水下儲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.中國石油大學（華東）機電工程學院，山東青島 266580；2.河北工業大學理學院，天津 300401）①

水下儲油艙位于水面以下，與雷電等具有天然的阻隔，具有防爆性能，在海況惡劣時也可以保證油井的連續生產［1］；避開了波浪的主要作用，受到的波浪力小，安全性能比較高。在我國已探明的石油地質儲量中，未開發的57%均屬于邊際油田，主要集中在我國渤海海域［2］。由于邊際油田產液量較少，在自升式平臺底部設置1個可以隨平臺遷移的儲油艙（如圖1所示）用于存儲一定量的原油，定期用駁船將采出的原油輸往陸上油庫。

圖1 自升式平臺及儲油艙

海底儲油艙內部溫度的監測是判斷儲油艙內原油是否處于正常狀態的一種重要手段。當原油溫度過低時，原油會在罐體內發生凝固，增加了卸油的難度，甚至可能會導致事故。在復雜的現場條件下，由于風浪的影響，儲油艙要保證能夠存儲原油的周期為7d。由于儲油艙體積巨大，與海水接觸面積大，在靜置條件下艙內原油溫度分布不均勻，所以在工程中對艙內溫度實時檢測時需要對溫度傳感器的安裝位置進行研究。本文基于FLUENT 軟件對儲油艙的溫度分布進行模擬，為傳感器安裝位置的優化提供數據。

1 水下儲油艙保溫性能

1.1 儲油艙內原油散熱原理

水下儲油艙在海底，原油與海水的傳熱是通過熱傳導與熱對流2種方式組合進行的。包括儲油艙原油與艙壁之間、內壁與保溫層之間、外壁與保溫層之間的熱對流及原油內部、保溫層內部之間的熱傳導等過程。

傅立葉通過對分析勻質、各向同性物體中發生穩態導熱現象，得出單位時間內通過截面積的熱量計算公式為

式中：Qλ為穩態導熱熱流量，W；λ為導熱系數，W／（m·K）；A1為導熱面積，m2；T為溫度，K；n為通過該點的等溫線上的法向單位矢量，指溫度升高的方向。

式（1）表明：當物質進行純導熱時，單位時間內通過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。對于同一材料，導熱系數主要受溫度影響。

原油與儲油艙內壁間，保溫層外壁與海水環境的熱傳遞過程是對流換熱，其熱傳遞的量值與對流面積、對流換熱系數、溫度差等物理量相關，即

式中：Qa為單位時間內對流換熱量，W；a為相應的對流換熱系數，W／（m2·K）；A2為對流換熱面積，m2；Tf1、T1分別為儲油艙外壁和海水的溫度，K。

1.2 物理模型建立

由于儲油艙模型比較復雜，傳熱過程包含多項復雜的熱傳遞過程，所以在試驗過程中對模型進行4方面簡化：

1）將儲油艙室進行簡化，只對儲油艙內部的一個艙室進行溫度的優化計算。儲油艙尺寸為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。所以可以忽略由于熱傳遞導致的海水溫度升高，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、具有優良抗水性的聚苯乙烯泡沫，密度為50kg／m3，熱導率為0.035 W／（m·K），定壓比熱為800J／（kg·K）。

圖2 儲油艙網格模型

1.3 儲油艙內原油溫度云圖

儲油艙計算模型為三維，為便于觀察，建立新的觀察面對原油艙內部溫度進行觀察。由于原油艙鋼質壁的導熱性較好，所以在原油艙表面溫度分布是近似相同的，原油艙內部的溫度分布發生了一定的變化，如圖3～4所示。

由圖3～4知：在儲油艙散熱的過程中，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。經過1個存儲周期（7d）后，儲油艙外表面的平均溫度為317.48K。原油在此溫度下不會發生凝結。原油艙保溫層的設計是合理的，保溫材料的選擇是能夠滿足工程實際需要的。

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

溫度監測系統的功能是通過傳感器來實現的。監測系統使用的傳感器越多，儲油艙內溫度特性的描述就越準確。合理的傳感器布置是保證溫度監測的前提，無規劃的傳感器布置會增加監測成本，降低診斷效率。在監測系統中利用所布設的有限個溫度傳感器與設備，獲取盡可能多的監測信息，并使實測值對儲油艙溫度變化敏感性具有良好的魯棒性，實現對儲油艙溫度改變信息的最優采集［3－4］。傳感器的優化布置需要根據儲油艙內部的特點及測量條件進行。

