浮顶油罐盘管加热过程数值模拟研究

伍咏德（大庆油田有限责任公司第九采油厂）

石油是现代工业的“血液”，关系着经济发展和能源安全[1]。我国是世界上最大的原油进口国[2]，2020年我国原油进口量达5.4×108t，同比增长7.3%，原油进口增速高于国内原油产量增速，对外依存度在持续扩大[3]。浮顶油罐是我国战略储油的重要设备，在原油储存过程中常采用盘管加热原油的方式改善其流动性，保证油罐各项工作安全进行。目前，对盘管加热温度场及流场的研究主要集中在数值模拟方面[4-5]。建立了小型油罐的简化模型，数值分析了罐内原油的自然温降过程及流动规律，模拟结果与实测数据吻合较好。丁原研究了不同位置盘管的加热效果，研究发现当盘管距离罐壁较近时，油温分布更加均匀，与远离罐壁和居中布置两种盘管位置相比，相同加热功率下可有效提升加热效率6%～10%。建立了管式加热方式下蜡质原油的流动传热模型，研究发现管式加热过程中蜡质原油的热过程分为局部热响应、热扩散、全局热响应、凝胶油消除四个阶段，油罐顶壁和侧壁的热损失功率受到盘管的显著影响。孙巍等数值研究了盘管结构、布置方式、蒸汽温度等因素对原油温度场及流场的影响，考虑原油的可变物理参数和动态热环境，建立了储罐加热过程的能耗评价指标，分析了不同盘管结构加热过程的油箱油位、盘管加热功率的能耗机制。王晓东[6-7]从盘管结构参数和工艺参数两方面开展管式加热工艺优化，确定了盘管最优外径、最佳布置位置及不同容量油罐在不同液位下的最佳加热温度。上述研究多是从盘管位置，管径尺寸及盘管加热功率等角度分析原油传热特性与盘管加热效果。

从增强换热角度，在光管盘管的基础上增设翅片，采用数值模拟法研究不同翅片数盘管对管式加热下油罐的温度场分布、流场运动规律及罐顶、罐底、罐壁的温度与热流密度的影响。综合上述研究以期获得更科学的加热方案，实现低碳、节能的目标，为工程实际提供科学指导[8-9]。

1 模型与求解

1.1 物理模型

以静储浮顶油罐为模拟对象，油罐直径80 m，罐高10 m。油罐罐顶、罐底均由厚度为0.01 m的钢板构成，罐壁外侧包裹厚度为0.06 m的保温层。油罐采用5根直径为0.05 m、间距为0.5 m的盘管对原油加热，盘管水平布于距离罐底0.5 m处，最外侧距离侧壁面2 m。考虑到油罐四周土壤与环境对油罐的热影响，土壤部分热力影响范围为距罐壁7 m处。由此，大型浮顶油罐几何模型如图1所示。在光管盘管基础上，共设计了三种翅片形式，有2翅片，4翅片，6翅片三种形式。

图1 大型浮顶油罐几何模型Fig.1 Geometric model of large floating roof tank

1.2 有限元网格模型

1.2.1 边界条件

油罐模拟过程中其罐顶、罐壁、土壤、盘管表面都需要设置边界条件。

设定油罐外界环境温度为20℃，平均风速6 m/s，罐顶同时考虑了太阳辐射的影响，加热盘管表面设为恒温80℃。罐内原油初温为35℃，参考密度为860 kg/m3，热膨胀系数取0.000 62 K-1。土壤部分初始温度为30℃，其底部温度恒为10℃[10-11]。

1.2.2 求解方法

考虑到盘管加热过程中原油实际传热和流动过程，采用大涡模拟法求解原油湍流流动，Boussinesq假设描述密度变化的问题。算法采用求解压力-速度耦合的SIMPLE算法，扩散项为有限中心差分格式离散。

