一种大型原油浮顶储罐非稳态传热过程数值模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种数值模拟方法，特别涉及一种大型原油浮顶储罐非稳态传热过程 数值模拟方法。
【背景技术】
[0002] 随着原油储备需求的增加，大型浮顶油罐因其技术和经济上的优势已成为大规模 原油库的首选储油设施。油罐在生产运行中，当罐内原油温度低于析蜡点时，含蜡原油会因 析蜡在浮顶、罐壁和罐底所包围的内沿形成一定厚度和强度的凝油层，严重时可能发生凝 罐等事故。因此，为确保储罐安全生产，必须准确掌握罐内原油温度场的变化规律。国内外 针对储罐油品温度场的研究方法主要集中在数值模拟、现场测试两个方面。采用现场测试， 对特定的工程问题能够得到较可靠的结果，但其只能在条件相同的情况下使用，具有较大 的局限性，而应用传热学理论对油罐进行数值模拟，则可以较好地弥补这一不足。
[0003] 应用数值模拟方法研究油罐温度场的变化规律，由传统的经验公式计算到现今的 软件模拟求解，建立的物理数学模型与实际油罐越来越贴近，相应地数值求解过程也越来 越复杂。采用经验公式法计算罐内原油温度场变化规律时，对边界传热系数的设定往往采 取用经验值的方法，将罐内原油温度看成一个整体进行计算，计算过程虽简单便捷，但将实 际情况进行了过度简化，导致计算结果精度有限，在实际工程中只能作为参考使用。现有商 业软件，如Fluent等CFD数值模拟软件可以用于原油储罐非稳态传热过程的数值模拟，其 具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，但是计算耗时较多，仅能反 映对象较短一段时间内的温降特点，不易应用于工程实践，并且这类软件不能得到整体温 度场的变化规律。
[0004] 综上所述，目前针对大型原油浮顶储罐非稳态传热过程数值模拟研究，均具有一 定的局限性，无法全面反映相关因素对大型浮顶油罐温度场的影响规律。
【发明内容】
[0005] 为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种大型原油浮顶储罐非稳态传热 过程数值模拟方法。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种大型原油浮顶储罐非稳态传热 过程数值模拟方法，包括如下内容： 步骤一：以原油储罐过轴线的剖面为研究对象，建立储罐二维非稳态传热数值模型； 步骤二：运用有限差分法对数值模型区域进行离散，得到外部角点、边界节点以及内部 节点的非稳态离散方程，并根据离散方程的稳定性，确定空间步长以及时间步长； 步骤三：根据罐顶、罐壁以及罐底的边界条件，建立原油物性参数、边界传热系数与温 度的对应关系，所述边界传热系数包括罐顶传热系数、罐壁传热系数及罐底传热系数，具体 按照以下步骤进行： (1)假定罐顶温度，与油品温度之间的平均值为定性温度，然后计算出在此定性温度下 油品的物性参数：相对密度、粘度、导热系数、比热容以及体膨胀系数； (2) 根据格拉晓夫准则和普朗特准则，确定中间系数和值，然后计算出内部放热系数、 外部放热系数以及辐射放热系数，如果是双盘浮顶罐，还需要根据浮舱定性温度计算出舱 内放热系数； (3) 计算得出罐顶传热系数，根据热平衡原理进行验算；如果满足精度，则认为假定的 平均温度是准确的；如不满足，应重新假定平均温度，再计算罐顶传热系数，同理可得罐壁 传热系数及罐底传热系数； 步骤四：对罐内原油初始温度进行赋值，运用插值法将相应温度下的原油物性参数及 边界传热系数，代入到外部角点、边界节点以及内部节点离散方程中，然后迭代进行下一个 时间步长的计算，得出罐内原油温度场分布，直到整个模拟过程计算结束，得出罐内原油温 度场的变化规律。
[0007] 上述方法中步骤一所述的以原油储罐过轴线的剖面为研究对象，建立储罐二维非 稳态传热数值模型，该数值模型是：
[0008] 上述方法中步骤二所述的运用有限差分法对数值模型区域进行离散，得到外部角 点的非稳态离散方程，其中外部角点的非稳态离散方程中的底部角点方程是：
式中：F〇x、Bix分别为X方向上网格傅里叶数、网格毕渥数，Fo￥为y方向上网格傅里叶 数、Biydl为底部y方向上网格毕渥数； 其中外部角点的非稳态离散方程中的顶部角点方程是：
式中：Bi一g为顶部y方向上网格毕渥数，Kding为罐顶传热系数，WAm2 ·°C)。
[0009] 上述方法中步骤二所述的运用有限差分法对数值模型区域进行离散，得到边界节 点的非稳态离散方程，其中的竖直边界节点主要受罐壁传热以及相邻三个点温度的影响， 其上任意一节点的离散方程为：
其中的平直边界节点主要受罐顶或罐底传热以及相邻三个点温度的影响，平直边界节 点中的任一上边界节点E(a，N)的离散方程为： . ...
