水下儲(chǔ)油艙保溫性能及溫度傳感器安裝位置研究

薛德棟，李艷，徐興平，張辛

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東青島 266580；2.河北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，天津 300401）①

水下儲(chǔ)油艙位于水面以下，與雷電等具有天然的阻隔，具有防爆性能，在海況惡劣時(shí)也可以保證油井的連續(xù)生產(chǎn)［1］；避開(kāi)了波浪的主要作用，受到的波浪力小，安全性能比較高。在我國(guó)已探明的石油地質(zhì)儲(chǔ)量中，未開(kāi)發(fā)的57%均屬于邊際油田，主要集中在我國(guó)渤海海域［2］。由于邊際油田產(chǎn)液量較少，在自升式平臺(tái)底部設(shè)置1個(gè)可以隨平臺(tái)遷移的儲(chǔ)油艙（如圖1所示）用于存儲(chǔ)一定量的原油，定期用駁船將采出的原油輸往陸上油庫(kù)。

圖1 自升式平臺(tái)及儲(chǔ)油艙

海底儲(chǔ)油艙內(nèi)部溫度的監(jiān)測(cè)是判斷儲(chǔ)油艙內(nèi)原油是否處于正常狀態(tài)的一種重要手段。當(dāng)原油溫度過(guò)低時(shí)，原油會(huì)在罐體內(nèi)發(fā)生凝固，增加了卸油的難度，甚至可能會(huì)導(dǎo)致事故。在復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)條件下，由于風(fēng)浪的影響，儲(chǔ)油艙要保證能夠存儲(chǔ)原油的周期為7d。由于儲(chǔ)油艙體積巨大，與海水接觸面積大，在靜置條件下艙內(nèi)原油溫度分布不均勻，所以在工程中對(duì)艙內(nèi)溫度實(shí)時(shí)檢測(cè)時(shí)需要對(duì)溫度傳感器的安裝位置進(jìn)行研究。本文基于FLUENT 軟件對(duì)儲(chǔ)油艙的溫度分布進(jìn)行模擬，為傳感器安裝位置的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)。

1 水下儲(chǔ)油艙保溫性能

1.1 儲(chǔ)油艙內(nèi)原油散熱原理

水下儲(chǔ)油艙在海底，原油與海水的傳熱是通過(guò)熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流2種方式組合進(jìn)行的。包括儲(chǔ)油艙原油與艙壁之間、內(nèi)壁與保溫層之間、外壁與保溫層之間的熱對(duì)流及原油內(nèi)部、保溫層內(nèi)部之間的熱傳導(dǎo)等過(guò)程。

傅立葉通過(guò)對(duì)分析勻質(zhì)、各向同性物體中發(fā)生穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱現(xiàn)象，得出單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)截面積的熱量計(jì)算公式為

式中：Qλ為穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱熱流量，W；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m·K）；A1為導(dǎo)熱面積，m2；T為溫度，K；n為通過(guò)該點(diǎn)的等溫線上的法向單位矢量，指溫度升高的方向。

式（1）表明：當(dāng)物質(zhì)進(jìn)行純導(dǎo)熱時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于熱流方向上的單位面積的熱流量與溫度梯度成正比。對(duì)于同一材料，導(dǎo)熱系數(shù)主要受溫度影響。

原油與儲(chǔ)油艙內(nèi)壁間，保溫層外壁與海水環(huán)境的熱傳遞過(guò)程是對(duì)流換熱，其熱傳遞的量值與對(duì)流面積、對(duì)流換熱系數(shù)、溫度差等物理量相關(guān)，即

式中：Qa為單位時(shí)間內(nèi)對(duì)流換熱量，W；a為相應(yīng)的對(duì)流換熱系數(shù)，W／（m2·K）；A2為對(duì)流換熱面積，m2；Tf1、T1分別為儲(chǔ)油艙外壁和海水的溫度，K。

1.2 物理模型建立

由于儲(chǔ)油艙模型比較復(fù)雜，傳熱過(guò)程包含多項(xiàng)復(fù)雜的熱傳遞過(guò)程，所以在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)模型進(jìn)行4方面簡(jiǎn)化：

1）將儲(chǔ)油艙室進(jìn)行簡(jiǎn)化，只對(duì)儲(chǔ)油艙內(nèi)部的一個(gè)艙室進(jìn)行溫度的優(yōu)化計(jì)算。儲(chǔ)油艙尺寸為20.1m×12.8m×6.5m。保溫層外部尺寸為22.5 m×15.2mm×8.5mm（上部保溫層厚度為0.8m，底部保溫層厚度為1.2m）。如圖2。

