一种大型原油浮顶储罐盘管加热效果评价方法与流程

本发明涉及的是油气储运技术领域，具体涉及的是一种大型原油浮顶储罐盘管加热效果评价方法。

背景技术：
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油罐在生产运行中，当罐内原油温度低于析蜡点时，会产生“凝罐”等安全事故，为了保证储罐的安全运行，必须对罐内原油进行适时加热。加热技术各有优缺点，应根据具体情况，结合油品性质、作业性质、地区及气温特点、安全因素等选择应用。我国主要油田生产的原油大多为高含蜡原油，蜡含量高达15％～37％，当进行短时间大量装卸油作业时，为了保证安全需要采用全面加热技术。目前最普遍的加热方式是在储油罐的内部安装加热盘管，具有结构简单、造价低、操作方便等优点，然而这种方式进行加热会产生巨大的能源浪费，因而有必要对现有的储罐盘管结构进行加热效果评价，以达到高效节能的目的。

罐内原油温度场的变化规律是评价加热效果的前期基础，目前在对原油温度场的研究中，往往只考虑了加热盘管→罐内油品→外界大气温度的散热过程，忽略了日间太阳对浮顶储罐罐顶、罐壁的辐射传热过程，致使原油温度场的分布规律与实际工况差异较大；另一方面，在对大型原油浮顶储罐盘管加热效果评价过程中，以往是将原油的升温速率作为判断加热效果的主要指标，但其只能反映罐内原油温度场随时间的变化情况，忽略了原油浮顶储罐大空间结构对加热效果的影响。罐内油品在流动过程中以壁面处的油流温度最低，当油温在析蜡点以下时，蜡开始以粗糙的内壁为核心而结晶析出，并形成结蜡层，进一步吸附原油中的蜡晶颗粒，严重时可能会造成储罐浮顶卡盘等安全事故。因此在对加热效果评价时，还要考虑空间因素即罐内油品温度场的不均匀程度。

综上所述，目前针对原油浮顶储罐加热效果的评价方法，均具有一定的局限性，不能科学全面的评价大型原油浮顶储罐盘管的加热效果。

技术实现要素：
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本发明的目的是提供一种大型原油浮顶储罐盘管加热效果评价方法，这种大型原油浮顶储罐盘管加热效果评价方法用于解决目前对原油温度场的研究不全面、致使评价大型原油浮顶储罐盘管加热效果不合理的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种大型原油浮顶储罐盘管加热效果评价方法包括以下步骤：

步骤一：以大型原油浮顶储罐为研究对象，建立大气温度、太阳辐射动态变化的传热模型，得到储罐外部的边界条件；

经罐顶单位面积传入的热量Qroof为：

经罐壁单位面积传入的热量Qwall为：

罐底单位面积传入的热量Qbott为：

Qbott＝Kbott(tsoil-toil)

式中，Qroof，Qwall，Qbott分别为罐顶、罐壁、罐底单位面积的传热量，W/m²；Qsroof，Qswall分别为罐顶、罐壁吸收的太阳辐射量，W/m²；Kroof，Kwall，Kbott分别为罐顶、罐壁、罐底的传热系数，W/(m²·℃)；α2roof，α2wall分别为罐顶、罐壁的对流传热系数，W/(m²·℃)；α3roof，α3wall分别为罐顶、罐壁的辐射传热系数，W/(m²·℃)；tsoil为土壤温度，℃；ten为环境温度，℃；toil为油品温度，℃；

与阳光照射方向垂直的单位面积罐顶吸收的太阳辐射量q0按下式计算：

式中，I为太阳常数，由实际观测确定I＝1367W/m²；P为大气透明系数，其值为0.7～0.8；θ为太阳正午时的天顶角；σ为与昼长有关的系数，当昼长为8～16小时，其值应为0.346～0.391；m与大气质量有关的系数，ε为储罐浮盘的黑度；

任一τ时刻单位面积罐顶、罐壁所受的太阳辐射量为：

式中：F′roof，F′wall分别为阳光垂直照射罐顶、罐壁平面上的投影面积，m²；Froof,Fwall分别为罐顶、罐壁的面积，m²；ω为圆频率，rad/h；τini为太阳日出的时刻，h；

任一τ时刻的大气温度为：

式中，为大气的昼夜平均温度，℃；Δten为大气的昼夜最大温差，℃；

步骤二：从所述大型原油浮顶储罐内取出原油，运用室内试验仪器进行测试，测试出所述大型原油浮顶储罐内不同温度下原油的密度、导热系数、黏度、比热容的变化规律，并通过非线性回归的方法得到原油的变物性模型；

原油密度：

ρoil＝ρ20[1-0.00062(toil-20)]