浮顶油罐网格划分如图2，考虑到翅片盘管几何结构不规则，其周围原油温度梯度较大等影响因素，采用分块划分的方法对上述部分单独划分并进行加密。对于罐顶、罐底、罐壁等温度变化剧烈区域划分非均匀网格进行局部加密。对网格及步长进行独立性验证，认为当网格数为187 614、时间步长为10 s时，计算结果独立。

图2 浮顶油罐网格划分Fig.2 Grid division of floating roof tank

1.2.3 节能量计算

添加肋片之后，利用下面公式计算原油加热过程的节能量：

式中：Φ为节能量，kJ；m为原油总质量（按照罐体体积与原油密度计算值为50.24），t；cp为原油比热（取值为1.9），kJ/kg；Δt为加热温差，即采用肋片后原油内平均温度与不加肋片时的差值，k。

2 结果与分析

四种盘管在不同加热时间的油区温度分布如图3所示，加热盘管水平布于浮顶油罐底部，当盘管翅片数分别为0翅片、2翅片、4翅片及6翅片时，对油罐进行20 d加热模拟，取加热时长为2 d、10 d及20 d的温度场云图进行对比。加热2 d时，由于加热时间较短，四种盘管的温度场变化均不明显，仅盘管周围出现热羽流沿盘管→罐壁→罐顶流动。热羽流为加热过程自然产生，其成因为：盘管周围原油吸热升温后密度减小，与罐内其他部分原油产生密度差，此部分原油受浮力影响向罐顶流动。加热10 d时，随着加热时间增加罐顶原油不断汇聚，2翅片、4翅片及6翅片盘管加热下罐顶原油升温明显；0翅片盘管加热下原油仅出现热羽流尾迹，无明显温度分层。加热20 d时，四种盘管中4翅片盘管的加热效果最好，2翅片、6翅片次之，0翅片盘管温度变化最小。可见，相比于光管（0翅片盘管），添加翅片可有效提升盘管加热能力，改善原油温升效果；同时，翅片数量与升温效果具有非线性相关关系，增加翅片数量不一定能实现提高整体油温的目的。

如图3所示，加热使罐内原油形成自然对流，四种盘管在整个加热过程的流动规律相似。加热初期（0～2 d），由于盘管位于油罐底部，盘管附近原油率先被加热，后以盘管区域热油为动力形成一个沿罐底→罐壁→罐顶→油罐中轴线的逆时针漩涡，罐壁受自然对流影响较大，流速较大。加热中期（2～10 d），原油保持逆时针流动，盘管上方原油流速较加热初期减小。加热后期（10～20 d），盘管上方原油流速进一步减小，这是由于原油流动是原油密度差异驱动形成的自然对流，随着加热时间的增加，整体油温升高，原油密度差异逐渐减小，流速减小。其中，2翅片及4翅片加热时盘管上方原油流速较大，其成因为：添加翅片使盘管加热面积增大，盘管附近原油受热更加充分，油温更高，流速增大。6翅片时，原油未能获得较大流速，这与文中翅片数量增多，原油升温效果反而下降对应，该现象可能与翅片扰动、原油温度等因素有关。可见，翅片盘管与光管相同均遵循逆时针流动规律；增加翅片数量一定程度上（2翅片、4翅片时）可以增大原油流速。

图3 四种盘管在不同加热时间的油区温度分布Fig.3 Oil temperature distribution of four kinds of coils at different heating time

