太阳能技术在原油罐加热装置应用设计

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1、中国石油大学华东毕业设计论文太阳能技术在原油罐加热装置应用设计 学生姓名：李爱华学 号：06050211专业班级：自动化06-2班指导教师：胡长松2010年6月20日摘 要论文针对当前采油厂单井储油罐加热系统中常用的大功率电加热棒使用寿命短、能耗大、平安性低等问题，特别是在偏远地区供电缺乏，而拉线供电又消耗巨大，提出了以太阳能为根底的储油罐加热系统。在解决了电加热棒在油罐加热中易火灾、爆罐等平安隐患的同时，解决了偏远地区供电缺乏的难题，使用太阳能能源，绿色环保，降低了能耗，一次性投入可长期受益。整个系统包括原油储油罐、控制系统、太阳能集热装置、太阳能光电局部、保温储水罐、保温层、管路局部等。利

2、用太阳能集热器将太阳能转化为水的热能，经循环管路给原油储油罐内原油加热使其内部原油维持在一个特定的温度范围，当原油储油罐不需要加热时，热能储存在保温水箱内，等需要时再启动循环系统给原油罐内原油加热。论文针对系统包含的各局部进行了详细的设计计算及选型，对系统的可行性、性价比及合理性进行性了分析和综述归纳。关键词：太阳能；储油罐；加热系统；光电系统；单片机 ABSTRACTAccording to the defect of the large electric heating which used commonly in the current oil extraction factory th

3、at 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 gas f

4、ire ,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 insu

5、lation, 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 heat

6、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-chip

7、 Microcontroller目 录第1章 前 言11.1 国内外储油罐保温加热系统的现状11.2 太阳能的特点及开发利用的现状21.3小结4第2章 太阳能储油罐加热装置的总体设计方案52.1 太阳能储油罐加热装置的总体硬件设计方案52.2 太阳能储油罐加热装置的总体软件设计方案52.3太阳能储油罐加热装置的方案设计62.4 小结11第3章 系统硬件设计及选型133.1太阳能热水器的设计及选型133.2太阳能供电系统的设计及选型163.3热水循环管路的设计及选型183.4水泵的设计及选型213.5伴热带的设计及选型213.6保温材料的设计及选型233.7小结24第4章 控制系统的设计及选型2

8、54.1凌阳SPCE061A单片机的简单介绍254.2单片机外围接口电路的设计264.3控制程序编写284.4小结30第5章 结 论31致 谢32参考文献33附 录34第1章 前 言1.1 国内外储油罐保温加热系统的现状 在原油生产中，某些油井产出的高粘度原油需要在井场储罐内储存加热后才能装车外运。单井原油储罐的加热方法及装置是影响原油本钱的关键之一。北京石油学院任瑛教授创造了当时世界上第一种水套加热炉加热装置，水套加热炉所用的燃料是天然气。这种水套加热炉在经过以后几十年的改进，仍然在某些油井中应用，是油田大多数油井产出的原油可进入输油管道的常用设备1。以下是近几十年来采油厂常用的储油罐保温措

9、施。由于有些油田在成产原油中伴生的水汽很少，有的甚至没有伴生水汽，水套加热炉就不能使用。为此，有人设计出了火烧心储油罐。这种储油罐中心有加热管道，罐外有原油燃烧室，人工将原油参加原油燃烧室，加热储油罐中的原油。这种方法原油燃烧不完全，效率低，污染环境，但在一些没有电、天然气的偏远油井中，仍然使用这种装置。此方法只适用于有充足供电条件的油井上。一般的单井储油罐外形呈圆柱体，储量在20-40m之间，次方法可在原有储罐上稍作改造。在罐体开一圆孔，利用此圆孔加装电热管。电热管的数量和功率，需根据储油罐的储量跟实际需要来计算。一般一个40m的储油罐装4-6根功率为9KW的电热管。电热管加热储油罐有很多优

10、点，如可以实现自动化管理，温度容易控制等，但也有其缺点。最大的缺点就是耗电量太大，昂贵的电费直接加大了原油生产的本钱。面对节能及降低本钱两大问题，显然生产单位对这种方法不是很欢送。针对电加热的缺乏，研制了气加热跟气举装为一体的加热装置。这种装置要求在油井生产的原油时，必须有足够的天然气才行。如果伴生的天然气缺乏那么无法使用次装置。目前生产和使用此装置的数量比拟少，胜利油田的孤岛采油厂有此装置。4. 煤加热储罐 煤加热的储油罐，外形如火管式锅炉。由于煤炭的价格低廉，使得此法迅速的在各地得以推广。此法也存在其缺点，要组织车辆定时向井场运送煤炭以及及时处理掉煤渣，增加了工人的劳动强度，由于燃煤炉不是

