原油儲罐管式加熱工藝方案優化

王曉東（大慶油田有限責任公司儲運銷售分公司）

儲油罐儲存介質的黏度較高或者凝固點較低，為保證罐內的油品溫度始終保持在其凝點以上，同時讓介質保持良好的流動性，防止凝罐事故的發生，常常需要從儲罐內部對介質進行加溫[1]。原油儲罐管式加熱方式是對儲罐內介質進行加熱的常用方式，其優點是操作便捷，安裝簡單，使用安全可靠，但缺點是加溫效率不高，不可避免的出現熱損失和水擊現象[2]。開展原油儲罐管式加熱工藝優化，對于降低能耗，節約生產成本，實現長時間低溫儲油，具有十分重要的意義[3]。

1 管式加熱結構參數優化

對儲罐內管式加熱效果影響的因素主要為加熱管的管徑和加熱管在儲罐內的位置[4]。根據對儲罐管式加熱方式的研究，不同加熱管管徑、加熱管位置對管式加熱方式下原油儲罐的溫度場分布、加熱效率和散熱損失的影響不同。

1.1 不同加熱管管徑的比較

在供給相同熱流量的條件下對不同加熱管管徑下儲罐內原油的溫度場進行數值計算，所選取的管徑為儲罐管徑加熱方式下常用的加熱管管徑類型，包括76、108、159、219 mm四種管徑規格。以加熱過程中儲罐內原油溫度分布的不均勻程度和和加熱效率為評價指標（圖1、圖2），對不同加熱管管徑的計算結果進行對比分析，從而確定儲罐管式加熱方式的最優加熱管管徑。

圖1 溫度分布不均勻程度隨加熱時間變化

圖2 加熱效率隨加熱時間變化

根據不同加熱管管徑下，原油溫度場計算結果可知，隨加熱管管徑增大，儲罐內原油溫度場分布的不均勻程度發生變化，加熱達到穩定后，管徑為219 mm的模擬結果原油溫度場分布不均勻程度最大，管徑為159 mm時原油溫度場分布的不均勻程度最低，油溫分布的均勻性最好。以加熱效率作為評價指標時，對于不同加熱管管徑條件下，加熱管管徑為159 mm時，儲罐內原油的加熱效率最高，其次為219 mm的加熱管管徑，管徑為76 mm和108 mm時，儲罐內原油的加熱效率相差不大。

1.2 加熱管位置的比較

根據計算得到的不同加熱時刻，儲罐內的油溫分布不均勻程度，如圖3所示，不同加熱管布置方式下，儲罐內的油溫分布均勻性較好，但相對而言，當加熱管靠近罐壁布置時，儲罐內的原油溫度分布更加均勻，對罐內原油的加熱效果更好。另一個評價加熱效果的指標是儲罐內原油的平均升溫效率。該指標是根據儲罐內原油升溫所獲得的熱量與加熱管所提供的總熱量的比值得到，在一定程度上反映了加熱管對儲罐內原油的加熱效果和原油對加熱熱能的利用能力。根據原油加熱效率的計算結果可知，如圖4所示，不同加熱方式儲罐內原油的升溫效率基本上在20%～30%，即加熱管所提供的熱量有20%～30%用于對原油的升溫，其余則補充了原油對外部環境的散熱損失。相對而言，當加熱管靠近罐壁布置時，原油的升溫效率要高于另外兩種加熱方式，但隨溫度變化，加熱效率也存在一定的波動。考慮到靠近罐壁布置加熱管會增大罐壁的散熱損失，因此，布置加熱管的最佳位置為距離罐壁0.5～1 m。

圖3 油溫不均勻程度隨加熱時間變化

圖4 加熱效率隨加熱時間變化

2 管式加熱工藝參數優化

管式加熱方式的主要工藝參數為加熱管的溫度[5]。不同加熱溫度下，原油溫度場分布不同、散熱損失也不相同，對應的加熱效率同樣存在一定差別。為了確定儲罐管式加熱方式的最優加熱參數，對不同加熱溫度下，原油儲罐內原油的升溫速率、散熱損失和加熱效率進行了計算，從而確定優化的加熱參數。

圖5 平均原油溫度隨加熱時間變化

圖6 總散熱功率隨加熱時間變化

圖7 總加熱功率隨加熱時間變化

圖8 加熱效率隨加熱溫度變化

圖5～圖8為1×104m3浮頂儲油罐液位10 m時，在不同加熱溫度下的平均原油溫度變化、儲罐總散熱功率變化、總加熱功率和儲罐管式加熱過程的加熱效率隨加熱溫度的變化情況。由圖5～圖8可知，隨加熱溫度升高，儲罐內原油的升溫速率隨之增大。在相同加熱時間下，儲罐內的加熱溫度越高，罐內原油的平均溫度越高。但隨平均油溫升高，原油儲罐總散熱損失隨之增大。在管式加熱方式下，加熱器為所提供的熱量主要有兩方面的用途，一部分是用于對罐內原油的升溫，另一部分是以散熱損失的方式散失到周圍環境中。定義總加熱量中用于對儲罐內原油升溫的熱量與總加熱量之比為儲罐的加熱效率。則不同加熱溫度下，管式加熱的加熱效率不同。當加熱溫度從50℃增大到60℃時，加熱效率增加很快。因為，隨加熱溫度升高，原油所能獲得的熱量較高，并且油溫與環境的溫度差別不大，對外部環境的散熱損失增加不明顯。隨加熱溫度進一步升高，罐內升溫速度加快，導致原油向外部環境散熱損失大幅度增大。此時，雖然儲罐內加熱效率也在隨加熱溫度升高而增大，但其增加幅度逐漸減小。當加熱溫度達到100℃時，儲罐內的加熱效率達到最大值。此后，隨加熱溫度進一步升高，罐內加熱效率逐漸降低。升高加熱溫度時，儲罐內用于對原油升溫的加熱量也應逐漸增大，但由于散熱損失也逐漸增大，導致加熱效率增大的幅度有所降低。因此，認為當儲罐加熱效率的增大幅度逐漸趨于穩定時對應的加熱溫度為儲罐內的最優加熱溫度。因此，對于上述計算實例，儲罐內的最佳加熱溫度應為90℃。

按照同樣的方法計算得到不同容量儲罐在不同液位下的最佳加熱溫度見表1。

表1 儲罐最優加熱溫度

3 結論

利用得出的優化結果，在大慶油田某油庫進行了應用，對不同儲罐，不同液位下的維溫溫度進行了優化調整，有效降低了儲油罐維溫能耗，見到良好的節能效果，年節約運行成本800多萬元。