浮頂油罐盤管加熱過程數值模擬研究

伍詠德（大慶油田有限責任公司第九采油廠）

石油是現代工業的“血液”，關系著經濟發展和能源安全[1]。我國是世界上最大的原油進口國[2]，2020年我國原油進口量達5.4×108t，同比增長7.3%，原油進口增速高于國內原油產量增速，對外依存度在持續擴大[3]。浮頂油罐是我國戰略儲油的重要設備，在原油儲存過程中常采用盤管加熱原油的方式改善其流動性，保證油罐各項工作安全進行。目前，對盤管加熱溫度場及流場的研究主要集中在數值模擬方面[4-5]。建立了小型油罐的簡化模型，數值分析了罐內原油的自然溫降過程及流動規律，模擬結果與實測數據吻合較好。丁原研究了不同位置盤管的加熱效果，研究發現當盤管距離罐壁較近時，油溫分布更加均勻，與遠離罐壁和居中布置兩種盤管位置相比，相同加熱功率下可有效提升加熱效率6%～10%。建立了管式加熱方式下蠟質原油的流動傳熱模型，研究發現管式加熱過程中蠟質原油的熱過程分為局部熱響應、熱擴散、全局熱響應、凝膠油消除四個階段，油罐頂壁和側壁的熱損失功率受到盤管的顯著影響。孫巍等數值研究了盤管結構、布置方式、蒸汽溫度等因素對原油溫度場及流場的影響，考慮原油的可變物理參數和動態熱環境，建立了儲罐加熱過程的能耗評價指標，分析了不同盤管結構加熱過程的油箱油位、盤管加熱功率的能耗機制。王曉東[6-7]從盤管結構參數和工藝參數兩方面開展管式加熱工藝優化，確定了盤管最優外徑、最佳布置位置及不同容量油罐在不同液位下的最佳加熱溫度。上述研究多是從盤管位置，管徑尺寸及盤管加熱功率等角度分析原油傳熱特性與盤管加熱效果。

從增強換熱角度，在光管盤管的基礎上增設翅片，采用數值模擬法研究不同翅片數盤管對管式加熱下油罐的溫度場分布、流場運動規律及罐頂、罐底、罐壁的溫度與熱流密度的影響。綜合上述研究以期獲得更科學的加熱方案，實現低碳、節能的目標，為工程實際提供科學指導[8-9]。

1 模型與求解

1.1 物理模型

以靜儲浮頂油罐為模擬對象，油罐直徑80 m，罐高10 m。油罐罐頂、罐底均由厚度為0.01 m的鋼板構成，罐壁外側包裹厚度為0.06 m的保溫層。油罐采用5根直徑為0.05 m、間距為0.5 m的盤管對原油加熱，盤管水平布于距離罐底0.5 m處，最外側距離側壁面2 m。考慮到油罐四周土壤與環境對油罐的熱影響，土壤部分熱力影響范圍為距罐壁7 m處。由此，大型浮頂油罐幾何模型如圖1所示。在光管盤管基礎上，共設計了三種翅片形式，有2翅片，4翅片，6翅片三種形式。

圖1 大型浮頂油罐幾何模型Fig.1 Geometric model of large floating roof tank

1.2 有限元網格模型

1.2.1 邊界條件

油罐模擬過程中其罐頂、罐壁、土壤、盤管表面都需要設置邊界條件。

設定油罐外界環境溫度為20℃，平均風速6 m/s，罐頂同時考慮了太陽輻射的影響，加熱盤管表面設為恒溫80℃。罐內原油初溫為35℃，參考密度為860 kg/m3，熱膨脹系數取0.000 62 K-1。土壤部分初始溫度為30℃，其底部溫度恒為10℃[10-11]。

1.2.2 求解方法

考慮到盤管加熱過程中原油實際傳熱和流動過程，采用大渦模擬法求解原油湍流流動，Boussinesq假設描述密度變化的問題。算法采用求解壓力-速度耦合的SIMPLE算法，擴散項為有限中心差分格式離散。