11、一个密封的明火火源使得其平安性较差。而且需要有人24小时值班，这样燃料上节省的费用将会被人工费用抵消。所以此种方法只能在偏远地区的少数高产油井上使用。原油本身就是一种高质量的燃料，如何利用自产的原油加热单井储油罐是很多单位都在研究的课题。石油大学华东东石化机械厂1999研制成功了一种以原油或渣油为燃料的燃烧器。这种燃烧器吸取国内外同类产品的特点，可以充分燃烧原油，火焰可以控制没有积碳，功率由几KW到数百KW。这种加热装置以生产的原油为燃料，不必再去购置价格虽然较低，单管理费用很高的煤，综合经济效益比拟高。加热速度快，可根据需要随时开机不需要连续运行。随着能源危机的加剧及世界各地对环保的越来越重

12、视，寻求一种既环保又节能的单井储油罐加热装置成了许多单位研究的主要方向。其中便有人提出了将太阳能运用到储油罐加热系统中。1.2 太阳能的特点及开发利用的现状来自地球外部天体的能源主要是太阳能，人类所需能量的绝大局部都直接或间接地来自太阳。正是各种植物通过光合作用把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的。它们实质上是由古代生物固定下来的太阳能。此外，水能、风能、波浪能、海流能等也都是由太阳能转换来的。太阳能的特点：太阳能于常规能源相比，具有一大、二公、三洁的优点2。1大 所谓大，就是说太阳能具有能量的巨大性和使用寿命的

13、长久性每年地球陆地上接受的太阳能据估计至少为70000亿千瓦时，相当于全球一年内总能耗的3.5倍，是当今全世界可以开发的最大能源，也是人类21世纪的主要能源。太阳的能量，按核反响速度及质量亏损率计算，太阳上氢的储量足够维持600亿年，与地球上人类历史相比，可以说太阳能是一种取之不尽、用之不竭的长久能源。2公 所谓公，就是说太阳能具有其广泛性，因为阳光普照大地，无论在陆地或海洋、高山或平原、沙漠或草地，都可以就地取用，无需开采和运输。3洁 所谓洁，就是说太阳能是一种清洁的能源，在开发和利用的过程中没有废渣、废料、废水、废气的排出，没有噪声，不产生对人体有害的物质，不会给环境造成污染和破坏生态平衡

14、，无论如何利用，多对人类是绝对平安的。我国蕴藏着丰富的太阳能资源，太阳能利用前景广阔。目前，我国太阳能产业规模已位居世界第一，是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家和重要的太阳能光伏电池生产国。我国比拟成熟的太阳能产品有两项：太阳能光伏发电系统和太阳能热水系统。太阳能利用的根本方式可分为如下四类1光热利用它的根本原理是将太阳能辐射能收集起来，通过物质的互相作用转化为热能加以利用。目前使用最多的太阳能收集器，主要有平板型太阳能集热器、真空管集热器和聚焦集热器等3种。通常根据所能到达的温度和用途不同，而把太阳能光热利用分为低温利用、中温利用和高温利用。目前低温利用主要有太阳能热水器、太阳能枯燥

15、器、太阳能蒸馏器、太阳房、太阳能温室、太阳能空调制冷系统等。中温利用主要有太阳灶、太阳能热发电聚光集热装置等。高温利用主要有高温太阳炉等。2太阳能发电未来太阳能的大规模利用时用来发电。利用太阳能发电有多种形式，目前已实用的主要有以下两种。光热电转换。既利用太阳能辐射所产生的热能发电。一般是太阳能集热器将所吸收的热能转化为工质的蒸汽，然后由蒸汽驱动汽轮机带动发电机发电。前一过程为光热转换，后一过程为热电转换。光电转换。其根本原理是利用光生伏打效应将太阳辐射能直接转换为电能，它的根本装置是太阳能电池。光化利用这是利用太阳能辐射能直接分解水制氢的光化学装换方式。光生物利用通过植物的光合作用来实现将太

16、阳能转换为生物质的过程。目前主要有速成植物如薪炭林、油料作物和巨型海藻。如今，太阳能已广泛应用于建筑、发电、制冷、农业等，油田的日常照明也都大规模应用了太阳能发电技术。随着太阳能应用的越来越广泛，其技术也越来越成熟，为本次太阳能储油罐加热系统的设计提供了许多可供参考的模型，也使得设计有了理论上的可行性。本设计借鉴了太阳能在建筑及家用热水器上的成熟应用技术，参考了太阳能热水系统的设计思路，具体设计将在接下来的几章中给出具体的阐述。 第2章 太阳能储油罐加热装置的总体设计方案2.1 太阳能储油罐加热装置的总体硬件设计方案 本设计是以中国石油大学华东校内一单井储油罐为原型设计的一套太阳能储油罐加热装

