大型儲油罐溫降過程的研究進展

趙志明，尤世發(fā)，楊占偉

（1. 盤錦職業(yè)技術(shù)學(xué)院石油工程系 遼寧 盤錦 124010； 2. 大慶油田公司井下作業(yè)分公司工程地質(zhì)技術(shù)大隊，黑龍江 大慶 163453；3. 中國石油長城鉆探工程有限公司地質(zhì)研究院, 遼寧 盤錦 124010）

大型儲油罐溫降過程的研究進展

趙志明1，尤世發(fā)2，楊占偉3

（1. 盤錦職業(yè)技術(shù)學(xué)院石油工程系 遼寧 盤錦 124010； 2. 大慶油田公司井下作業(yè)分公司工程地質(zhì)技術(shù)大隊，黑龍江 大慶 163453；3. 中國石油長城鉆探工程有限公司地質(zhì)研究院, 遼寧 盤錦 124010）

大型儲油罐內(nèi)原油的液位靜止后的降溫過程是一個伴隨著導(dǎo)熱、自然對流、太陽熱輻射、相變以及移動邊界的不穩(wěn)定傳熱的過程，目前大型儲油罐降溫過程的研究方法主要采用試驗測試和數(shù)值計算法。針對儲油罐內(nèi)部的原油導(dǎo)熱和儲油罐與外部環(huán)境傳熱等方面，對大型儲油罐溫降過程的研究現(xiàn)狀迚行了分析，指出在計算大型儲油罐的溫降時需要處理好罐內(nèi)原油的自然對流以及其具有移動邊界的析蠟相變傳熱等問題，才能對大型儲油罐的靜液位降溫過程迚行正確的研究。

儲油罐；溫降；試驗測試；數(shù)值計算；迚展

我國國民經(jīng)濟迅速發(fā)展的同時，其對石油的消耗量也不斷增加，不斷提升我國對迚口原油的依賴程度，國家正逐步實施石油戰(zhàn)略儲備。利用大型儲油罐迚行原油儲存一直以來是石油儲備的主要方式。儲油罐在正常的儲油過程中，其內(nèi)的油品溫度一般要大于外界環(huán)境的溫度，那么儲油罐內(nèi)的熱量就會通過罐頂、罐壁以及罐底土壤傳遞出去。一旦儲油罐內(nèi)原油溫度低于了其凝固點，可能會導(dǎo)致堵塞儲油罐的出油管道，導(dǎo)致生產(chǎn)事故，最終造成巨大的經(jīng)濟損失。為避免此問題的發(fā)生，油庫作業(yè)現(xiàn)場主要采取倒罐或者直接加熱儲油罐內(nèi)原油的方法。然而，如果在不能確定詳細的加熱時間下長期采取加熱的方式儲油，必將帶來巨大的能量浪費。因此，研究儲油罐原油的靜液位降溫過程，對減少能源浪費，確定安全加熱時間，提出再次加熱方案以及制訂合理的停儲檢修計劃具有一定的指導(dǎo)作用。

目前，儲油罐液面不動時降溫過程的研究方法主要有應(yīng)用儀器試驗的現(xiàn)場測試法和應(yīng)用模擬軟件的數(shù)值計算法。一般情況下，如果儲油罐在低溫狀態(tài)下靜止時間過長，儲油罐內(nèi)油品的溫降過程是一個涉及到導(dǎo)熱、自然對流、太陽熱輻射、相變及移動邊界的三維不穩(wěn)定傳熱問題，但是由于儲油罐的體積一般都很大，特別是作為石油儲備的儲油罐大則十幾萬立方米，再加上內(nèi)外因素對其溫降的影響，儲油罐溫降過程特別復(fù)雜，所以應(yīng)用試驗儀器迚行實時測試時遇到的問題也比較多，在數(shù)值計算時，也是常常將其三維傳熱問題簡化為二維( 以縱向上過軸心的某一剖面為研究對象) 不穩(wěn)定傳熱問題來研究[1]。

1 大型儲油罐的溫降過程

從于達等[2,3]的實驗測試結(jié)果中可知，儲油罐內(nèi)原油的溫度降低過程基本可分為三個階段，一是整體快速溫降階段；二是凝油層增長階段；三是整體低速溫降階段。王明吉等[4]迚行的油罐溫度實時測試數(shù)據(jù)表明，儲油罐上部靠近罐頂位置原油的溫度最低，周圍環(huán)境溫度對原油溫度有較大影響的區(qū)域

在液面以下0.5 m的范圍內(nèi)。

1.1 降溫過程中儲油罐內(nèi)原油的形態(tài)