四种盘管在不同加热时间的流场分布如图4所示，盘管翅片数量的改变对油罐不同边界的影响不同。对于罐顶，翅片数量的改变对原油温度影响很小，油温变化遵循同一规律，即加热初期（0～2 d）油温迅速升高，较加热开始时温度提升2.2%；加热中期至后期（2～20 d）温升速度明显减缓，加热结束较加热开始时温度提升2.8%。对于罐底，其温升趋势与罐顶相似，至加热中后期时翅片数量等因素的影响开始显现。20 d时，罐底温度在6翅片盘管加热下最高，与光管相比其温升率为0.3%，可见，翅片数量的改变对罐底影响较小。对于罐壁，加热初期高温原油由于压差作用向罐壁偏移，并沿罐壁向罐顶流动，使罐壁得到充分加热，温度升高；随着加热持续进行，原油整体温度均匀升高，流速减缓，近罐壁区域压差降低，高温原油向油罐中心偏移，罐壁开始缓慢升温。结合图5c可见，添加翅片可有效提高罐壁温度，2翅片时罐壁温度最高。

图4 四种盘管在不同加热时间的流场分布Fig.4 Flow field distribution of four kinds of coils at different heating time

图5 四种盘管在罐顶、罐底、罐壁的平均温度曲线Fig.5 Surface heat flux of four kinds of coils at the top，bottom and wall of the tank

添加翅片对原油罐加热量影响如表1所示，无翅片时原油平均加热量为1.23×106kJ/d，按照燃煤加热炉80%热效率计算，大约需燃烧烟煤108 kg。加热10 d时，无翅片时原油平均温度为38.2℃，而添加2翅片与6翅片时原油温度分别为39.4℃与38.7℃，2翅片相比于无翅片时可节能约1.15×105kJ热量，相比于6翅片时也可节能约4.7×104kJ热量。而加热20 d时，无翅片时原油平均温度为39.1℃，而添加2翅片与6翅片时原油温度分别为40.2℃与39.7℃，2翅片相比于无翅片时可节能约1.05×105kJ热量，相比于6翅片时也可节能约5.6×104kJ热量。添加2翅片与6翅片时整个周期平均节约烟煤量为15.2 kg/d与12.6 kg/d。

表1 添加翅片对原油罐加热量影响Tab.1 Effect of adding fins on heating capacity of crude oil tank

四种盘管在罐顶、罐底、罐壁的表面热流密度的关系如图6所示，罐顶、罐底及罐壁热流密度随加热时间逐渐减小，热流密度受翅片数量的影响较小。其中，罐顶处热流密度变化范围最大，为2～39 W/m2，罐底为1～18 W/m2，罐壁为4～6 W/m2。由于罐顶处无保温材料，热阻小，加之罐顶可通过辐射及对流换热方式向外界散热，其在油罐各边界中散热量最大，加热2 d时其热流密度逐渐稳定，较之加热开始时热流密度减小73.8%。罐底处油罐主要以导热方式向底部土壤散热，初始阶段由于罐底与土壤存在较大温差，导致热通量较大，随着边界处热交换持续进行，热流逐渐稳定，第2 d时其热流密度较加热开始时减小80.8%。罐壁处设有保温层，热阻较大，因此其热流密度变化范围较小，热流密度值较之罐顶及罐壁明显减小；添加翅片可减小壁面热流密度，加热20 d时，2翅片加热下罐壁热流密度最小，较光管可减小7.8%。

图6 四种盘管在罐顶、罐底、罐壁的表面热流密度的关系Fig.6 Surface heat flux diagram of four kinds of coils on top，bottom and wall of tank

3 结论

1）盘管外设翅片可有效提升盘管加热能力，改善原油温升效果。然而，翅片数量与升温效果具有非线性相关关系，加热20 d时，在四种加热盘管加热表现中，4翅片时原油整体温升最高，2翅片效果优于6翅片、光管（0翅片）最差。

2）盘管加热下原油遵循逆时针流动规律，增设翅片数量一定程度上可以增大原油流速，促进油罐内部自然对流。翅片数量为2翅片及4翅片时原油流动较快，光管及6翅片时流动较慢。

3）添加翅片对罐顶及罐底温度及热流密度的影响较小，对提高罐壁温度、减小壁面热流密度效果显著。添加2翅片与6翅片时整个周期平均节约烟煤量为15.2 kg/d与12.6 kg/d。