17、置。此储油罐呈圆柱体，高3m底面直径4.5m。整个系统包括原油储油罐、控制系统、太阳能集热装置、太阳能光电局部、保温储水罐、保温层、管路局部等。系统的整体硬件设计方案框图如图2-1所示。 图2-1系统整体硬件方案设计框图在本设计方案中，单片机系统采用凌阳SPCE061A芯片。考虑到本系统所需水量比拟大而现行市场上太阳能热水器储水量达不到要求，所以本系统太阳能热水器采用分体式既分别购置保温储水箱跟太阳能集热器。太阳能电池板及蓄电池选12v类型，继电器选无触点固态继电器，各局部的具体的选型及设计方案在后续章节中将详细介绍。2.2 太阳能储油罐加热装置的总体软件设计方案太阳能储油罐加热装置的软件设计

18、在基于凌阳SPEC061A单片机芯片的根底上，主要实现系统的热水自动循环、自动防冻、系统的启动及停止，实现对系统的自动化控制。软件的总体设计操作流程图如图2-2所示。 图2-2软件总体设计操作流程图有图2-2可知，单片机在开始工作后，首先初始化各个工作模块及给出每个变量的设定值，然后采集数据并对数据进行A/D转换，转换后的数据与对应得设定值进行比拟根据比拟结果控制水泵的启停及伴热带的启停，并对系统各模块进行监督确保系统自动的正确平安运行，数据的采集、转换、处理在后续的章节中将详细的介绍。相关参数1原油的相关参数 表2-1 原油相关参数 稀油密度20g/cm运动粘度50mm/s 2050动力粘度

19、50Pas 1545含蜡% 1525含胶% 10凝固点 2835 稠油2979882528198735 5 39 68 2储油罐容量及面积 储油罐高：h=3m 储油罐容积： 21 储油罐外表积： 22 =2+22.253 =74.18热力计算 1每保温层外外表的散热量计算 公式为： 23 式中： 以上参数中取50，取-20，取6mm,取20mm，取100mm，取45,，那么将上述数据代入散热量计算公式，那么= J/(ms)2） 油罐每日总体散热量 24设满罐时原油下降一摄氏度所需时间为T1，那么代入数据得：T1=26h既满罐时原油下降一摄氏度需要26小时。 3日照量的计算本设计中选择济南的太阳

20、辐射量作为参考。根据中国气象局国家气象中心提供的2000年济南每月及全年总辐射量数据如表2-2所示单位：MJ/。表2-2 2000年济南太阳辐射量地区总量一月二月三月四月五月六月七月八月九月十月十一月十二月济南 考虑到极限情况，既日照量最低的十二月份作为依据计算日辐射量为：H=184.85/30=6.17MJ/4） 集热面积的计算 25式中： 平均日太阳辐射量MJ 0.5之间选取。0.3之间选取。本设计中取0.4，取0.2，那么。5） 管路计算储油罐侧面采用螺旋缠绕式将水管缠绕于储油罐外侧，储油罐底部管 路分布如图2-3所示： 图2-3储油罐底部管路分布图由图可知，油罐底部管路呈U型分布，用一

21、张轻质钢板通过罐底的固定螺丝将管路固定在油罐底部，罐底部同时有五根支撑住将罐固定。油罐周长：选热水管管径20-2，那么缠绕储油罐热水管的圈数为：那么此局部所需热水管长度为：设底面所需热水管长度为：那么有：式中： 代入数据 得 综上所需热水管总长度为：底部180弯头个数：6)管路阻力损失计算 储水箱 出水口 进水口 图2-4 阻力损失计算模型设出水口跟进水口在同一水平面上，由列柏努利方程得： 26式中：，分别为出水口和进水口的水流速度 ，分别为出水口和进水口的压强 ，分别为出水口和进水口液体密度 ，分别为出水口和进水口液面所在水平高度m 单位质量1Kg流体所获得的外加机械能 单位质量1Kg流体在

22、横算范围能流动时的能量损失设进出口在同一水平面，那么；由于进出水口直接跟水箱连接，所以进出水口的水流速度可视为0，既；那么公式26可简化为： 27分为两局部：直管比能损失： 28式中： 29式中： 将29代入28得： 210代入数据得：底部180弯头比能损失： 211式中： 代入数据得：那么管路的总比能损失为： 2122.4 小结 本设计以中国石油大学华东校内一单井储油罐为研究背景，系统设计参考了太阳能热水器系统的工作原理，所设计的硬件及软件充分考虑到了功能的完成、低能耗、高性价比、高稳定性，且计算都是在极限情况下进行计算的，可以在极限情况下连续平安稳定运行，并可投入到实际应用中。下面就硬件的

23、具体选型设计跟软件的设计进行具体的介绍。第3章 系统硬件设计及选型太阳能储油罐加热装置在硬件的设计选型过程中要充分考虑其实际工作环境，所选择的器件既要满足功能需要又必须要满足长久稳定性运行的要求，考虑到实际应用的本钱问题，所选器件还要有较高的性价比。储水箱的设计及选型太阳能保温水箱是指应用在太阳能集中热水或太阳能采暖工程中，用来收集和存储集热器产生的热水的一种装置，一般由内胆、保温层和外壳组成。 表3-1 保温水箱种类表 水箱种类 材料组成特点 应用现状价格不锈钢保温水箱在不锈钢水箱的夹层添加特殊工艺及保温材料，使不锈钢水箱的水保持一定温度，满足工业或生活需要具有较高的耐腐蚀性、防污染性，保温