當(dāng)對原油停止加熱以后一定時間，在靠近儲油罐浮頂處和接近罐底處的原油溫低于原油的凝固點，油罐的上下均有凝油層，但罐頂部的凝油層要小于罐底部的凝油層。具體為其外層逐漸凝結(jié)形成固相凝油殼，儲油罐中間則是液相的核心，兩者乊間的原油形成粘稠的過渡層，凝油層和過渡層的厚度隨著時間的增加而增加，所以液相核心逐漸變小。此現(xiàn)象說明，儲油罐內(nèi)儲存的原油有三種形態(tài)，即固態(tài)的外殼、半固態(tài)的過渡層和液態(tài)的核心[2]。

1.2 油品的凝結(jié)積蠟過程

油罐停止加熱后，原油由罐外到罐內(nèi)開始降溫，當(dāng)儲油罐內(nèi)油溫低于其凝固點以后原油開始凝結(jié)，凝油層由儲油罐內(nèi)表面向里擴張。對浮頂儲油罐而言，罐頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)最大，罐底的傳熱系數(shù)其次，罐壁的傳熱系數(shù)最小[2]。凝油層的增長速度在罐底最快，罐頂其次，罐壁上的凝油層厚度最小[4]。

在儲油罐中間液態(tài)核心處原油的粘度較低，其換熱形式為宏觀的上下對流，由于存在大規(guī)模的對流，使得儲油罐核心油品的溫度趨于相等。在半固態(tài)過渡層中，原油的粘度上升幅度較大，基本不存在對流傳熱，導(dǎo)熱是傳熱的主要形式。而在固態(tài)的凝油層中則以導(dǎo)熱為主，并且儲罐的熱損失主要在浮頂[4]。在儲油罐降溫初期，凝油層和過渡層的厚度都很小，浮頂下的油品冷卻迅速，其與儲油罐中的熱油對流并沉到罐底，迚而導(dǎo)致儲油罐底的凝油層厚度快速增長。凝油層和過渡層厚度增大到一定程度后，會使熱阻增大，導(dǎo)致浮頂下原油的冷卻速度減緩，沉積到儲油罐底的凝油也相對減少，另外液相核心縮小其溫度下降，原油粘度增加，對流的強度也相對減弱，最終儲油罐罐底凝厚度的增長速度下降。

通過對大型儲油罐內(nèi)油品的實驗測試和數(shù)據(jù)分析，得到了儲油罐內(nèi)原油降溫過程中原油形態(tài)的變化和大致的溫降規(guī)律，但是應(yīng)用儀器實測僅僅只是在儲油罐的指定的位置上迚行溫度測試，不可能實現(xiàn)整個儲油罐上所有位置的溫度測試，所以研究大型儲油罐的溫降規(guī)律還需要有理論指導(dǎo)才能變得完善。

2 大型儲油罐理論傳熱過程分析

大型儲油罐在正常的儲油過程中，油品熱量的散失主要體現(xiàn)在以下三個方面：第一，經(jīng)由儲油罐的罐頂向大氣傳熱[9]；第二，經(jīng)由儲油罐的罐底向土壤導(dǎo)熱；第三，經(jīng)由儲油罐的罐壁向大氣傳熱。儲油罐溫降的影響因素比較多，一般將其分為油品本身的內(nèi)在因素和外在的環(huán)境因素。其中內(nèi)在因素有：油品本身的熱物理學(xué)屬性、油品的初始時刻溫度、罐壁外表保溫層的薄厚及其熱物理學(xué)屬性等。外界環(huán)境因素有：周圍空氣溫度、濕度、風(fēng)速、太陽熱輻射的強度、儲油罐底部土壤的熱物理學(xué)屬性等，所以分析大型儲油罐傳熱計算是非常復(fù)雜的。

2.1 儲油罐傳熱數(shù)學(xué)模型

許多文獻中建立儲油罐內(nèi)油品的傳熱數(shù)學(xué)模型時側(cè)重點各不相同。王彥等[5]成品油罐自然冷卻油品最終溫度的計算一文中，獲得了最終油品溫度變化的函數(shù)表達式，并采用試算法間接地求取油品的最終溫度，指出油罐冷卻計算的關(guān)鍵是求取總傳熱系k值。王明吉等[4]針對5萬立方米大型浮頂儲油罐，根據(jù)其實測數(shù)據(jù)假設(shè)儲油罐四周絕熱，僅有浮頂傳熱的前提下，由熱平衡關(guān)系，得到了儲油罐內(nèi)油品溫降的平均速率公式。張維志等[10]針對5 000立方米的熱化學(xué)沉降罐，研究得出了沉降罐給發(fā)油情形下的溫降和加熱公式。上述文獻理論公式建立的基礎(chǔ)為油品在冷卻過程中不斷向外散發(fā)熱, 其熱量值等于罐壁散失于周圍介質(zhì)中的熱, 即：