2）外界海水體積巨大，海水可以自然流動(dòng)。所以可以忽略由于熱傳遞導(dǎo)致的海水溫度升高，將艙外溫度視為恒定，其值為277K。

3）采出原油注入艙室初始溫度為333K，視為恒定值。

4）保溫材料選取吸水性小、具有優(yōu)良抗水性的聚苯乙烯泡沫，密度為50kg／m3，熱導(dǎo)率為0.035 W／（m·K），定壓比熱為800J／（kg·K）。

圖2 儲(chǔ)油艙網(wǎng)格模型

1.3 儲(chǔ)油艙內(nèi)原油溫度云圖

儲(chǔ)油艙計(jì)算模型為三維，為便于觀察，建立新的觀察面對(duì)原油艙內(nèi)部溫度進(jìn)行觀察。由于原油艙鋼質(zhì)壁的導(dǎo)熱性較好，所以在原油艙表面溫度分布是近似相同的，原油艙內(nèi)部的溫度分布發(fā)生了一定的變化，如圖3～4所示。

由圖3～4知：在儲(chǔ)油艙散熱的過(guò)程中，由于艙室上部保溫層厚度較小，其溫度降較大，上表面溫度略低于其他表面溫度。經(jīng)過(guò)1個(gè)存儲(chǔ)周期（7d）后，儲(chǔ)油艙外表面的平均溫度為317.48K。原油在此溫度下不會(huì)發(fā)生凝結(jié)。原油艙保溫層的設(shè)計(jì)是合理的，保溫材料的選擇是能夠滿足工程實(shí)際需要的。

圖3 保溫168h溫度分布云圖

圖4 保溫168h截面溫度分布云圖

2 溫度傳感器安裝位置

溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能是通過(guò)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用的傳感器越多，儲(chǔ)油艙內(nèi)溫度特性的描述就越準(zhǔn)確。合理的傳感器布置是保證溫度監(jiān)測(cè)的前提，無(wú)規(guī)劃的傳感器布置會(huì)增加監(jiān)測(cè)成本，降低診斷效率。在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中利用所布設(shè)的有限個(gè)溫度傳感器與設(shè)備，獲取盡可能多的監(jiān)測(cè)信息，并使實(shí)測(cè)值對(duì)儲(chǔ)油艙溫度變化敏感性具有良好的魯棒性，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)油艙溫度改變信息的最優(yōu)采集［3－4］。傳感器的優(yōu)化布置需要根據(jù)儲(chǔ)油艙內(nèi)部的特點(diǎn)及測(cè)量條件進(jìn)行。

2.1 傳感器選擇及測(cè)點(diǎn)分布

如果先用傳統(tǒng)的貼片式溫度傳感器，由于原油黏度較大，長(zhǎng)時(shí)間的存放會(huì)使原油粘在艙壁內(nèi)側(cè)和傳感器表面，造成傳感器采集溫度較為困難，溫度測(cè)量不準(zhǔn)確。所以在傳感器選型中采用探針式溫度變送器，探針可以深入儲(chǔ)油艙內(nèi)部，較為準(zhǔn)確地測(cè)量其內(nèi)部溫度。傳感器多點(diǎn)布置如圖5。

圖5 儲(chǔ)油艙內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

在選型時(shí)考慮采用防爆型螺紋式一體化溫度傳感器。要求溫度采集點(diǎn)距離容器邊界距離不小于10cm。在試驗(yàn)中選取距離為15cm。在傳感器的布置過(guò)程中，采用多點(diǎn)布置，檢測(cè)多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度。通過(guò)研究傳感器布置點(diǎn)的溫度的變化對(duì)艙內(nèi)溫度進(jìn)行研究。縱向每3個(gè)傳感器為1組，構(gòu)成1個(gè)采集通道，將3個(gè)通道的平均溫度作為儲(chǔ)油艙采集點(diǎn)的溫度。由于儲(chǔ)油艙是左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以只對(duì)一側(cè)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)值如表1所示。

表1 儲(chǔ)油艙內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)

2.2 儲(chǔ)油艙內(nèi)溫度變化趨勢(shì)

經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到儲(chǔ)油艙經(jīng)過(guò)168h保溫后監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化曲線，如圖6～8。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)1～4溫度變化曲線