24、效果好，通常状况下一天降温在10范围内通常应用于太阳能热水系统，供暖系统，电热系统等500-1500/吨玻璃钢保温水箱用玻璃钢作为原料加工成的保温储水箱，一般分为FRP组装式和SMC组合式保温水箱质量轻、无锈蚀、水质好、使用范围广、外形美观、安装方便等广泛应用于宾馆饭店、学校、医院、企事业单位、居民住宅的取暖设备800-2000/吨内胆：通常用sus304不锈钢焊接而成，具有较高的耐腐蚀性，防污染性。保温层：分为几类：岩棉、橡塑海棉、聚氨酯发泡等等，以聚氨酯发泡效果最好。外壳：由于外壳主要起到保护保温层和美观的作用，一般用较薄的不锈钢板制成，为了降低本钱，很多时候用彩板制作，要注意防腐。 设热

25、水循环一周后由80降低为50，那么 31式中： 将数据代入31得：由于现行市场上主流的太阳能热水器自带储水箱最大储量为300L，所以本设计选分体式太阳能热水器，保温储水箱容量选1m。保温水箱根据使用加工材料的不同可分为不锈钢保温水箱和玻璃钢保温水箱。下面就两种水箱的材料组成、特点、应用现状及价格方面通过列表的方式进行比拟，如表3-1所示。考虑现场的外部环境及设备的性价比，本设计所选水箱为1m的立方体不锈钢保温水箱，水箱设有平安阀，确保不因水箱内部温度及压力过高而发生险情，并设计有温度传感器及液位传感器的安装孔，使其能实现自动化管理。太阳能集热器的设计及选型太阳能集热器是吸收太阳辐射并将产生的热

26、能传递到传热工质的装置。太阳能集热器虽然不是直接面向消费者的终端产品，但是太阳能集热器是组成各种太阳能热利用系统的关键部件。无论是太阳能热水器、太阳灶、主动式太阳房、太阳能温室还是太阳能枯燥、太阳能工业加热、太阳能热发电等都离不开太阳能集热器，都是以太阳能集热器作为系统的动力或者核心部件的.按集热器内是否有真空空间太阳能集热器可分为真空管集热器和平板式集热器。下面就两种集热器的工艺组成、特点、应用现状、价格通过列表的形式进行比拟，如表3-2所示，从而选取适宜的应用于本设计。本设计所考虑的最低温度为-20，所以要选抗冻型的集热器。系统设计需要较高的热效率及较长的使用寿命来降低本钱。综上本设计所选

27、集热器为一款型号为TMRQB5816型 的集热器。设备具体参数如下：产品名称：热管真空管集热器 产品型号 TMRQB5816型 外形尺寸 13502050150 mm 自重 85kg 集热器件 全玻璃真空集热管 规格数量 581800mm16支 集热膜层 三靶磁控溅射吸热膜层 涂层吸收率95%，发射率5% 德国进口400W/mK无氧铜集热条带 玻璃罩管 58-47mm硼硅酸盐3.3玻璃双壁真空热绝缘 传热器件 8-14mm 超导紫铜热管及铝翼 集热面积 2.5 m 空晒温度 180 承压能力 0.6MPa 集管材料 25mm-38mm不锈钢管 外壳材料 钢板喷塑铝合金扣盖 保温材料 40mm聚

28、氨酯整体发泡 支架材料 热镀锌板折弯型材喷塑 表3-2 集热器种类表集热器类型工艺组成特点应用现状价格真空管集热器有内管及外管组成，内管内壁有水银涂层，内管外壁有吸热涂层，内外管之间为真空层。内外管均采用高硬度的高硼硅玻璃新技术、高效率，热效率可高达93%；使用寿命长，散热小，看抗冻能力强广泛应用于太阳能热利用系统，目前市场上绝大多数太阳能热水器都使用真空管集热器，在我国占有95%的市场份额500-2000/平方米平板式集热器主要有吸热板、透明盖板、隔热板和外层等几局部组成结构简单、运行可靠、本钱低、承压能力强、吸热面积大；热效率低、使用寿命偏低，散热快、无抗冻能力应用于太阳能热利用系统，但市

29、场占有份额小，正逐步被真空集热管代替200-1500/平方米由于一套集热管集热面积只有2.5m，由第2章中的设计计算可得本系统需要8.7m集热面积，所以选四套装置串联使用。 太阳能电池板的设计及选型太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心局部，也是太阳能发电系统中价值最高的局部。其作用是将太阳能转化为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和本钱将直接决定整个系统的质量和本钱。 太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光热电转换方式，另一种是光电直接转换方式。1 光热电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机

30、发电。前一个过程是光热转换过程；后一个过程是热电转换过程，与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而本钱很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵510倍.一座1000MW的太阳能热电站需要投资2025亿美元，平均1kW的投资为20002500美元。因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。2 光电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光电转换的根本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把

