含蠟原油靜儲降溫過程熱流特性的研究進展

金柄旭，成鑫琦，王曉娜，孫巍

（東北石油大學 提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江 大慶 163318）

在能源發(fā)展逐步實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、保障能力和效率全面提升等目標的環(huán)境下，石油在所有能源消費中占比超過1/3，仍然占據(jù)著舉足輕重的地位[1-3]。自從1993年中國成為石油凈進口國以來，進口石油在我國的能源供給結(jié)構(gòu)中所占的比例逐年增加，截至2018年底，我國石油對外依存度高達72.3%，如果不能保障穩(wěn)定的石油供給，勢必會制約國民經(jīng)濟和國防建設(shè)的快速發(fā)展。發(fā)展石油儲備則在應對這一危機中起到了不可替代的作用，目前我國已建成9 個國家原油儲備基地，儲備原油3 973 萬t，按照國家發(fā)改委發(fā)布的《石油發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，要求加快石油儲備能力建設(shè)，推進國家石油儲備二期、三期項目建設(shè)[4]。我國主力油田生產(chǎn)的原油大多為高含蠟原油，油罐在實際運行中，受到太陽輻射、大氣溫度、土壤溫度等熱環(huán)境動態(tài)變化的影響，使得罐內(nèi)原油產(chǎn)生熱量損失，溫度降低到一定程度時，原油的流動性變差還可能發(fā)生凝罐等。因此，在生產(chǎn)過程中為確保儲罐安全運行，必須實時掌握罐內(nèi)原油的傳熱特性和流動規(guī)律。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與分析

含蠟原油罐儲溫度主要取決于大氣、土壤溫度以及與儲罐邊界所吸收的太陽輻射熱量。由于太陽輻射所導致油品損失熱量的途徑為：大氣→儲罐外壁→內(nèi)壁→油品，特別是在儲罐邊界部分，油品散失熱量最多，這是由于油品溫度與大氣溫度之間的溫差較大，產(chǎn)生了自然對流、強制對流及輻射作用[5]。目前，國內(nèi)外主要采用兩種方法來開展油罐油品溫度場和流場的研究，一是數(shù)值模擬法，二是現(xiàn)場試驗法[6-7]。

1.1 含蠟原油罐儲溫降過程傳熱與流動特性數(shù)值研究

應用數(shù)值模擬方法研究含蠟原油罐儲溫降過程的熱流特性，由傳統(tǒng)的經(jīng)驗公式法到模型求解，建立的理論模型與實際油罐越來越貼近，數(shù)值求解過程則越來越復雜。BAUER[8]按照常黏度的假設(shè)將原油實際的溫降問題簡化為穩(wěn)態(tài)傳熱過程，求解汽油罐內(nèi)溫降過程中的自然對流傳熱，但由于流體常物性的假設(shè)導致了與實際結(jié)果存在一定差距。OLIVESKI[9-10]等在考慮了所有罐壁（側(cè)壁、頂部和底部）環(huán)境的熱損失情況下，利用有限體積的方法，對自然對流作用下儲罐內(nèi)的速度場和溫度場進行了數(shù)值分析和實驗研究，模擬了40 個不同長寬比、5種絕熱厚度和兩種不同體積的冷卻工況，得到了40個例子Nusselt 數(shù)的兩個相關(guān)式。RODRíGUEZ[11]等應用有限容積法，在層流條件下研究了垂直圓柱內(nèi)靜止流體在壁面熱損失作用下的瞬態(tài)冷卻問題，并進行了無量綱分析，得出了Nusselt 數(shù)與瞬態(tài)平均流體溫度之間的關(guān)系。李旺[12]等在考慮大氣溫度、太陽輻射強度等影響浮頂罐溫度場的因素前提下，做出相關(guān)假設(shè)，建立了大型浮頂罐溫度場二維模型，通過將現(xiàn)場數(shù)據(jù)與模型計算結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)吻合良好，并開發(fā)了SIMPLE 算法。WANG[13-14]等建立了雙層浮頂油罐含蠟原油溫降過程的物理模型和數(shù)學模型，以冪律方程描述原油非牛頓行為，用焓-多孔介質(zhì)理論描述了蠟沉淀，分析了蠟沉淀量和非牛頓行為對罐內(nèi)溫降過程的影響。趙健[15-16]等在假定含蠟原油溫度在失流點以下時為多孔介質(zhì)體系，采用附加比熱容法和動量源項法分別描述蠟的結(jié)晶潛熱和蠟晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的流動阻力，并采用有限體積法模擬了含蠟原油的冷卻膠凝過程。可見，對于含蠟原油罐儲溫降過程傳熱與流動特性數(shù)值研究中，目前聚焦在對含蠟原油形態(tài)、流動特性等方面，沒有進一步考慮到外界太陽輻射、大氣溫度等熱環(huán)境的動態(tài)變化影響。

1.2 含蠟原油罐儲溫降過程傳熱與流動特性現(xiàn)場試驗

油罐內(nèi)油品溫度場現(xiàn)場測溫技術(shù)已逐步走向成熟，從最初的定點溫度測量，到現(xiàn)在應用各種溫度傳感器和智能化儀表進行測溫，不僅能夠?qū)τ推窚囟葘崟r監(jiān)測，且比以往溫度測量的測量時段更長；另一方面，測溫技術(shù)逐漸數(shù)字化、智能化和總線化，簡便了溫度的測量和數(shù)據(jù)的分析。

