魏立新，劉鳳榮，李 哲，楊 凱，周 剛，王佳楠，單莉娜

（東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

低溫投產(chǎn)過程中罐內(nèi)原油溫度變化規(guī)律研究

魏立新，劉鳳榮，李 哲，楊 凱，周 剛，王佳楠，單莉娜

（東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

建立了 5×104m3浮頂油罐低溫投產(chǎn)過程的數(shù)值計(jì)算模型，利用 Fluent計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件，對(duì)不同工況下原油的流動(dòng)及傳熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算得到不同工況下罐內(nèi)原油的溫度變化規(guī)律，為制定浮頂油罐低溫投產(chǎn)運(yùn)行方案提供理論依據(jù)。

浮頂油罐；低溫投產(chǎn)；溫度分布；油層

浮頂罐是國家原油儲(chǔ)備的重要方式之一，國內(nèi)外對(duì)儲(chǔ)油罐內(nèi)油品溫度分布規(guī)律的研究多以實(shí)驗(yàn)研究為主，部分采用數(shù)值計(jì)算的方法或?qū)嶒?yàn)測(cè)定與理論相結(jié)合的方式[1-8]。采用實(shí)驗(yàn)及理論方法只能得到儲(chǔ)油罐內(nèi)部分位置的溫度，無法精確得到任意位置油品的溫度。國內(nèi)外采用數(shù)值計(jì)算方法大多研究的是靜態(tài)原油儲(chǔ)罐的溫度場(chǎng)分布規(guī)律。

低溫環(huán)境下儲(chǔ)罐在投產(chǎn)過程中，若投產(chǎn)方案不合理，將造成局部區(qū)域原油溫度過低而發(fā)生凝固，難以保證儲(chǔ)罐的安全投產(chǎn)。因此，探討儲(chǔ)罐內(nèi)原油在低溫投產(chǎn)過程中的溫度分布規(guī)律具有重要的理論指導(dǎo)意義。目前，國內(nèi)浮頂罐在低溫環(huán)境下的投產(chǎn)方案主要憑經(jīng)驗(yàn)制定，缺乏深入的理論研究，國內(nèi)外未見相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道。而儲(chǔ)罐投產(chǎn)和管道的投產(chǎn)過程都是油品對(duì)外界環(huán)境的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，具有一定的相似性。對(duì)于輸油管道的投產(chǎn)問題，國內(nèi)進(jìn)行了一定的研究[9,10]。本文借鑒長輸管道安全投產(chǎn)技術(shù)的研究成果，以大慶地區(qū) 5×104m3浮頂罐為研究對(duì)象，對(duì)冬季低溫投產(chǎn)過程中罐內(nèi)原油流動(dòng)及傳熱特性進(jìn)行研究。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 物理模型

低溫投產(chǎn)過程是在低溫環(huán)境下，當(dāng)浮頂油罐的浮船位于最低處時(shí)，向浮船下底板和罐底板之間的空間注油的過程。為了研究問題方便，做如下處理和假設(shè)對(duì)數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行簡化：

（1）建模時(shí)忽略罐底鋼板，只保留混凝土環(huán)墻、瀝青層、沙土及回填土等基礎(chǔ)構(gòu)造，對(duì)于罐底土壤，將其簡化為有限區(qū)域的均質(zhì)構(gòu)造；

（2）忽略浮頂?shù)匿摪寮熬植考訌?qiáng)附件，將罐頂簡化為一個(gè)等厚度的空氣腔；

（3）相對(duì)于罐內(nèi)原油的其他換熱方式，輻射換熱影響相對(duì)較小，不考慮太陽與油罐間的輻射換熱；

（4）忽略原油內(nèi)部物理化學(xué)因素而產(chǎn)生的內(nèi)熱源，忽略油罐邊緣以及底部原油和石蠟的凝固潛熱；

（5）由于罐壁存在保溫層，以及參考現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，油罐內(nèi)原油橫向溫差不大，橫向溫度溫度分布比較均勻，所以分析數(shù)據(jù)時(shí)，選取過進(jìn)油口的軸向剖面為研究對(duì)象。