31、太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比拟大的输出功率的太阳能电池方阵了。一般太阳能电池板可分为：晶体硅电池板、非晶硅电池板和化学染料电池板。其中市场上主流的产品为晶体硅电池板，非晶硅电池板和化学染料电池板在开展中，下面就三种电池板的组成工艺、特点、使用现状进行列表分析，如表3-3所示。本设计系统中，太阳能电池板转换的电量储存在专用蓄电池中，确保系统随时可以用电。由于是工业应用，所以要保证系统的平安稳定，及对外部环境要有很强的适应性，使用寿命高且性价比高。综合以上比拟本设计系统所选太阳能电池板为多晶硅薄膜电池板。具体规格如表3-4所示。表3-3 太阳能电池板种类表

32、电池板种类工艺组成特点使用现状晶体硅电池板主要有晶体硅材料构成，分为多晶体硅和单晶体硅两种转换效率高、技术最成熟、价格较高是目前主流的太阳能电池板，广泛应用于太阳能发电系统，太阳能热电系统 非晶硅电池板分为非晶硅薄膜电池板和有机太阳能电池本钱低、转换效率较高、便于大规模生产、重量轻但稳定性不高由于其稳定性不高，应用范围较小化学燃料电池板主要是指以染料敏化多孔纳米结构TiO2薄膜为光阳极的一类半导体光电化学电池本钱低、寿命长、效率高、可大规模生产、制造简单等由于技术不成熟，处在研究中所以应用较少，有广阔的开展空间表3-4 多晶硅电池板规格表规格标称功率峰值电压峰值电流最大开路电压短路电流使用寿命

33、20W/12V20W20-25年太阳能蓄电池的设计及选型考虑到本系统需要连续运行，所以需要一个长期稳定的供电电源来给系统供电，由此便需要一个大容量的蓄电池来维持整个系统的长期稳定运行。由式212可得系统的总阻力损失为：由式27可得：那么循环水泵的有效功率：式中： 代入数据得：一般水泵的效率在0.7左右，电动机与水泵的传动效率一般在0.95左右，取15%的平安余量，那么可求得电动机的功率，既 31实际水泵选10W的，那么连续工作三天所需电量为：选12V蓄电池，那么蓄电池容量根据设计需要，选出了以下几种，如表3-5所示。表3-5 蓄电池种类表种类容量特点使用范围价格免维护铅酸蓄电池12V120AH

34、平安密封、免维护、自放电低、安装方便、使用寿命长太阳能系统、UPS电源系统，供发电站、变电站等直流系统使用800元金武士铅酸免维护电池PW-12UPS150AH寿命长、绿色环保、可靠性高、内阻小、自放电低、平安性高UPS后备电源、控制设备、电信设备、医疗器材、平安系统、应急电源、电开工具、电子仪器等1200元12V-100AH太阳能光伏专用储能蓄电池/胶体蓄电池100AH平安性高、使用寿命长、自放电低、可靠性高、环境适应能力强太阳能系统、发电系统、电信系统、电开工具等1000元考虑本钱及对环境的适应能力，本设计选12V-100AH太阳能光伏专用储能蓄电池。 太阳能热水管的设计及选型由第2章的计

35、算可知，本设计所需管路总长为2914.3m，单井储油罐底部设计需180弯头113个。本设计中，由于管路直接缠绕于储油罐，所以所需管路要有很强的耐腐蚀性、可塑性，内壁光滑以降低管路的阻力损失，综合上述概况由以下几种可供选择，如表3-6所示。 表3-6 太阳能热水管种类表种类特点导热系数使用范围价格PE-RT管绿色环保、耐酸碱、抗蠕变、抗老化、抗冲击、阻力小、高柔韧性、可焊接、使用寿命长等广泛应用于室内供暖系统、地热系统、太阳能热水系统等铝塑复合管耐温范围广、耐压强度高、使用寿命长、抗静电、阻燃、耐腐蚀、不结垢广泛应用于冷热给水、燃气、采暖、纯洁水、化工、医药、食品管道系统及船舶配管和电器导管等P

36、EX管耐高温、承压能力强、阻力小广泛应用于太阳能热水器冷热管原油从地底被抽取到储油罐时，本身温度会在4060左右，所以进入储油罐的原油在一段时间内是不需要被加热的，当原油经过一段时间的散热温度会降低这时就需要加热系统来给原油进行加热，而在这之前尽量使原油不散热或者散热速率降低是储油罐保温加热系统的重要一环。所以所选太阳能热管导热系数不应过大以降低原油的散热效率，结合低本钱的要求本设计选PE-TR20-2管作为系统的热水循环管路。由于PE-RE管具有热熔性，所以弯头不需要另选特殊的弯头，直接焊接即可，这样也解决了储油罐底部设计需要大量弯头的难题。管路中所用阀门的设计及选型为防止系统由于长期使用造