2.1 傳感器選擇及測點分布

如果先用傳統的貼片式溫度傳感器，由于原油黏度較大，長時間的存放會使原油粘在艙壁內側和傳感器表面，造成傳感器采集溫度較為困難，溫度測量不準確。所以在傳感器選型中采用探針式溫度變送器，探針可以深入儲油艙內部，較為準確地測量其內部溫度。傳感器多點布置如圖5。

圖5 儲油艙內溫度監測點分布

在選型時考慮采用防爆型螺紋式一體化溫度傳感器。要求溫度采集點距離容器邊界距離不小于10cm。在試驗中選取距離為15cm。在傳感器的布置過程中，采用多點布置，檢測多個監測點的溫度。通過研究傳感器布置點的溫度的變化對艙內溫度進行研究。縱向每3個傳感器為1組，構成1個采集通道，將3個通道的平均溫度作為儲油艙采集點的溫度。由于儲油艙是左右對稱結構，所以只對一側進行監測。監測點坐標值如表1所示。

表1 儲油艙內溫度監測點坐標

2.2 儲油艙內溫度變化趨勢

經過計算，得到儲油艙經過168h保溫后監測點的溫度隨時間變化曲線，如圖6～8。

圖6 監測點1～4溫度變化曲線

通過對觀測點的溫度變化趨勢進行觀察，所有觀測點的溫度都在隨著時間的變化而變低。溫度變化速率隨時間的變化在減小。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。在最下部一層觀測點中，測點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，儲油艙在此處保溫性能較好。

在儲油艙頂部的觀測點中，對比測點9和測點12，發現這2個監測點溫度變化的趨勢是相同的。測點12的溫度高于測點9的溫度。測點10～11在初始溫度降較慢，隨著時間的變化，溫度逐漸接近儲油艙內的整體溫度。通過圖6與圖7的對比知，在布置傳感器時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 監測點9～12溫度變化曲線

圖8 監測點1、5、9的溫度變化曲線

測點1和測點9分別處于模型的底部和上部，測點5處于模型的中間部位。由圖8知：儲油艙上部和下部溫度變化趨勢近似相同，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題。

2.3 儲油艙內溫度傳感器的優化布置

在保證建模精度的前提下，減少溫度測點，簡化模型結構，提高模型實用化水平是布點技術要解決的問題。在距離上邊界和下邊界相同距離的平面內，溫度分布近似相同，趨勢近似相同，所以對傳感器的布置進行適當的精簡。取消對下部，即測點1～4的溫度監控。測點9與測點12的溫度變化趨勢基本相同，所以在布置時可以考慮對測點12進行精簡。

經過對溫度分布情況及溫度降趨勢的研究，在保證采集樣本精確性的前提下以精簡的原則對傳感器的布置進行優化。在模型中傳感器的布點位置應該為測點5～7和測點9～11。

3 結論

1）水下儲油艙在海上邊際油田開發中具有重要作用。但是，原油因溫度下降而容易凝結，給卸油作業帶來安全隱患，需要進行保溫和艙內溫度監測。

2）保溫層底部與側面的厚度均為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FLUENT 軟件模擬，在1個保溫周期內（7d），保溫層厚度的設計與保溫材料的選取是合適的，能夠滿足原油儲存的溫度要求。

3）通過對儲油艙內測點溫度的監測，儲油艙上部溫度降大于下部溫度降。溫度下降的速率隨時間變化不斷減小。

4）優化了傳感器的安裝位置，在保證檢測靈敏度的前提下盡量減少監測點及傳感器數量，并使監測數據能夠準確地反應艙內溫度變化。

5）通過對儲油艙內部溫度監控，優化了溫度傳感器的布置，對今后研究儲油艙內部流場分布，研究儲油艙內部流場的變化提供了一種思路。

［1］伍建林，李著信，王鵬飛.可移動式水下儲供油系統的設計及關鍵技術研究［J］.石油礦場機械，2005，34（4）：32－34.

［2］丁忠軍，徐松森.水下儲油保溫監控系統研究［J］.海洋工程，2009，27（1）：101－105.

［3］秦邦民，李筱艷.基樁安全檢測及多傳感器布置優化［J］.西部探礦工程，2010，7（1）：20－24.

［4］孫繼文.面向多工位制造系統可診斷性的傳感器布置優化［J］.計算機集成制造系統，2007，13（12）：2441－2445.