基于上述假設(shè)和處理建立了儲(chǔ)罐低溫投產(chǎn)過程

圖1 數(shù)值計(jì)算物理模型Fig.1physical model of numerical calculation

1.2 數(shù)學(xué)模型

（1）連續(xù)性方程

式中：mv —混合物的質(zhì)量平均速度，m/s；

k

A —第k相的體積分?jǐn)?shù)；

m

ρ —混合物密度，kg/m3。

（2）動(dòng)量方程

k=1

式中：F—體積力，N；

n—相數(shù)。

（3）能量方程

式中： kt—有效熱傳導(dǎo)率；

kt—湍流導(dǎo)熱系數(shù)，由湍流模型確定；

Ek—所有體積熱源；

hk—第k相的焓。

1.3 邊界條件及初始條件

（1）邊界條件

在低溫投產(chǎn)模擬中，設(shè)置土壤環(huán)形邊界條件為絕熱，土壤深度為 10 m 處為恒溫邊界，入口邊界為 velocity-inlet，出口邊界為pressure-outlet，罐壁、罐頂為固壁邊界（wall）。

投產(chǎn)開始前各變量的空間分布為：

①罐內(nèi)不同位置處的氣體溫度相同，為一常數(shù)；

②原油流速為0；

③罐內(nèi)空氣及周圍介質(zhì)已形成穩(wěn)定的溫度場(chǎng)。

1.4 數(shù)值求解算法

基于有限體積法，根據(jù)該問題的非穩(wěn)態(tài)特點(diǎn)，對(duì)壓力速度耦合采用pISO 算法；對(duì)于空間離散化，擴(kuò)散項(xiàng)采用具有二階計(jì)算精度的中心差分格式，對(duì)流項(xiàng)采用 QUICK 格式；對(duì)于時(shí)間項(xiàng)的離散采用一階隱式格式，采用多重網(wǎng)格方法進(jìn)行求解。采用Gambit軟件對(duì)數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖 2所示。

圖2 數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格Fig.2 Numerical grid

1.5 模型驗(yàn)證

某油庫一座 5 萬 m3儲(chǔ)罐在冬季進(jìn)行投產(chǎn)，投產(chǎn)前儲(chǔ)罐內(nèi)已安裝多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)。選取測(cè)溫系統(tǒng)中進(jìn)油口徑向最遠(yuǎn)、最近兩根測(cè)溫桿測(cè)得的數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，具體結(jié)果如表1所示。由表可知，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果有相同的變化趨勢(shì)，各測(cè)試值的相對(duì)誤差在 5%以內(nèi)，從而驗(yàn)證了所建立數(shù)值計(jì)算模型的正確性。

表1 誤差分析表Table 1Table of error analysis

2 結(jié)果分析

定義 18組計(jì)算實(shí)例，涵蓋不同環(huán)境溫度、投產(chǎn)溫度及投產(chǎn)速度的計(jì)算工況，根據(jù)大慶地區(qū)實(shí)際氣象數(shù)據(jù)，選取冬季極端溫度為-35 ℃、平均溫度為-16 ℃。根據(jù)儲(chǔ)罐工藝要求，選取投產(chǎn)溫度為38、42、46 ℃及投產(chǎn)速度為 0.2、0.6、1.0 m/s。將這些因素隨機(jī)組合成 18組工況，通過數(shù)值模擬可以最佳表現(xiàn)罐內(nèi)原油溫度變化的一般規(guī)律及主要的傳熱特性。2.1 典型工況分析

以冬季極端環(huán)境溫度-35 ℃，投產(chǎn)溫度 42 ℃，注油速度 0.6 m/s 為典型工況，選取經(jīng)過進(jìn)油管中心的軸向剖面，描述儲(chǔ)罐內(nèi)及其周圍固體介質(zhì)溫度變化，投產(chǎn)開始時(shí)罐底覆滿原油時(shí)入口附近溫度云圖如圖3所示。

圖3 入口附近溫度云圖Fig.3 Temperature contour near the inlet

圖3展示了儲(chǔ)罐投產(chǎn)開始時(shí)的局部溫度變化，熱油流入罐內(nèi)與其上方的空氣和下方的瀝青層進(jìn)行了熱量交換，加熱了與之毗鄰的空氣和瀝青層。距離進(jìn)油口較近的地方，瀝青層上部的溫度有一定的升高，距離進(jìn)油口 2 m 處的地方，由于熱油剛剛流經(jīng)此處，換熱過程尚未完成，瀝青層幾乎沒有受到熱油的溫度影響，溫度變化存在滯后。在整個(gè)過程中，隨著進(jìn)油量的不斷增加，浮船下底板與罐底間的區(qū)域受到熱油的影響區(qū)域逐漸增大，但尚未對(duì)整個(gè)區(qū)域產(chǎn)生影響，因此溫度接近初始溫度。