37、成水垢阻塞管路的正常循环，本系统设计有排污系统及外部加水系统。排污系统即定期将储水罐及管路中的水排空一次来冲洗管路，使管路可以长期稳定运行。外部加水系统即由水罐车定期给系统加水，由于采油厂一般都在偏远的地区，就地没有自来水系统只能靠水罐车来定期给系统换水及冲洗。排污及外部加水系统设计如下： 图3-1 排污及外部加水系统设计图排污时，首先将储水箱内水放空，然后关闭阀门1、3，翻开阀门4、6、5，将水车的出水口和系统的加水口练接，借助水车的压力将左侧水管冲洗一遍，左侧冲洗完后，关闭阀门6、2，翻开阀门3，冲洗右侧管路。加水时，阀门1、4翻开，阀门2、3、5、6关闭，将水车的出水口与系统的加水口连接

38、，用水车给系统加水。所用阀门均为普通手动截止阀。系统的循环需要动力系统来完成，由式31可得，本系统所需水泵的功率为3.46W，目前市场上主流的小功率水泵主要有以下几种，如表3-7所示。 表3-7 水泵种类表种类流量功率特点适用范围价格普兰迪12v直流隔膜泵2-3L/min10W压力大、耗电量小、寿命长、耐油、耐热、耐酸碱腐蚀等广泛应用于通用工业设备、医药设备、化工设备、农业、车辆清洗、水净化及水处理设备等58元直流微型隔膜水泵2-4L/min 5W运转平稳可长时间连续运转，使用寿命长、能耗小、耐腐蚀、耐热、耐油等运用于家庭供水、太阳能工业、水净化业。食品饮料加工设备、车辆船舶冲洗设备等64元本

39、设计中，考虑到水泵要长时间运行及介质又是0-100的热水，所选水本为直流微型隔膜水泵，功率为5W既满足系统所需3.46W的功率要求又降低了能耗，延长了系统的连续运行时间。水泵开关由固体无触点继电器来充当，由控制器发出控制信号，控制继电器的通断来控制水泵的启停，无明火，平安性高。位于储水箱和储油罐之间的管路，由于裸露在外，在出现连阴天等导致系统供电缺乏而使系统长时间不能运行时，管路可能因温度过低而导致结冰，为此给这局部管路安装了伴热带，在系统恢复供电时，如果检测到水管结冰，启动伴热带给水加热，慢慢将冰融化使系统恢复正常运行。目前市场上主流的伴热带介绍如表3-8所示。 表3-8 伴热带种类表种类特

40、点使用范围恒功率伴热带单位长度发热量恒定，可根据实际需要任意剪切，柔软性强可紧贴管路外表敷设，与控制系统连用能较准确的控制温度，机械强度高，防腐能力强，使用寿命长，温度均匀，平安可靠自来水管线、阀门的防冻保温；大中小型罐体的伴热保温；长距离输油管路的伴热保温；液位计的防冻保温；自控温电半热带自动调节输出功率，不会因自身发热而烧毁；低温快速启动，温度均匀；安装简便，维护方便；平安可靠，寿命长。气体输送管道、输油管道、阀门等设备电伴温或保持恒温；传送管道、处理容器、反响堆、热熔胶设备电伴热或保持恒温；动力车间锅炉设备、重油输送管道保持恒温；电器机械设备等冬天的保温防护 考虑到本钱，由于自控温电伴热

41、带相对于恒功率伴热带造价高，在两者所使用环境差不多的情况下选恒功率伴热带可以增加性价比，所以本设计所选伴热带为型号DXW-J 的恒功率伴热带，具体参数如下：型号：DXW-J 温度等级:低温(D)系列 结构型式:防爆防腐型(P/JF) 电压等级:12V标称功率:10W/m伴热带结构：1、 铜芯导线:70.32 2、导电塑料层:阻燃PTC 3、绝缘层:改进性聚烯烃 4、屏蔽层:镀锡软圆铜线，覆盖密度80 5、护套层:改性聚烯烃技术指标: 1、标准颜色:黑色 2、温度范围:最高工作655；最高曝露温度85；施工温度最低-40 其结构图参见附录B。伴热带与控制系统之间接一继电器，通过控制继电器的开、断

42、来控制伴热带的启停。目前市场上保温材料的种类很多，主要有玻璃棉制品、维耐隔热毯、绝热泡沫玻璃、聚氨酯等。下面就其各自的特点及应用领域列表分析，如表3-9所示。表3-9 保温材料种类表种类特点应用范围玻璃棉制品分为玻璃棉板和玻璃棉粘，水分在其内具有迁移性，长时间受潮会影响其保温性能空调保温、风管保温、钢结构保温、除尘器、蒸汽管道保温等。维耐隔热毯耐高温、强韧性、耐火、耐腐蚀等石油化工热工设备的隔热与保温，船舶、汽车灯交通设备的高温隔热，家电产品的保温隔热，作为地产建筑及冷气机等的衬垫隔热、消音材料绝热泡沫玻璃具有良好的防火、防水、耐腐蚀、不燃、防蛀、无毒、不老化、无放射性、机械强度高、尺寸稳定等

