低溫投產過程中罐內原油溫度變化規律研究

魏立新，劉鳳榮，李 哲，楊 凱，周 剛，王佳楠，單莉娜

（東北石油大學 石油工程學院，黑龍江 大慶 163318）

低溫投產過程中罐內原油溫度變化規律研究

魏立新，劉鳳榮，李 哲，楊 凱，周 剛，王佳楠，單莉娜

（東北石油大學 石油工程學院，黑龍江 大慶 163318）

建立了 5×104m3浮頂油罐低溫投產過程的數值計算模型，利用 Fluent計算流體動力學軟件，對不同工況下原油的流動及傳熱過程進行數值模擬。計算得到不同工況下罐內原油的溫度變化規律，為制定浮頂油罐低溫投產運行方案提供理論依據。

浮頂油罐；低溫投產；溫度分布；油層

浮頂罐是國家原油儲備的重要方式之一，國內外對儲油罐內油品溫度分布規律的研究多以實驗研究為主，部分采用數值計算的方法或實驗測定與理論相結合的方式[1-8]。采用實驗及理論方法只能得到儲油罐內部分位置的溫度，無法精確得到任意位置油品的溫度。國內外采用數值計算方法大多研究的是靜態原油儲罐的溫度場分布規律。

低溫環境下儲罐在投產過程中，若投產方案不合理，將造成局部區域原油溫度過低而發生凝固，難以保證儲罐的安全投產。因此，探討儲罐內原油在低溫投產過程中的溫度分布規律具有重要的理論指導意義。目前，國內浮頂罐在低溫環境下的投產方案主要憑經驗制定，缺乏深入的理論研究，國內外未見相關的文獻報道。而儲罐投產和管道的投產過程都是油品對外界環境的非穩態傳熱過程，具有一定的相似性。對于輸油管道的投產問題，國內進行了一定的研究[9,10]。本文借鑒長輸管道安全投產技術的研究成果，以大慶地區 5×104m3浮頂罐為研究對象，對冬季低溫投產過程中罐內原油流動及傳熱特性進行研究。

1 數值計算模型

1.1 物理模型

低溫投產過程是在低溫環境下，當浮頂油罐的浮船位于最低處時，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，做如下處理和假設對數值計算模型進行簡化：

（1）建模時忽略罐底鋼板，只保留混凝土環墻、瀝青層、沙土及回填土等基礎構造，對于罐底土壤，將其簡化為有限區域的均質構造；

（2）忽略浮頂的鋼板及局部加強附件，將罐頂簡化為一個等厚度的空氣腔；

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

（4）忽略原油內部物理化學因素而產生的內熱源，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，以及參考現場實測數據，油罐內原油橫向溫差不大，橫向溫度溫度分布比較均勻，所以分析數據時，選取過進油口的軸向剖面為研究對象。

基于上述假設和處理建立了儲罐低溫投產過程

圖1 數值計算物理模型Fig.1physical model of numerical calculation

1.2 數學模型

（1）連續性方程

式中：mv —混合物的質量平均速度，m/s；

k

A —第k相的體積分數；

m

ρ —混合物密度，kg/m3。

（2）動量方程

k=1

式中：F—體積力，N；

n—相數。

（3）能量方程

式中： kt—有效熱傳導率；

kt—湍流導熱系數，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

在低溫投產模擬中，設置土壤環形邊界條件為絕熱，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）。

投產開始前各變量的空間分布為：

①罐內不同位置處的氣體溫度相同，為一常數；

②原油流速為0；

③罐內空氣及周圍介質已形成穩定的溫度場。

1.4 數值求解算法

基于有限體積法，根據該問題的非穩態特點，對壓力速度耦合采用pISO 算法；對于空間離散化，擴散項采用具有二階計算精度的中心差分格式，對流項采用 QUICK 格式；對于時間項的離散采用一階隱式格式，采用多重網格方法進行求解。采用Gambit軟件對數值計算模型進行網格劃分，如圖 2所示。

圖2 數值計算網格Fig.2 Numerical grid

1.5 模型驗證

某油庫一座 5 萬 m3儲罐在冬季進行投產，投產前儲罐內已安裝多點測溫系統。選取測溫系統中進油口徑向最遠、最近兩根測溫桿測得的數據與數值模擬結果進行對比分析，具體結果如表1所示。由表可知，數值計算結果與測試結果有相同的變化趨勢，各測試值的相對誤差在 5%以內，從而驗證了所建立數值計算模型的正確性。

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

2 結果分析

定義 18組計算實例，涵蓋不同環境溫度、投產溫度及投產速度的計算工況，根據大慶地區實際氣象數據，選取冬季極端溫度為-35 ℃、平均溫度為-16 ℃。根據儲罐工藝要求，選取投產溫度為38、42、46 ℃及投產速度為 0.2、0.6、1.0 m/s。將這些因素隨機組合成 18組工況，通過數值模擬可以最佳表現罐內原油溫度變化的一般規律及主要的傳熱特性。2.1 典型工況分析

以冬季極端環境溫度-35 ℃，投產溫度 42 ℃，注油速度 0.6 m/s 為典型工況，選取經過進油管中心的軸向剖面，描述儲罐內及其周圍固體介質溫度變化，投產開始時罐底覆滿原油時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展示了儲罐投產開始時的局部溫度變化，熱油流入罐內與其上方的空氣和下方的瀝青層進行了熱量交換，加熱了與之毗鄰的空氣和瀝青層。距離進油口較近的地方，瀝青層上部的溫度有一定的升高，距離進油口 2 m 處的地方，由于熱油剛剛流經此處，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。在整個過程中，隨著進油量的不斷增加，浮船下底板與罐底間的區域受到熱油的影響區域逐漸增大，但尚未對整個區域產生影響，因此溫度接近初始溫度。

2.2 不同工況分析

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

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

環境溫度為-16 ℃，投產溫度 42 ℃，最大投產時間時，罐內各油層溫度分布隨投產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

環境溫度為-35 ℃，投產溫度為 38 ℃時，投產速度為 0.2 m/s 時，罐內油層的溫度變化曲線如圖6所示。

圖6 罐內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，隨著投產時間的增加，薄油層溫降規律大致相同，開始溫度下降較快，當進油達到一定時間后趨于穩定且投產溫度越高，穩定后的溫度也越高。圖5中，隨著投產速度的增加，各油層的溫度也越高，且投產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，溫度越接近投產溫度。圖6中，在投產初始時，越靠近罐底的油層溫度下降的越快，隨著投產的進行，各油層溫降變化相對緩慢，最后趨于穩定。

3 結 論

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

（2）投產溫度一定時，隨著投產速度的升高，投產過程各油層達到穩定后的溫度越高；

（3）投產速度一定時，隨著投產溫度的升高，投產過程各油層達到穩定后的溫度越高；

（4）投產溫度越低，注入儲罐內的原油溫度越低，給投產安全性帶來挑戰，可通過提高投產速度進行一定的彌補。

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［3］王明吉，張勇，曹文．原油儲罐縱向溫度分布規律[J]．大慶石油學院學報，2004，05：74-75+108．

［4］王明吉，張勇，曹文．立式浮頂原油儲罐溫降規律[J]．油田地面工程，2005,24(12)：11～12．

［5］張麗娜，陳寶東．油罐溫度場的數值求解[J]．管道技術與設備2003，4：1-2．

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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

國家自然科學基金面上項目，基金號：51674086。

2016-08-31

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

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