王明吉[17-18]等通過對儲罐中原油溫度的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理分析，得出原油儲罐縱向溫度分布規(guī)律，為了節(jié)能降耗和延長油品在儲罐中的停留時間，提出了對儲罐浮船采取保溫措施的方法。于達等[19-20]利用熱敏電阻作為測溫元件，采用類總線式的監(jiān)測模式，制作出了大型浮頂油罐溫度監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有簡便經(jīng)濟、安全可靠的優(yōu)點，并且實現(xiàn)了溫度測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)字化發(fā)展。饒心[21]等以PC/104 嵌入式主機和DS18B20 數(shù)字溫度傳感器為設(shè)計材料，采用單總線協(xié)議模式，研制了大型儲罐溫度監(jiān)測裝置，不僅優(yōu)化了布線方式，并且在數(shù)據(jù)的儲存和傳輸方面也有了一定的優(yōu)化。李建樹[22]等早在1996年提出了一種新的油罐測量方法：以鉑為電阻材料的兩個熱電阻溫度傳感器測量儲罐內(nèi)油品的溫度，并將測得的定點溫度進行線性修正，這種方法大大提高了測量的精度。朱秀峰[23]等研制一套溫度實時檢測和報警系統(tǒng)，實現(xiàn)了對監(jiān)測點溫度的測量、記錄和安全報警，同時探討了儲罐的溫度分布規(guī)律。在采用測溫點監(jiān)測時，如果所布置的測溫點較少，所得到的測溫數(shù)據(jù)雖然可以對原油平均溫度進行估計，原油的整體溫降情況也可以大致得到，但不能反映油罐內(nèi)原油的溫度場分布狀態(tài)[24-25]；如果所布置的測溫點較多，所得到的測溫數(shù)據(jù)雖能得到油罐內(nèi)原油溫度場的大體分布狀態(tài)，但也無法得知罐內(nèi)所有位置原油的溫度，且得到的油罐溫度場變化規(guī)律僅適用于某一類特定油罐，并不能適用于所有儲罐。可見，采用現(xiàn)場直接測試的方法比較好，對于特定的工程問題所得出的結(jié)果也比較可靠，但其也有一定的缺點：局限性較大，只能在條件相同的情況下使用；所得參數(shù)關(guān)系比較片面，只能反映個別參數(shù)之間的關(guān)系，不能反映對象的全部本質(zhì)；預期結(jié)果不理想，不能得到適用于任意現(xiàn)場條件下各種油罐的溫度場的分布情況與變化規(guī)律。

2 研究中存在的問題

綜合研究資料來看，在含蠟原油靜儲降溫膠凝過程的傳熱流動研究方法當中，單一采用現(xiàn)場試驗，只能針對某一特定位置的溫度變化，給出大體變化趨勢，無法得到油罐的空間溫度場分布。應用數(shù)值模擬研究，需要建立考慮全面的物理模型并進行數(shù)值求解，雖然可以得到溫度場、流場的分布規(guī)律，但數(shù)值結(jié)果的準確性卻無從考證。

在含蠟原油靜儲降溫膠凝過程的傳熱流動機理研究方面，一般都是理想的將儲罐所處熱環(huán)境簡化為定解條件處理，即規(guī)定了儲罐與熱環(huán)境間的表面換熱系數(shù)及周圍熱環(huán)境的溫度，導致研究過程中原油的傳熱與流動特性以及膠凝相變特性都是遵循著持續(xù)的衰減模式發(fā)展，但在實際自然熱環(huán)境中，儲罐所處的太陽輻射、大氣溫度、土壤溫度等邊界均表現(xiàn)出依時的動態(tài)變化規(guī)律，使得罐內(nèi)含蠟原油傳熱與流動過程呈現(xiàn)出震蕩波動式的變化，并且受此影響，罐頂、罐壁以及罐底會形成的不均勻膠凝結(jié)構(gòu)，實際情況與當前研究存在一定的偏差。

3 結(jié)論

含蠟原油儲罐作為一個大尺度空間，其內(nèi)含蠟原油的傳熱與流動過程極為復雜，涉及到多種傳熱方式，同時又與油罐結(jié)構(gòu)、固液相變等因素密切相關(guān)，為了解決含蠟原油罐儲過程中存在的動態(tài)熱環(huán)境變化與含蠟原油物性特征等交叉因素對降溫膠凝過程相變傳熱特性影響的機制問題，有必要運用原油流變學、高等傳熱學、復雜流體力學等相關(guān)理論，選擇采取理論建模、數(shù)值模擬、現(xiàn)場罐外環(huán)境和罐內(nèi)溫度場測試等多種手段，開展含蠟原油罐儲外部動態(tài)熱環(huán)境的物理描述，提出含蠟原油靜儲降溫膠凝過程的多因素交叉作用機理，為原油儲備企業(yè)制訂科學罐儲方案提供了技術(shù)支持。