浮頂油罐網格劃分如圖2，考慮到翅片盤管幾何結構不規則，其周圍原油溫度梯度較大等影響因素，采用分塊劃分的方法對上述部分單獨劃分并進行加密。對于罐頂、罐底、罐壁等溫度變化劇烈區域劃分非均勻網格進行局部加密。對網格及步長進行獨立性驗證，認為當網格數為187 614、時間步長為10 s時，計算結果獨立。

圖2 浮頂油罐網格劃分Fig.2 Grid division of floating roof tank

1.2.3 節能量計算

添加肋片之后，利用下面公式計算原油加熱過程的節能量：

式中：Φ為節能量，kJ；m為原油總質量（按照罐體體積與原油密度計算值為50.24），t；cp為原油比熱（取值為1.9），kJ/kg；Δt為加熱溫差，即采用肋片后原油內平均溫度與不加肋片時的差值，k。

2 結果與分析

四種盤管在不同加熱時間的油區溫度分布如圖3所示，加熱盤管水平布于浮頂油罐底部，當盤管翅片數分別為0翅片、2翅片、4翅片及6翅片時，對油罐進行20 d加熱模擬，取加熱時長為2 d、10 d及20 d的溫度場云圖進行對比。加熱2 d時，由于加熱時間較短，四種盤管的溫度場變化均不明顯，僅盤管周圍出現熱羽流沿盤管→罐壁→罐頂流動。熱羽流為加熱過程自然產生，其成因為：盤管周圍原油吸熱升溫后密度減小，與罐內其他部分原油產生密度差，此部分原油受浮力影響向罐頂流動。加熱10 d時，隨著加熱時間增加罐頂原油不斷匯聚，2翅片、4翅片及6翅片盤管加熱下罐頂原油升溫明顯；0翅片盤管加熱下原油僅出現熱羽流尾跡，無明顯溫度分層。加熱20 d時，四種盤管中4翅片盤管的加熱效果最好，2翅片、6翅片次之，0翅片盤管溫度變化最小。可見，相比于光管（0翅片盤管），添加翅片可有效提升盤管加熱能力，改善原油溫升效果；同時，翅片數量與升溫效果具有非線性相關關系，增加翅片數量不一定能實現提高整體油溫的目的。

如圖3所示，加熱使罐內原油形成自然對流，四種盤管在整個加熱過程的流動規律相似。加熱初期（0～2 d），由于盤管位于油罐底部，盤管附近原油率先被加熱，后以盤管區域熱油為動力形成一個沿罐底→罐壁→罐頂→油罐中軸線的逆時針漩渦，罐壁受自然對流影響較大，流速較大。加熱中期（2～10 d），原油保持逆時針流動，盤管上方原油流速較加熱初期減小。加熱后期（10～20 d），盤管上方原油流速進一步減小，這是由于原油流動是原油密度差異驅動形成的自然對流，隨著加熱時間的增加，整體油溫升高，原油密度差異逐漸減小，流速減小。其中，2翅片及4翅片加熱時盤管上方原油流速較大，其成因為：添加翅片使盤管加熱面積增大，盤管附近原油受熱更加充分，油溫更高，流速增大。6翅片時，原油未能獲得較大流速，這與文中翅片數量增多，原油升溫效果反而下降對應，該現象可能與翅片擾動、原油溫度等因素有關。可見，翅片盤管與光管相同均遵循逆時針流動規律；增加翅片數量一定程度上（2翅片、4翅片時）可以增大原油流速。

圖3 四種盤管在不同加熱時間的油區溫度分布Fig.3 Oil temperature distribution of four kinds of coils at different heating time