式中，ρoil为油品密度，kg·m^-3；ρ20为20℃时油品密度，kg·m^-3；toil为油品温度，℃；

原油导热系数：

式中，λoil为油品的导热系数，W/(m·℃)；

原油黏度：

μoil＝e^(-28.8+8904.4/(toil+273.15))

式中，μoil为油品动力黏度，Pa·s；

原油比热容：

式中，coil为油品比热容，J·(kg·℃)^-1；

步骤三：在得到大型原油浮顶储罐外部边界条件以及原油变物性模型的基础上，建立描述浮顶储罐内部原油传热与流动过程的数学模型，并采用有限单元法对该模型进行数值求解，得到不同结构加热盘管下罐内原油温度场的分布情况；不同结构加热盘管分别为竖排结构、立体结构、蛇形结构；

步骤四：根据大型原油浮顶储罐内原油温度场的分布情况，建立大型原油浮顶储罐盘管加热效果评价指标，从时间和空间的角度对比分析不同结构盘管加热过程升温速率、温度场不均匀程度的变化规律，根据相关结果，优选加热盘管结构。

上述方案中步骤三的具体方法为：

在步骤二得到的原油物性参数的基础上，通过建立相应的控制方程来描述原油的传热与流动过程，其中，质量守恒方程和动量方程来描述罐内原油自然对流过程，能量守恒方程来描述原油间传热过程；

质量守恒方程：

式中，x、y分别为储罐横、纵坐标，m；u、v分别为油品的横向、纵向速度，m/s；τ为加热时间，s；

动量守恒方程：

式中：P为油品流体静压力，Pa；g为油品重力加速度，m/s²；

能量守恒方程：

式中：u、v分别为油品的横向、纵向速度，m/s；

基于压力求解的模式采用有限单元法求解，求解区域内的物性参数，物性参数包括原油、大气、土壤，其中原油的密度、黏度、导热系数、比热容采用的是变物性参数，求解压力-速度耦合时采用的是计算非稳态传热过程的PISO算法，对流项采用改进的QUICK格式，改进离散方程的截差；根据以上数值模拟方法求得在盘管加热面积以及热流量一定的情况下，不同结构盘管加热过程中罐内原油温度场的分布规律。

上述方案步骤四中：

升温速率：

式中，taver为加热一段时间后罐内油品的平均温度，℃；t0为罐内油品加热前的初始温度，℃；τaver为将罐内油品平均温度加热到taver时所需的时间，d；τ0为罐内油品加热前的初始时间，d；

将任一时刻内，储罐空间内各点温度的离散程度定义为温度场不均匀程度，反映的是罐内油品温度随空间分布的指标，

温度场不均匀程度：

式中：tcen为储罐内油品中心的温度，℃；tf，tb分别为罐顶、罐底油品的温度，℃；twl，twr分别为储罐左、右两侧罐壁油品的温度，℃。

本发明具有以下有益效果：

综合考虑储罐外部所处环境的动态变化以及内部原油的变物性特征等因素，建立的大型浮顶原油储罐盘管加热过程数学模型，能够最大限度地保证数值模拟结果与实际工况相吻合；在此基础上，兼具时间和空间的角度，提出的加热效果评价指标，能够更加科学、完整的评价不同结构盘管的加热效果，为油田企业及相关设计单位节能降耗工作提供了指导性意见。

附图说明：

图1是本发明大型原油浮顶储罐非稳态传热过程示意图。

图2是本发明原油变物性参数图。

图3是本发明大型原油浮顶储罐加热时间与升温速率关系图。

图4是本发明大型原油浮顶储罐加热时间与温度场不均匀程度图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

这种大型原油浮顶储罐盘管加热效果评价方法，包括如下内容：

步骤一：以大型原油浮顶储罐为研究对象，建立考虑大气温度、太阳辐射等动态变化的传热模型，得到储罐外部的边界条件。

经储罐罐顶传入的能量包括大气传入的热量以及罐顶浮盘吸收的太阳辐射量，根据能量平衡的条件可得各阶段的传热公式为，如图1：

Qlroof＝(α2roof+α3roof)(ten-toutroof)

Qsroof+Qlroof＝λroof(toutroof-tinroof)

Qlroof+Qsroof＝α1roof(tinroof-toil)

式中，Qlroof为由大气温度传入到顶板的热量，W/m²；Qsroof为罐顶吸收的太阳辐射量，W/m²；α2roof为罐顶的对流传热系数，W/(m²·℃)；α3roof为罐顶的辐射传热系数，W/(m²·℃)；λroof为罐顶的导热系数，W/(m·℃)；ten为环境温度，℃；toutroof,tinroof分别为罐顶外、内表面的温度，℃；toil为油品温度，℃。