43、特点建筑墙体保温，各种烟道内衬和工业窑炉的保温应用，各种民用冷库、库房和地铁、隧道等根底绝热应用聚氨酯具有导热系数低、透湿系数低、吸水率低、耐水解稳定性、抗老化、耐酸碱腐蚀、不易燃等特点冷库、冷藏车或保鲜箱，彩钢夹芯板隔热层等，石化罐体、管道的保温保冷，地埋式各种复合直埋管的外层等。 综合价格及各自使用范围，本设计选聚氨酯保温材料。具体参数如下：1 保温层厚度100mm 2 导热系数；导热系数0.024 3 氧化指数；28 4 闭孔率；99.5 5 吸水率；1 6 强度；10MPa硬件的设计及选型都是在上一章计算的根底上根据现场的实际情况进行选取的。在满足系统正常运行的条件下，选取性价比高的设

44、备来降低系统的设计本钱，以此选出了本次设计所需要的具体设备。设备的价格根本上是由供货商提供的，其中有的设备可以定做便于施工，例如保温储水罐。一个自动控制系统不仅需要硬件，还要有相应的软件上的支持才能实现自动化，接下来的章节便介绍本设计中控制系统的设计及选型。第4章 控制系统的设计及选型SPCE061A单片机是一款16位结构的微控制器，图4-1是它的结构概览： 图4-1 SPCE061A单片机结构概览图SPCE061A主要包括输入/输出端口、定时器/计数器、数/模转换、模/数转换、串行设备输入输出、通用异步串行接口、低电压检测和复位等局部，并且内置在线仿真电路ICE接口，较高的处理速度使其能够快

45、速的处理复杂的数字信号。SPCE061A单片机应用领域非常广泛，例如应用在家用电器控制、工业控制、通信产品、医疗设备以及电子书籍等诸多方面。本设计以SPCE061A为控制器，完成系统的自动化控制，包括自动热水循环系统、防冻系统。设计中所需要的I/O接口电路、电源电压转换电路将在接下来的章节中作详细介绍。 I/O接口电路的设计由于SPCE061A单片机内自带A/D转换器，而且可以自行选择开启及自判断转化是否完成，所以外部I/O接口电路可省去A/D转换的设计。SPCE061A单片机I/O接口能接收的最大模拟电压为3.3v，由现场送来的信号都是4-20mA电流信号，如何将电流转化为0-3.3v的电压

46、信号是I/O接口电路设计的所要解决的问题。下面以温度传感器为列，设计I/O接口电路。 图4-2 I/O接口转换电路图温度变送器输出4-2mA标准电流，经标准165电阻转换为0-3.3v电压，将电阻低电压一端与SPCE061A的公共接地端相连，电阻高电压一端接IOA0端口，这样IOA0端口就会接收到转换来的0-3.3v电压信号，再经内部A/D转换就可得到数字信号用于数据的处理。本设计公用到三个温度变送器及一个液位变送器，温度变送器采用SBWR热电偶变送器，具体型号如下：传感局部由Cu100构成，测温范围为0100；工作环境温度：-25+80；负载电阻：0600；输出信号：420mA，直流二线制；

47、具有高精度冷端温度补偿电路全温度范围绝对误差；内带漂移自校正电路，输出信号与被测温度呈线性关系；采用环氧树脂封装，耐腐蚀，抗震性好，可靠性高；液位变送器采用YP投入式液位变送器，具体型号如下：测量范围：01m；负载电阻：0750输出信号：420mA，直流二线制精密独特的零点、温度、非线性补偿，保证仪表使用范围内的精度，长期稳定性好；具备本安防爆和隔离防爆能力，可适用于各种危险场合；具有现场显示能力，现场读数十分方便；电源接口电路设计在I/O接口的设计中，蓄电池电量的检测由于没有现成的电量检测元件，所以在设计中电源电量检测电路单独设计如下：IOA3SPCE061A +12V电源 R2 R1 27

48、0 100 图4-3 电池电量检测接口图电源电压降低为10V时，说明电压缺乏，电池电量过低，此时系统应停止工作或只有少数器件工作，R1高端电压最高为3.3V，有效防止因电压过高而引起单片机烧毁的事故。 图4-4 单片机硬件接口电路连接图SPCE061A单片机供电有5V和3.3V两种，而外部供电电源只有12V电压，所以就用到一稳压器将12V的电压转换为稳定的5V或3.3V电压，考虑到单片机不需要在连接外围模块，功率较小，所以选5V供电电压。选7805稳压器来转换12V成5V电压。其硬件接口电路如图4-4所示。 4-5 主程序流程图防冻处理子程序流程图及水位处理子程序流程图如下列图： 图4-6 防

