浮顶原油储罐传热传质过程实验装置及其实验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于进行原油在浮顶储罐内静置储存、收发油和投产过程的传热传质规律实验研究，具体涉及浮顶原油储罐传热传质过程实验装置及其实验方法。
【背景技术】
[0002]近年来，为了应对世界石油形势，我国相继开展了石油战略储备库建设，兴建了多座大型石油储备库。由于具有低蒸发损耗、经济性好的优势，浮顶储罐成为了首选的储油罐型。在原油的储存过程中，其温度变化规律一直是生产中所关心的问题，掌握不同工况下储罐的油温分布及变化规律是制定储罐运行管理方案、合理控制加热温度，优化加热方案的基础，也是实现原油储运过程节能降耗、低碳环保的前提。
[0003]当储罐内储存油品为含蜡原油时，其传热过程更为复杂。对于含蜡原油，当温度较高时，原油中的蜡组分处于溶解状态，原油粘度较低。随温度降低，原油中的蜡组分逐渐结晶并析出，当蜡晶析出量达到2%?3%时，便可形成三维网状结构，阻碍原油流动，导致原油整体失去流动性并凝固。原油的组成和含蜡量变化直接影响其热物理性质和流变性，而原油物性的变化又会对原油的温度分布造成影响，进而又将改变原油的组成和析蜡特性。因此，只有将原油的传热、传质过程相耦合，才能从本质上揭示其温度场变化规律，准确预测原油的温降速率。此外，原油储罐长期运行后，往往在罐底沉积大量油泥，当油泥高度超过储罐进出油口高度时就会导致储罐收发油过程受阻。而在一定条件下罐壁附近形成的凝油也会对浮顶的正常运行、密封效果产生一定影响，对原油传质特性的研究对于保障储罐的安全、稳定运行也格外重要。
[0004]目前，针对浮顶储罐内原油储存过程传热传质规律的研究，常用方法为计算机数值模拟，但已有研究仅是针对原油的传热过程，没有将原油的蜡沉积、组成变化与其传热过程相耦合。加之缺乏高效的数值求解算法，导致数值模拟效率低、计算误差较大。也有部分研究采用现场测试方法，通过在储罐内安装温度传感器测试油温变化。但由于实际生产工况复杂多变，导致现场测试所得到的数据难以准确表征原油温度场变化的本质规律。此外，由于难以控制现场试验条件，导致对原油传热过程影响因素的研究难以科学、有效的进行。对于室内实验研究，已有建立室内模拟罐进行原油温降研究的文献报道，但其所建立的实验罐与实际浮顶储罐的结构差异较大，没有体现浮顶储罐的边界特点，且仅能针对原油静置储存的温降过程进行研究，测试数据也只有温度，无法获得原油温降过程的组成、含量变化和散热损失数据，对原油传质过程的研究难以实现。由于缺乏有效的控温手段，无法准确控制储罐不同边界的温度变化，难以实现对原油传热传质过程影响因素深入研究的目的。综上，目前尚没有能够较真实的模拟浮顶原油储罐结构特点，准确、灵活控制实验条件，以储罐内原油传热、传质的耦合过程作为研究对象的实验装置和方法。
[0005]因此，建设一套针对浮顶储罐结构和传热边界特点，实现对不同环境温度下原油静置储存、收发油和投产过程模拟，测试原油温度场、热流密度和成分、含量变化的实验装置，以此进行原油传热传质规律研究，对于明确原油储罐的温度场变化规律，提高原油储罐的运行管理水平、实现节能降耗都具有重要的现实意义与指导作用。有鉴于此，本发明提出一种模拟浮顶原油储罐传热传质过程的实验装置和方法，以克服现有技术缺陷。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供浮顶原油储罐传热传质过程实验装置，这种浮顶原油储罐传热传质过程实验装置用于解决现有技术中对储罐内原油储存过程传热传质规律进行研究的实验装置缺少真实性的问题，本发明的另一个目的是提供这种浮顶原油储罐传热传质过程实验装置的实验方法。
[0007]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:这种浮顶原油储罐传热传质过程实验装置包括实验罐，实验罐为浮顶储罐，实验罐的罐壁和浮顶外侧分别有温控水浴夹层，水浴夹层内设置有罐壁温度传感器，罐壁夹层被分隔成多段螺旋形流道，每段螺旋形流道分别与一台独立的第二恒温水浴相连;浮顶夹层被折流挡板分隔，并与第一恒温水浴相连;罐底外壁覆盖有电热膜，罐底内壁安装有罐底温度传感器，电热膜和罐底温度传感器均与数据采集控制系统相连;浮顶布置多个贯穿的测试孔，测试管穿过测试孔伸入到实验罐底部附近，测试管内封装了多个热电偶，热电偶头部通过测试管上的电偶孔伸出，热电偶与电偶孔间采用与测试管相同材质的塑料密封，测试管留在浮顶外部分通过引出的导线与数据采集控制系统相连，数据采集控制系统与计算机相连;浮顶内壁、罐壁内壁、罐底内壁均设置多个热流传感器，罐壁上设置的热流传感器与测试管中设置的热电偶沿高度方向一一对应布置;测试孔自浮顶中心至罐壁沿径向依次排列成一排，测试孔与罐底内壁设置的热流传感器一一对应;测试管上还布置有取样孔，实验罐通过螺杆栗连接预热罐。