将上式改写后相加可得：

于是经罐顶单位面积传入的热量Qroof＝Qlroof+Qsroof为：

将其简化为：

同理可得经罐壁单位面积传入的热量Qwall为：

罐底单位面积传入的热量Qbott受土壤温度影响较大，其公式为：

Qbott＝Kbott(tsoil-toil)

式中，Qroof，Qwall，Qbott分别为罐顶、罐壁、罐底单位面积的传热量，W/m²；Kroof，Kwall，Kbott分别为罐顶、罐壁、罐底的传热系数，W/(m²·℃)；α2wall为罐壁的对流传热系数，W/(m²·℃)；α3wall为罐壁的辐射传热系数，W/(m²·℃)；tsoil为土壤温度，℃。

考虑到罐顶吸收辐射的能力，与阳光照射方向垂直的单位面积罐顶吸收的太阳辐射量q0可按下式计算：

式中，I为太阳常数，由实际观测确定I＝1367W/m²；P为大气透明系数，其值为0.7～0.8；θ为太阳正午时的天顶角；σ为与昼长有关的系数，当昼长为8～16小时，其值应为0.346～0.391；m与大气质量有关的系数，ε为储罐浮盘的黑度。

罐顶在正午12时所受到的太阳辐射量最大，主要是因为此时太阳高度角最大，等量太阳辐射经过的大气路程最短，受到大气削弱最少，到达地面的太阳辐射也就最多。罐壁在上午6时受到的辐射量最大，主要是因为此时太阳垂直照射在罐壁上，太阳辐射散布在罐壁上的面积最小，单位面积上受到的辐射量最大，因此，任一τ时刻单位面积罐顶、罐壁所受的太阳辐射量为：

式中：F′roof，F′wall分别为阳光垂直照射罐顶、罐壁平面上的投影面积，m²；Froof,Fwall分别为罐顶、罐壁的面积，m²；ω为圆频率，rad/h；τini为太阳日出的时刻，h。

大气温度的最高值出现在午后14时，因为一天内正午12时太阳辐射强度最大，过了12时太阳辐射将持续减弱，在13时左右，地面获得的太阳辐射的热量开始少于地面辐射失去的热量时，此时地面温度将达到一天内的最大值，地面将再通过辐射、对流等方式将热量传给大气，这还需要一个传热过程，因此要等到午后14时左右，气温才能达到最大值。大气温度的动态变化规律可近似以余弦函数表示。因此，任一τ时刻的大气温度为：

式中，为大气的昼夜平均温度，℃；Δten为大气的昼夜最大温差，℃。

步骤二：从所述大型原油浮顶储罐内取出原油，运用室内试验仪器进行测试，测试出所述大型原油浮顶储罐内不同温度下原油的密度、导热系数、黏度、比热容等相关物性的变化规律，并通过非线性回归的方法得到原油的变物性模型。

当含蜡原油温度改变时，其物理特性将变得较为复杂。实验室内运用石油密度测定仪、液体导热系数仪、差示扫描量热仪、数显旋转黏度计等相关实验仪器对原油不同温度下的物性参数进行测定。随着加热时间的增长，原油温度逐渐升高，密度和导热系数逐渐减小，呈线性的变化规律，比热容则呈现先升高后降低的趋势，而黏度的变化规律可近似以幂律方程的形式表现，当温度低于反常点后，原油呈现非牛顿流体的性质，黏度随着温度的升高会急剧下降，当加热到反常点以后，则呈现牛顿流体的性质，通过线性回归得到相关变物性模型如下所示：

原油密度：

ρoil＝ρ20[1-0.00062(toil-20)]

式中，ρoil为油品密度，kg·m^-3；ρ20为20℃时油品密度，kg·m^-3；toil为油品温度，℃；

原油导热系数：

式中，λoil为油品的导热系数，W/(m·℃)；

原油黏度：

μoil＝e^(-28.8+8904.4/(toil+273.15))

式中，μoil为油品动力黏度，Pa·s，e^为e的多少次方。

原油比热容：

式中，coil为油品比热容，J·(kg·℃)^-1；

步骤三：在得到储罐外部边界条件以及原油变物性模型的基础上，建立描述浮顶储罐内部原油传热与流动过程的数学模型，并采用有限单元法对该模型进行数值求解，可得到不同结构加热盘管下罐内原油温度场的分布情况；

在已知原油物性参数的基础上，通过建立相应的控制方程来描述原油的传热与流动过程，其中，质量守恒方程和动量方程来描述罐内原油自然对流过程，能量守恒方程来描述原油间传热方程。

