5 主程序流程圖防凍處理子程序流程圖及水位處理子程序流程圖如下圖： 圖4-6 防凍處理子程序流程圖 圖4-7 水位處理子程序流程圖系統(tǒng)具體程序見附錄a。 4.4小