2.2 不同工況分析

環(huán)境溫度為-35 ℃，投產(chǎn)速度為 1m/s 時(shí)，罐底 10 mm 厚度的油層在不同投產(chǎn)溫度下的溫度變化曲線如圖4所示。

圖4 不同投產(chǎn)溫度下的溫度變化曲線Fig.4 Temperature change curve under differentproduction temperature

環(huán)境溫度為-16 ℃，投產(chǎn)溫度 42 ℃，最大投產(chǎn)時(shí)間時(shí)，罐內(nèi)各油層溫度分布隨投產(chǎn)速度的變化曲線如圖5所示。

圖5 各油層溫度分布曲線Fig.5 Temperature distribution curve of oil layer

環(huán)境溫度為-35 ℃，投產(chǎn)溫度為 38 ℃時(shí)，投產(chǎn)速度為 0.2 m/s 時(shí)，罐內(nèi)油層的溫度變化曲線如圖6所示。

圖6 罐內(nèi)油層的溫度變化曲線Fig.6 Temperature change curve of oil layer in the tank

由圖4可知，隨著投產(chǎn)時(shí)間的增加，薄油層溫降規(guī)律大致相同，開始溫度下降較快，當(dāng)進(jìn)油達(dá)到一定時(shí)間后趨于穩(wěn)定且投產(chǎn)溫度越高，穩(wěn)定后的溫度也越高。圖5中，隨著投產(chǎn)速度的增加，各油層的溫度也越高，且投產(chǎn)速度越大各油層的溫度上升的越快，越靠近浮船底板的油層，溫度越接近投產(chǎn)溫度。圖6中，在投產(chǎn)初始時(shí)，越靠近罐底的油層溫度下降的越快，隨著投產(chǎn)的進(jìn)行，各油層溫降變化相對(duì)緩慢，最后趨于穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

（1）在相同儲(chǔ)罐容量下，投產(chǎn)溫度一定時(shí)，注油速度越高，原油散熱損失越小，注油的安全性越高；

（2）投產(chǎn)溫度一定時(shí)，隨著投產(chǎn)速度的升高，投產(chǎn)過程各油層達(dá)到穩(wěn)定后的溫度越高；

（3）投產(chǎn)速度一定時(shí)，隨著投產(chǎn)溫度的升高，投產(chǎn)過程各油層達(dá)到穩(wěn)定后的溫度越高；

（4）投產(chǎn)溫度越低，注入儲(chǔ)罐內(nèi)的原油溫度越低，給投產(chǎn)安全性帶來挑戰(zhàn)，可通過提高投產(chǎn)速度進(jìn)行一定的彌補(bǔ)。

［1］于達(dá)，方徐應(yīng)，李東風(fēng). 大型浮頂罐儲(chǔ)油溫降特點(diǎn)[J]．油氣儲(chǔ)運(yùn)，2003，22(9)：47-49．

［2］于 達(dá) . 大 型 浮 頂 油 罐 測(cè) 溫 系 統(tǒng) 的 研 發(fā) [J]． 油 氣 儲(chǔ) 運(yùn) ， 2005, 08:41-43+60-64.

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Study on Temperature Changing Law of Crude Oil in the Oil Storage Tank During Low Temperature Operationprocess

WEI Li-xin, LIU Feng-rong, LI Zhe, YANG Kai, ZHOU Gang, WANG Jia-nan, SHAN Li-na
（College ofpetroleum Engineering, Northeastpetroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China）

The numerical calculation model of low temperature operationprocess of 5×104m3floating roof oil tank was established, and the flow and heat transferprocess of crude oil under different conditions were simulated by using Fluent computational fluid dynamics software. The temperature changing law of crude oil under different conditions was obtained, which couldprovide the theoretical basis for establishment of low temperature operation scheme of floating roof oil tank.

Floating roof oil tank; Low temperature operation; Temperature distribution; Oil layer

TE 821

： A

： 1671-0460（2017）02-0330-03

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目，基金號(hào)：51674086。

2016-08-31

魏立新（1973-），男，河北保定人，教授，博士，2005 年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院油氣田開發(fā)工程專業(yè)，研究方向：從事油田地面工程優(yōu)化與節(jié)能降耗技術(shù)研究工作。E-mail：wlxfyx@sina.com。

劉鳳榮（1989-），女，在讀碩士研究生，現(xiàn)主要從事大型浮頂罐原油溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬研究。E-mail：lfr511@sina.com。