质量守恒方程：

式中，x、y分别为储罐横、纵坐标，m；u、v分别为油品的横向、纵向速度，m/s；τ为加热时间，s。

动量守恒方程：

式中：P为油品流体静压力，Pa；g为油品重力加速度，m/s²；

能量守恒方程：

基于压力求解的模式采用有限单元法求解，求解区域内包括原油、大气、土壤等相关的物性参数，其中原油的密度、黏度、导热系数、比热容采用的是变物性参数，求解压力-速度耦合时采用的是计算非稳态传热过程的PISO算法，对流项采用改进的QUICK格式，可有效改进离散方程的截差。根据以上数值模拟方法求得在盘管加热面积以及热流量一定的情况下，不同结构盘管加热过程中罐内原油温度场的分布规律。

步骤四：根据罐内原油温度场的分布情况，建立大型原油浮顶储罐盘管加热效果评价指标，从时间和空间的角度对比分析不同结构盘管加热过程升温速率、温度场不均匀程度的变化规律，根据相关结果，可优选加热盘管结构。

升温速率：

式中，taver为加热一段时间后罐内油品的平均温度，℃；t0为罐内油品加热前的初始温度，℃；τaver为将罐内油品平均温度加热到taver时所需的时间，d；τ0为罐内油品加热前的初始时间，d。

罐内原油升温速率越快，代表着将油品加热到指定温度的时间就越短。随着时间的推移，罐内原油升温速率都会趋于恒定，但盘管结构不同，升温速率的变化也会有所不同。

将任一时刻内，储罐空间内各点温度的离散程度定义为温度场不均匀程度，反映的是罐内油品温度随空间分布的指标。

温度场不均匀程度：

式中，n为测点的数量，其中i＝1,2，......，n；ti为加热空间内测点i的温度，℃；

将储罐内各点的温度带入上式可得：

式中：tcen为储罐内油品中心的温度，℃；tf，tb分别为罐顶、罐底油品的温度，℃；twl，twr分别为储罐左、右两侧罐壁油品的温度，℃。

这种算法既反映出了组内各点间温度的离散程度，又考虑了空间分布的情况，其数值越小，罐内原油各点温度相较于整体平均温度的温差就越小，温度场的空间分布情况就越好。

为使本发明的上述内容能更明显易懂，进行了秘密实验，以大庆油田某储罐作为研究对象，对其盘管加热效果进行评价，作详细说明如下：

大庆油田某油库10万立方米浮顶储罐，罐底直径为80m，罐壁高21m，罐内油品液位高7m，外界大气温度为-22～30℃，油品在20℃时的密度860kg/m³，粘度为4.94Pa·s，导热系数为0.135W/(m·℃)，比热容为2986J·(kg·℃)^-1，罐壁保温材料厚度0.06m，导热系数0.035W/m·℃，罐内油品加热的起始温度为42℃，加热时间为10天，加热盘管直径为0.06m，释放热量为20000W/m²，目前工程上常用的加热盘管主要有竖排结构、立体结构以及蛇形结构三种，盘管结构不同对罐内油品的加热效果也有所差异，本发明将结合升温速率和温度场不均匀程度形成加热效果评价指标，对大型原油浮顶储罐加热盘管结构进行优选，具体方法步骤如下：

步骤一：以大型原油浮顶储罐为研究对象，通过建立考虑大气温度、太阳辐射等动态变化的传热模型，得到储罐外部的边界条件，包括浮顶储罐罐顶、罐壁吸收太阳辐射热量以及大气温度随时间的动态变化。

步骤二：运用室内试验仪器测试罐内不同温度下原油的密度、导热系数、黏度、比热容等相关物性的变化规律，并通过非线性回归的方法得到原油的变物性模型，如图2所示。

步骤三：在得到储罐外部边界条件以及原油变物性模型的基础上，建立描述浮顶储罐内部原油传热与流动过程的数学模型，并采用有限单元法对该模型进行数值求解，可得到不同结构加热盘管下储罐平均温度、中心温度、罐顶温度、罐壁温度以及罐底温度分布情况。

步骤四：在已知原油温度场的基础上，建立大型原油浮顶储罐盘管加热效果评价指标，从时间和空间的角度对比分析不同结构蒸气盘管加热过程升温速率、温度场不均匀程度的变化规律。

如图3、图4所示，随着加热时间的推移，罐内原油升温速率都会趋于恒定，其中，竖排结构盘管油品升温速率最慢，立体结构升温速率则会先变快后变慢，蛇形结构升温速率最快。受太阳辐射以及大气温度的影响，罐内原油温度场的不均匀程度均呈现出了波动式的变化规律，其中，竖排结构以及蛇形结构盘管加热过程温度场不均匀程度较小，立体结构盘管则相对较大。综合升温速率和温度场不均匀程度来看，蛇形盘管的加热效果最优，相关结果可为加热盘管设计提供指导性意见。