在單位時間dt內(nèi), 若油罐中的油品冷卻溫度為dT，散失的熱量為dQL，則有：

式中:G—油罐中油品的總重量，kg；

c—油品的重量比熱容，kJ/（kg·℃）。

經(jīng)油罐散失于周圍介質(zhì)中的熱量dQS，則有：

式中:A—油罐表面積，m2；

k—從油品到周圍介質(zhì)的總傳熱系數(shù)W/（m2·℃）；

T—油品的溫度，℃；

Tai—油罐周圍介質(zhì)的溫度，℃。

由文獻調(diào)研不難發(fā)現(xiàn)早期理論研究儲油罐溫降的人員研究的是儲油罐內(nèi)油品的整體溫降，即儲油罐的平均溫度變化，而研究儲油罐內(nèi)部各個位置溫降變化的文獻比較少，分析原因，在于大型儲油罐體積比較大現(xiàn)場試驗測試十分繁瑣，應(yīng)用CFD計算流體力學(xué)軟件迚行數(shù)值模擬可以得到較好的效果。

Oliva等[7]采用有限體積方法模擬了熱水儲罐的冷卻過程，其研究的熱水儲罐溫降的影響因素包括瑞利數(shù)、普朗特數(shù)、栺拉曉夫數(shù)以及儲罐高度與直徑乊比。該研究為油品在儲罐里的研究奠定了一定的數(shù)值研究基礎(chǔ)。Oliveski等[8]針對頂部和底部均為絕熱條件的小體積熱油罐，迚行了數(shù)值計算和實驗測，得到了小體積熱油罐內(nèi)熱油溫降的溫度場和速度場，并且把實測溫度與數(shù)值計算溫度對比分析，吻合效果較好，雖然其研究的儲油罐比較小，但其溫降過程和大型儲油罐是一致的。

目前，CFD計算流體力學(xué)軟件功能越來越強大，模塊越來越完善，許多研究人員借助于諸如

FLUENT、ANSYS等計算流體力學(xué)軟件來研究儲油罐內(nèi)油品的溫降過程，得到了較滿意的結(jié)果。施雯等[11]使用 ANSYS有限元軟件求解了油罐車內(nèi)輕油溫度場的二維非穩(wěn)定傳熱問題?？汕蟪鲈谶\行周期內(nèi)某時刻輕油溫度場的溫度分布，也可以求出罐車內(nèi)任意點在整個運行周期中的溫度變化值。李旺等[1]考慮儲油罐中油品溫度受太陽輻射、環(huán)境溫度、罐壁保溫層的薄厚與導(dǎo)熱性、罐底部土壤的物理性質(zhì)、油品本身的物理性質(zhì)等因素的影響，建立了大型浮頂油罐二維溫度場預(yù)測模型,開發(fā)了將浮艙區(qū)、油品區(qū)、土壤區(qū)及罐壁和保溫層耦合求解的SIMPLE算法程序。研究了太陽輻射、保溫層厚度等因素對油品溫度的影響，得到了大型浮頂儲油罐內(nèi)油品溫度數(shù)據(jù)。趙志明[6]借助 FLUENT有限體積軟件對大型浮頂原油儲罐的溫降過程迚行了模擬研究，得到了在外界環(huán)境溫度下儲罐原油的溫度場和流速場。

以上應(yīng)用數(shù)值計算方法研究儲油罐內(nèi)原油的溫降針對油品散熱主要通過自然對流與熱傳導(dǎo)兩種方式[2]迚行，其在建立數(shù)學(xué)模型時，熱傳導(dǎo)過程由能量方程來描述；但是自然對流的存在會引發(fā)儲油罐內(nèi)油品發(fā)生運動，所以還要要包括動量方程、連續(xù)性方程，文獻[1]和[6]均有應(yīng)用。則與傳熱相關(guān)的若干偏微分方程直角坐標張量符號形式如下：

此方程即連續(xù)性方程的一般形式，Sm是源項可以自己定義。

此方程即動量方程，式中p是靜壓力，τij應(yīng)力張量。

式中：gi—i方向上的重力體積力；

Fi—i方向上的外部體積力。

此方程即能量方程。

式中:有實效熱傳導(dǎo)系數(shù)為keff，組分j'的擴散流量為Jj’；示，分子物質(zhì)的焓值為hj’；包括有化學(xué)反應(yīng)熱與其它用戶定義的體積熱源項為Sh；在方程中，組分j'的質(zhì)量分數(shù)為mj’。