通過(guò)對(duì)觀測(cè)點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)進(jìn)行觀察，所有觀測(cè)點(diǎn)的溫度都在隨著時(shí)間的變化而變低。溫度變化速率隨時(shí)間的變化在減小。符合傅里葉的熱流量Q值與垂直于該截面的溫度梯度成正比的傳熱理論。在最下部一層觀測(cè)點(diǎn)中，測(cè)點(diǎn)2～3的溫度下降較慢，在此處保溫層厚度較大，溫度變化速率較低，儲(chǔ)油艙在此處保溫性能較好。

在儲(chǔ)油艙頂部的觀測(cè)點(diǎn)中，對(duì)比測(cè)點(diǎn)9和測(cè)點(diǎn)12，發(fā)現(xiàn)這2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化的趨勢(shì)是相同的。測(cè)點(diǎn)12的溫度高于測(cè)點(diǎn)9的溫度。測(cè)點(diǎn)10～11在初始溫度降較慢，隨著時(shí)間的變化，溫度逐漸接近儲(chǔ)油艙內(nèi)的整體溫度。通過(guò)圖6與圖7的對(duì)比知，在布置傳感器時(shí)要考慮由于邊界保溫厚度不同引起的同一層溫度的不均勻性。

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)9～12溫度變化曲線

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、5、9的溫度變化曲線

測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)9分別處于模型的底部和上部，測(cè)點(diǎn)5處于模型的中間部位。由圖8知：儲(chǔ)油艙上部和下部溫度變化趨勢(shì)近似相同，下部保溫層厚度較厚，溫度稍高于上部的溫度，中間層溫度較高。所以在傳感器的布置方面要考慮到由于上下傳熱引起的溫度不均勻問(wèn)題。

2.3 儲(chǔ)油艙內(nèi)溫度傳感器的優(yōu)化布置

在保證建模精度的前提下，減少溫度測(cè)點(diǎn)，簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)，提高模型實(shí)用化水平是布點(diǎn)技術(shù)要解決的問(wèn)題。在距離上邊界和下邊界相同距離的平面內(nèi)，溫度分布近似相同，趨勢(shì)近似相同，所以對(duì)傳感器的布置進(jìn)行適當(dāng)?shù)木?jiǎn)。取消對(duì)下部，即測(cè)點(diǎn)1～4的溫度監(jiān)控。測(cè)點(diǎn)9與測(cè)點(diǎn)12的溫度變化趨勢(shì)基本相同，所以在布置時(shí)可以考慮對(duì)測(cè)點(diǎn)12進(jìn)行精簡(jiǎn)。

經(jīng)過(guò)對(duì)溫度分布情況及溫度降趨勢(shì)的研究，在保證采集樣本精確性的前提下以精簡(jiǎn)的原則對(duì)傳感器的布置進(jìn)行優(yōu)化。在模型中傳感器的布點(diǎn)位置應(yīng)該為測(cè)點(diǎn)5～7和測(cè)點(diǎn)9～11。

3 結(jié)論

1）水下儲(chǔ)油艙在海上邊際油田開(kāi)發(fā)中具有重要作用。但是，原油因溫度下降而容易凝結(jié)，給卸油作業(yè)帶來(lái)安全隱患，需要進(jìn)行保溫和艙內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)。

2）保溫層底部與側(cè)面的厚度均為1.2m，頂部保溫厚度為0.8 m。保溫材料選用聚苯乙烯泡沫。通過(guò)FLUENT 軟件模擬，在1個(gè)保溫周期內(nèi)（7d），保溫層厚度的設(shè)計(jì)與保溫材料的選取是合適的，能夠滿足原油儲(chǔ)存的溫度要求。

3）通過(guò)對(duì)儲(chǔ)油艙內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度的監(jiān)測(cè)，儲(chǔ)油艙上部溫度降大于下部溫度降。溫度下降的速率隨時(shí)間變化不斷減小。

4）優(yōu)化了傳感器的安裝位置，在保證檢測(cè)靈敏度的前提下盡量減少監(jiān)測(cè)點(diǎn)及傳感器數(shù)量，并使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確地反應(yīng)艙內(nèi)溫度變化。

5）通過(guò)對(duì)儲(chǔ)油艙內(nèi)部溫度監(jiān)控，優(yōu)化了溫度傳感器的布置，對(duì)今后研究?jī)?chǔ)油艙內(nèi)部流場(chǎng)分布，研究?jī)?chǔ)油艙內(nèi)部流場(chǎng)的變化提供了一種思路。

［1］伍建林，李著信，王鵬飛.可移動(dòng)式水下儲(chǔ)供油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2005，34（4）：32－34.

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