四種盤管在不同加熱時間的流場分布如圖4所示，盤管翅片數量的改變對油罐不同邊界的影響不同。對于罐頂，翅片數量的改變對原油溫度影響很小，油溫變化遵循同一規律，即加熱初期（0～2 d）油溫迅速升高，較加熱開始時溫度提升2.2%；加熱中期至后期（2～20 d）溫升速度明顯減緩，加熱結束較加熱開始時溫度提升2.8%。對于罐底，其溫升趨勢與罐頂相似，至加熱中后期時翅片數量等因素的影響開始顯現。20 d時，罐底溫度在6翅片盤管加熱下最高，與光管相比其溫升率為0.3%，可見，翅片數量的改變對罐底影響較小。對于罐壁，加熱初期高溫原油由于壓差作用向罐壁偏移，并沿罐壁向罐頂流動，使罐壁得到充分加熱，溫度升高；隨著加熱持續進行，原油整體溫度均勻升高，流速減緩，近罐壁區域壓差降低，高溫原油向油罐中心偏移，罐壁開始緩慢升溫。結合圖5c可見，添加翅片可有效提高罐壁溫度，2翅片時罐壁溫度最高。

圖4 四種盤管在不同加熱時間的流場分布Fig.4 Flow field distribution of four kinds of coils at different heating time

圖5 四種盤管在罐頂、罐底、罐壁的平均溫度曲線Fig.5 Surface heat flux of four kinds of coils at the top，bottom and wall of the tank

添加翅片對原油罐加熱量影響如表1所示，無翅片時原油平均加熱量為1.23×106kJ/d，按照燃煤加熱爐80%熱效率計算，大約需燃燒煙煤108 kg。加熱10 d時，無翅片時原油平均溫度為38.2℃，而添加2翅片與6翅片時原油溫度分別為39.4℃與38.7℃，2翅片相比于無翅片時可節能約1.15×105kJ熱量，相比于6翅片時也可節能約4.7×104kJ熱量。而加熱20 d時，無翅片時原油平均溫度為39.1℃，而添加2翅片與6翅片時原油溫度分別為40.2℃與39.7℃，2翅片相比于無翅片時可節能約1.05×105kJ熱量，相比于6翅片時也可節能約5.6×104kJ熱量。添加2翅片與6翅片時整個周期平均節約煙煤量為15.2 kg/d與12.6 kg/d。

表1 添加翅片對原油罐加熱量影響Tab.1 Effect of adding fins on heating capacity of crude oil tank

四種盤管在罐頂、罐底、罐壁的表面熱流密度的關系如圖6所示，罐頂、罐底及罐壁熱流密度隨加熱時間逐漸減小，熱流密度受翅片數量的影響較小。其中，罐頂處熱流密度變化范圍最大，為2～39 W/m2，罐底為1～18 W/m2，罐壁為4～6 W/m2。由于罐頂處無保溫材料，熱阻小，加之罐頂可通過輻射及對流換熱方式向外界散熱，其在油罐各邊界中散熱量最大，加熱2 d時其熱流密度逐漸穩定，較之加熱開始時熱流密度減小73.8%。罐底處油罐主要以導熱方式向底部土壤散熱，初始階段由于罐底與土壤存在較大溫差，導致熱通量較大，隨著邊界處熱交換持續進行，熱流逐漸穩定，第2 d時其熱流密度較加熱開始時減小80.8%。罐壁處設有保溫層，熱阻較大，因此其熱流密度變化范圍較小，熱流密度值較之罐頂及罐壁明顯減小；添加翅片可減小壁面熱流密度，加熱20 d時，2翅片加熱下罐壁熱流密度最小，較光管可減小7.8%。

圖6 四種盤管在罐頂、罐底、罐壁的表面熱流密度的關系Fig.6 Surface heat flux diagram of four kinds of coils on top，bottom and wall of tank

3 結論

1）盤管外設翅片可有效提升盤管加熱能力，改善原油溫升效果。然而，翅片數量與升溫效果具有非線性相關關系，加熱20 d時，在四種加熱盤管加熱表現中，4翅片時原油整體溫升最高，2翅片效果優于6翅片、光管（0翅片）最差。

2）盤管加熱下原油遵循逆時針流動規律，增設翅片數量一定程度上可以增大原油流速，促進油罐內部自然對流。翅片數量為2翅片及4翅片時原油流動較快，光管及6翅片時流動較慢。

3）添加翅片對罐頂及罐底溫度及熱流密度的影響較小，對提高罐壁溫度、減小壁面熱流密度效果顯著。添加2翅片與6翅片時整個周期平均節約煙煤量為15.2 kg/d與12.6 kg/d。