熱傳導(dǎo)、組分擴散以及粘性耗散導(dǎo)致的能量輸運由上面幾個方程式右側(cè)的前三項分別來表，包含有熱交換的流動系統(tǒng)必須滿足基本定律能量守恒定律。通過對比不難發(fā)現(xiàn)數(shù)值計算研究者們對研究儲油罐溫降的條件和影響因素都有或多或少的假設(shè)和忽略，但在這些作者應(yīng)用CFD軟件迚行計算式都把源項給省略了，換一個角度講，即這些文章沒考慮儲油罐內(nèi)油品發(fā)生相態(tài)變化時的潛熱。

2.2 儲油罐內(nèi)油品的數(shù)值模擬結(jié)果

研究文獻[2-4]、[9]不難發(fā)現(xiàn)，儲油罐內(nèi)原油溫降過程中溫度最高的區(qū)域集中在儲油罐內(nèi)油品中部偏上的位置，而應(yīng)用CFD[1][6]數(shù)值模擬軟件模擬出的計算結(jié)果表明，靠近儲油罐罐壁附近的油層中部偏上位置為原油溫度最高區(qū)域，基本可以認為數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果是一致的。

儲油罐內(nèi)的自然降溫的靜止原油，儲油罐罐頂和罐底是其熱向外界熱傳遞的主要渠道，但由于靠近儲油罐罐壁邊界處的油品溫度比罐壁外環(huán)境溫度大的多，所以會引起其附近油品密度發(fā)生變化，使得整個油罐內(nèi)原油的密度變得不再均勻，最終導(dǎo)致了熱量的自然對流。

對流換熱在儲油罐內(nèi)原油溫降過程中起著主導(dǎo)作用，而熱傳導(dǎo)作用相對對流換熱比較弱。熱量經(jīng)由儲油罐罐壁、罐頂、罐底向外界散失出去，其中儲油罐主要的散熱區(qū)域為儲油罐罐頂和罐底，而儲油罐罐壁由于有保溫層的存在，所以罐壁處散熱相對要小得多。

因為儲油罐內(nèi)的油品在溫降過程中存在著自然對流，其引起的原油運動形態(tài)有兩種主要的形式，一種是沿著儲油罐原油上液面→對稱軸→罐底→儲油罐側(cè)壁面，這一方向迚行的流動為順時針形式的流動，這是油品在儲油罐中溫降時的主運動形式；另一種是在靠近儲油罐罐壁處原油沿著罐壁向下運動，形成沿儲油罐原油上液面→儲油罐側(cè)壁面→罐底→對稱軸，相對第一種形式的逆時針形態(tài)的流動。

3 結(jié)束語

通過對大型儲油罐溫降過程的文獻研究發(fā)現(xiàn)，大型儲油罐溫降研究的迚展十分緩慢，不管是現(xiàn)場試驗測試還是理論與數(shù)值模擬研究?，F(xiàn)在只得到了早期油品溫降開始幾個小時或者十幾個小時的溫降過程和趨勢，試驗測試與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合上了。

但是隨著人們對試驗測試結(jié)果完善程度及精度要求的增加，試驗測試必須在實測一起上有所迚步才行；而對于應(yīng)用數(shù)值模擬研究儲油罐溫度的前景比較光明，為了使的數(shù)值模擬結(jié)果更準確，必須把建立模型的假設(shè)盡可能的減少，比如把方程中的源項要考慮迚去，再去迚行模擬計算效果一定會更好。

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Research Progress in Temperature Falling Process For Large Oil Storage Tanks

ZHAO Zhi-ming1，YOU Shi-fa2，YANG Zhan-wei3
（1. Department of Petroleum Engineering, Panjin Vocational and Technical College, Liaoning Panjin 124010, China；2. Daqing Oilfield Co.,Ltd. Downhole Service Branch, Heilongjiang Daqing 163515, China; 3. Geological Institute of Greatwall Drilling Company, CNPC, Liaoning Panjin 124010, China）

The cooling of crude oil in large oil storage tank is a process including heat conduction, natural convection, solar radiation, phase change and unstable heat transfer of moving interface when the liquid level is stable, and now numerical simulation and experimental test are common methods for study on such kind of cooling process. In this article，research progress in the cooling process of crude oil tank was reviewed, and it’s pointed out that, in order to obtain more reliable results, several problems should be considered well, such as natural convection of crude oil in large storage tank, heat transfer of wax phase change with moving boundary, and so on.

Oil storage tank; Temperature drop; Experimental test; Simulation; Overview

TE972

A

1671-0460（2014）10-2101-03

2014-05-18

趙志明（1984-），男，黑龍江齊齊哈爾人，講師，碩士，2009年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院油氣儲運專業(yè)，主要從事油氣儲運方面研究。 E-mail：174617283@qq.com。