, . ,- > 平直边界节点中的任一下边界节点F(d，1)的离散方程为：
[0010] 上述方法中步骤二所述的运用有限差分法对数值模型区域进行离散，得到内部任 一节点H(m，η)的非稳态离散方程是：
[0011] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：基于变物性模型，采用网格生成技术建立 的大型浮顶原油储罐内油品传热过程的数学模型，能够最大限度地保证数值模拟过程与实 际工况相吻合；并运用迭代的方法对该模型进行求解，其具有简单、灵活以及通用性强的特 点，方法便于实现，既能保证计算效率，又能节约时间。
【附图说明】
[0012] 图1是本发明大型原油浮顶储罐非稳态传热过程的数值迭代计算流程图。
[0013]图2是本发明采用的浮顶储罐空间区域离散模型示意图。
[0014]图3是本发明采用的浮顶储罐时间区域离散模型示意图。
[0015]图4是本发明的数值模拟结果与实际测量的对比图。
【具体实施方式】
[0016] 下面将通过具体的实施例并参照附图对本发明方法进行说明： 一种大型原油浮顶储罐非稳态传热过程数值模拟方法，包括如下内容： 步骤一：以原油储罐过轴线的剖面为研究对象，建立储罐二维非稳态传热数值模型为 了便于数学模型的建立，作出如下必要简化： ① 忽略上、下浮盘之间的构件，为一个连通空气区域； ② 忽略油品内部析蜡相变过程； ③ 假设罐内油品降温的初始温度均匀一致。
[0017]原油储罐二维非稳态传热数值模型：
[0018」步骤二：运用有|很差分法对数值模型Κ域进仃离散，得到外部角点、边界节点以及 内部节点的非稳态离散方程，并根据离散方程的稳定性，确定空间步长以及时间步长 一、运用有限差分法对数值模型区域进行离散，建立如图2的离散模型，得到ΜΧΝ个空 间节点，每一个节点都可以看成是以其为中心的一个小区域的代表，称之为元体，相邻两节 点之间的步长为ΔΧ、Ay。Α~D为外部角点，每个点代表四分之一个元体；Ε~Η为平直 边界上的节点，每个点代表二分之一个元体；I为内节点，代表整个元体。在空间区域离散 的基础上，对时间区域进行离散，如图3所示。将时间坐标上的区域划为i等份，得到i+1 个时间节点，相邻两个时间层的间隔Ατ为时间步长，相应的温度记为 .。：
[0019] 二、离散方程： (1)外部角点的非稳态尚散方程 ① 外部角点主要受罐底、罐壁传热以及相邻两点温度的影响，其中点D(l，l)为储罐模 型的底部角点，对其所代表元体运用能量守恒定律可得：
其中，a=AApc)，整理式后可得： 式中，λ为油品的导热系数，WAm·°C) ;Kbl为罐壁传热系数，WAm2 ·°C) ;Kdl为罐底 传热系数，WAm2 ·°C) ;P为油品的密度，kg/m3;c为油品的比热容，kX/(kg·°C);
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