[0008]上述方案中测试孔非等间距布置，距离罐壁越近，相邻测试孔的间距越小，在每个测试孔内安装一组测试管，根据实验目的和数值模拟结果优化布置，实现分析原油温度场分布，例如为了捕捉罐壁温度边界层变化，而测试管伸入到实验罐底部的进油口处，可以分析收发油过程对原油传热传质过程的影响。
[0009]上述方案中罐壁上安装有进油口，进油口与进油管段相连，其上安装有温度传感器和球阀，进油管段的另一端与第一螺杆栗相连;与进油口相邻的位置安装有出油口，出油口与出油管段相连，其上也安装有温度传感器和球阀，出油口还安装流量计，出油管段的另一端与第二螺杆栗相连，第一螺杆栗、第二螺杆栗均与变频器相连，变频器与数据采集控制系统集成，可用于接收原油进入实验罐或将实验罐内的油品排出，控制螺杆栗的转速，进而按照实验要求调节流量，螺杆栗具有剪切作用小，栗内温升小的优点，并且运行平稳，适用于输送高粘度的介质。
[0010]上述方案中测试管伸出罐外部分，其表面涂覆有保温涂料，测试管内部采用聚氨酯填充剂进行填充密封，以减少油蒸汽挥发和散热损失；
上述方案中预热罐与实验罐的容积之差为正数。
[0011 ]上述浮顶原油储罐传热传质过程实验装置的实验方法:
利用预热罐将实验油品加热到预定温度；
调整浮顶位置，使实验罐内形成指定高度的储液空间；
利用恒温水浴、电热膜将实验罐罐壁、浮顶、罐底和进油管段分别控制在指定温度；
通过第一螺杆栗以预定流量输出所述达到预定温度的油品，使其流经流量计量设备、进油管段后进入实验罐；
利用所述多个温度传感器、热电偶实时监测实验罐径向、轴向不同位置的油品温度； 利用多个热流传感器实时监测实验罐浮顶、罐壁和罐底的热流密度；
持续注油过程直到充满实验罐，投产过程结束；
关闭第一螺杆栗、进油阀门，开始油品静置储存温降实验；
利用所述多个温度传感器、热电偶、热流传感器持续测试、采集数据；
利用取样针通过测试管的取样孔对罐内油品取样；
利用差示扫描量热仪、气相色谱仪测试油样的成分、含量、析蜡点和含蜡量；
当实验罐内油品达到预定温度后，移除浮顶，通过第二螺杆栗按预定流量通过出油口将实验罐内油品输出至预热罐；
实验罐内液位低于出油口高度后，开启罐底排油口阀门，关闭出油口阀门，从底部排除剩余液态油品；
观察实验罐内的凝油和沉积物分布，测试凝油层厚度；
取样测试实验罐内存油的组成、析蜡点和含蜡量等；
控制恒温水浴、电热膜，升高罐内油温；
通过排油口排净罐内剩余油品；
根据测得的温度、热流数据分析实验罐的温度场、散热损失变化；
根据测得的油样分析结果，分析原油中不同成分的传质过程；
根据测得的油壁温差和热流密度的比值得到凝油层的平均热阻；
根据凝油层平均热阻和测得的油品组成、含量分析原油成分变化对其物性参数的影响。
[0012]上述浮顶原油储罐传热传质过程实验装置的实验方法:
利用预热罐将实验油品加热到第一预定温度；
调整浮顶位置，使实验罐内形成指定高度的储液空间；
利用恒温水浴、电热膜将实验罐罐壁、浮顶、罐底和进油管段分别控制在指定温度；
通过第一螺杆栗以预定流量输出所述达到预定温度的油品，使其流经流量计量设备、进油管段后进入实验罐，持续注油直到充满实验罐；
关闭第一螺杆栗、进油阀门，开始储罐静置储存过程；
实验罐内油温达到预定值后，利用电热膜使预热罐达到第二预定温度；
打开实验罐进油阀门，预热罐发油阀门，通过第一螺杆栗以预定流量输出所述达到第二预定温度的油品至实验罐，同时打开实验罐出油阀门，预热罐进油阀门，通过第二螺杆栗以预定流量将实验罐内油品输出至预热罐，开始实验罐收发油过程传热、传质实验；
利用所述多个温度传感器、热电偶、热流传感器持续测试、存储原油温度、热流密度数据；
利用取样针通过测试管的取样孔对油品取样，利用差示扫描量热仪、气相色谱仪测试油样成分、含量、析蜡点和含蜡量；
实验罐内油品达到预定温度后，移除浮顶，关闭第一螺杆栗，实验罐进油阀门，预热罐出油阀门；
通过第二螺杆栗将实验罐内油品输出至预热罐； 实验罐内油品液位低于出油口高度后，关闭出油阀门，开启罐底排油阀门，从底部排除剩余液态油品；
观察实验罐内凝油层和沉积物分布，测试凝油层厚度；
取样测试实验罐内存油的组成、析