儲油罐管式加熱效果對比分析

丁原（大慶油田有限責(zé)任公司儲運銷售分公司）

引言

油品儲運過程中，對儲油罐內(nèi)的油品加溫[1]，使罐內(nèi)油品通過與熱媒體（一般以飽和蒸汽為熱媒體）的交換，實現(xiàn)對油品的升溫，降低黏度，改善其流動性，以便于泵的輸送[2]。常用的加熱方式主要包括管式加熱方式和熱油噴灑加熱方式[3]。管式加熱方式是將水蒸氣或熱水通過儲油罐中的管式加熱器，使之升溫并加熱油品，蒸汽或熱水不直接接觸油品[4]。熱油噴灑加熱方式是將冷油經(jīng)換熱器加熱后，輸送到儲油罐，通過布置在距罐底一定距離、環(huán)繞儲罐一周的加熱管上的若干個噴嘴，對罐內(nèi)的冷油進(jìn)行混合，以此來提高儲油罐油品的溫度[5]。

為了對管式加熱方式下不同加熱管位置的原油儲罐傳熱特性與加熱效果進(jìn)行分析，定義了加熱管直徑為159 mm，加熱功率為143 112 W，涵蓋靠近管壁、遠(yuǎn)離管壁、居中等三種不同加熱管位置的3組計算工況。為了對不同加熱管位置對原油的加熱效率進(jìn)行對比，定義不同工況下管式加熱具有相同的加熱功率，即在數(shù)值計算中采用恒熱流的方式定義加熱管的邊界條件。

1 不同加熱管位置的數(shù)值模擬

從圖1～圖3可以看出，在相同加熱功率下，當(dāng)加熱管位于儲罐內(nèi)不同位置時，儲罐內(nèi)的油溫分布有所不同。采用3種不同加熱管布置方案，儲罐內(nèi)都存在一定的低溫區(qū)域，但相對而言，當(dāng)加熱管距離罐壁較近時，儲罐內(nèi)的低溫區(qū)域范圍更小，油溫分布更加均勻。當(dāng)加熱管位置遠(yuǎn)離罐壁，或者加熱管布置的較為分散時，加熱后在儲罐底部都存在較大范圍的低溫區(qū)域。

圖1 加熱管靠近管壁位置時的原油溫度場變化

從傳熱機(jī)理上來說，3種加熱方案都是通過自然對流方式對儲罐內(nèi)的原油進(jìn)行加熱升溫，儲罐內(nèi)自然對流的強(qiáng)度、自然對流形成流場的覆蓋范圍決定了3種加熱方案的加熱效果[6]。

圖2 加熱管遠(yuǎn)離管壁位置時的原油溫度場變化

圖3 加熱管居中位置時的原油溫度場變化

當(dāng)加熱管位于儲罐罐壁附近時，加熱管對周圍原油加熱，進(jìn)而形成的自然對流幾乎能夠覆蓋整個儲罐，對儲罐內(nèi)原油的加熱效果最好。當(dāng)加熱管遠(yuǎn)離罐壁時，所能形成的自然對流覆蓋范圍相對減小，從而在罐頂和罐底附近形成了低溫區(qū)域。

當(dāng)加熱管靠近罐壁時，加熱管形成的羽流脫離加熱管后即向罐壁附近移動，對罐壁附近的原油具有較好的加熱效果。而對于另外2種加熱管布置方案，加熱管形成的羽流在脫離加熱管后即向儲罐上部空間移動，并沒有對罐壁產(chǎn)生更好的加熱效果。

2 不同加熱管位置的加熱效果對比分析

從圖4中可以看出，在相同加熱功率下當(dāng)加熱管在儲罐內(nèi)不同位置布置時，儲罐內(nèi)的油溫分布有所不同，管式加熱對儲罐內(nèi)原油的加熱效果也不相同。當(dāng)加熱管靠近罐壁布置時，由于儲罐內(nèi)可以形成覆蓋范圍較大的自然對流流動，冷熱原油的相互摻混效果更佳，加熱過程中儲罐內(nèi)的平均油溫始終高于另外兩種布置方式，不同時刻約有0.2℃的溫差。由于儲罐內(nèi)原油的總質(zhì)量較大，即使是0.2℃的溫差，也可以帶來比較顯著的能耗差別。除平均油溫外，隨加熱時間變化，儲罐不同邊界處的溫度變化也有顯著差別。當(dāng)加熱管距離罐壁較近的位置布置時，儲罐底部的油溫要明顯高于另外兩種布置方案。由于管式加熱方式下，儲罐的低溫區(qū)域就是在罐底部，在罐壁近距離布置加熱管的方法顯著的改善了管式加熱方式油溫分布不均勻的問題。

圖4 平均油溫隨加熱時間變化

對于罐頂和罐壁的平均溫度，從圖5中可以看出，臨近罐壁布置加熱管的情況下，罐壁和罐頂?shù)挠蜏仄毡楦哂诹硗?種布置方式。由于罐頂和罐壁的散熱損失較大，在管式加熱對罐壁和罐頂邊界升溫的同時，由于溫度升高，近壁面附近原油對外部環(huán)境的散熱損失也在增加，油溫也有顯著的下降，從而在兩種作用下，罐壁和罐頂?shù)钠骄鶞囟入S加熱時間存在一定的波動。

圖5 儲油罐不同部位油溫隨加熱時間變化

續(xù)圖5 儲油罐不同部位油溫隨加熱時間變化

3 結(jié)論

總體來看，當(dāng)加熱管布置在罐壁附近時，加熱管對周圍原油加熱，形成的自然對流幾乎能夠覆蓋整個儲罐，對罐頂、罐壁和罐底的加熱效果都明顯好于另外兩種布置方式。通過數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)加熱效果靠近管壁的盤管加熱方式相對于其他兩種布置，用于儲油罐維溫加熱同樣的蒸汽量，可有效提升加熱效率6%～10%，節(jié)能效果比較明顯。