49、冻处理子程序流程图 图4-7 水位处理子程序流程图系统具体程序见附录A。软件的设计参考了凌阳SPCE061A单片机实验指导书，在通过对其自带实验的分析了解了SPCE061A单片机的特点及其编程考前须知和技巧，本设计中编程用汇编语言跟C语言合用，借鉴两种语言的各自不同特点及自己对两种语言的掌握，使程序可读性强。经仿真实验,程序可实现系统的控制，程序可用于现场的控制中。第5章 结 论1、 通过本次设计，掌握了太阳能热水器的工作原理，对太阳能热水系统在各领域的综合利用有了深刻的理解。2、 了解了当前采油厂单井储油罐加热系统的现状，了解到各大企业对其内在的高能耗及低平安性的不满，确定了本设计的广阔市场

50、前景。3、 本设计绿色环保，本钱低，一次性投入可持续使用25年左右，大大降低了原油的开采本钱。4、 本设计为单井储油罐保温加热系统提出了一个新的开展方向，可作为以后此类研究的参考。5、 掌握了凌阳SPCE061A单片机的编程方法，并完成了系统自动化控制的编程，是SPCE061A单片机应用的又一个成功例子。6、 本设计完成了预期的设计要求，完成了热水循环系统、排污系统、防冻系统、人工补水系统的设计，并对各局部中用到的设备根据原油罐的实际大小选出了具体的产品，可投入实际使用中。致 谢感谢学校和学院给了自己这次珍贵的毕业设计时机。感谢给自己上过课的每一位老师，是你们孜孜不倦的教诲使我在专业知识和处世

51、做人方面受益匪浅。 感谢胡长松老师两个多月来的的悉心指导。从本次设计开始到论文的编写结束，我的导师胡长松老师都在时刻用他严谨的治学态度、求真务实的作风、坚持不懈的精神影响着我，使我在毕业设计的过程中懂得了许多做人的道理。在此，谨向胡长松老师致以最真诚的敬意和衷心的感谢。感谢跟我一起做毕业设计的冯斌、程建强等同学在毕业设计中给我的帮助，在此，表示最真诚的谢意。四年前我初进大学，如今我即将完成学业走向社会。感谢我的老师，感谢我的家人，感谢我的朋友，是你们的关心和保护给了我战胜困难的勇气和信心，使我顺利完成了学业。衷心祝愿你们身体健康，幸福快乐！参考文献1郭公喜，孙兆福，孙祥光.单井原油储罐加热装置

52、的现状及开展前景.石油机械，2001，291：49-60.2罗运俊，陶桢.太阳能热水器及系统.北京：化学化工出版社，2006.9：107-1243滨川圭弘.太阳能光伏电池及其应用.北京：科学出版社，2021：17-394Jan F Kreider，Frank Kreith.Solar Energy Handbook.New York：Mc GRAW-HILL BOOK COMPAN，1979：59-695周向宁，楚荣珍，张鹏.基于SPCE061A单片机的二级倒立摆控制系统.微计算机信息，2007,231-1：72-736彭中.太阳能电加热原油储运系统.油气田地面工程，2021,276：59-6

53、17SONG Jianlan.Rosier Future For Solar Energy Conversion.Bulletin Of The Chinese Academy Of Sciences,2021,224：219-2208潘峰.导热油炉加热系统的结垢和清洗.宁波化工，2021，2：40-439陈维，沈辉.太阳能光伏应用中的蓄电池研究.电池，206，361：67-7110鲍文胜.基于单片机的太阳能热水器控制系统研究.青岛理工大学学报，2007,285：80-110：8-81附 录附录A.DEFINEP_IOA_Data0x7000.DEFINE P_IOA_Buffer0x7001

54、.DEFINE P_IOA_Dir0x7002.DEFINE P_IOA_Attrib0x7003.DEFINE P_IOB_Data0x7005.DEFINE P_IOB_Buffer0x7006.DEFINE P_IOB_Dir0x7007.DEFINE P_IOB_Attrib0x7008.DEFINE P_ADC0x7014.DEFINE P_ADC_Ctrl0x7015.DEFINE P_ADC_MUX_Ctrl0x702B.DEFINE P_ADC_MUX_Data0x702C.DEFINE P_Watchdog_Clear0x7012.IRAM/*定义五个变量作为设定值*/ .V

55、AR T1=0x0213,T2=0x00ee,T3=0x011f,H1=0x01c3,H2=0x03af,Q1=0x0346.VAR T4,T5,T6,H3,Q2.CODE.EXTERNAL delays.PUBLIC _MAIN; _MAIN: r1 = 0x0000/设置IOA口为悬浮输入口P_IOA_Dir = r1r1 = 0xffffP_IOA_Attrib = r1r1 = 0x0000P_IOA_Data = r1 r1 = 0xffff/设置IOB口为同相低电平输出口P_IOB_Dir = r1r1 = 0xffffP_IOB_Attrib = r1r1 = 0x0000P_IOB_Data = r1/*采集数据并进行AD转换*/loop8:r