石油储备库油罐内原油局部加热技术

石油储备库油罐内原油局部加热技术

1油气储备库改造随着我国经济的快速发展，石化企业对原油的需求不断增加。目前，中国出口的原油数量接近需求总额的50%。为适应市场和国际形势的不断变化,保障国家的能源安全,必须建设和发展石油储备库,这也是我国原油储运设施发展的必然趋势。据统计,含蜡原油占世界石油储量和管输量的20%,稠油储量与常规石油资源相当。由于石油储备库的主要作用是应对突发事件和防范石油供给风险,原油存放时间通常较长。当原油温度较低时,含蜡原油就会因析蜡而发生构造凝固,稠油就会发生黏温凝固。为了防止罐内原油凝结,顺利输转原油,如果采取储存期间连续加热的方式,将消耗大量的燃料,因此,从节能降耗的角度来科学设计加热方案就显得尤为重要。本文在调研分析各种油罐内原油加热方式的基础上,对油罐长期储存易凝高黏原油后输转作业所需加热方案的选择提出了建议。2原油原油综合加热技术在油罐中2.1盘管加热器加热油罐中的全面加热器按结构形式可分为盘管加热器和梳状加热器。对于要求严格控制含水量的原油加热,全面连续加热宜采用盘管加热器。它是一种用长管子弯曲制成的管式加热器,常采用无缝钢管焊接而成,盘管在油罐下部均匀分布。对于不要求严格控制含水量的原油加热和进行间歇加热作业并需要经常调节加热面积的油罐,宜采用梳状加热器。这种加热器采用梳状分组加热排管,由若干个分段构件组成,每一分段构件由几根平行管子与两根汇管连接而成。几个分段构件以并联-串联的形式联成一组,每组设有独立的蒸汽进口和冷凝水出口。当某组发生故障时,可单独关闭发生故障的组,应用其他各组继续对原油加热。上述两种加热器各有特点,盘管加热器加热均匀,使用寿命长,但制作费工;梳状加热器制作容易,但热量分布不均匀,焊口较多,容易发生渗漏。2.2热压的施加设计王红菊等认为,如果停止对油罐内原油供热,原油会在浮顶、罐壁和罐底所包围的内沿形成一定厚度和强度的凝油层。在恢复油罐作业时,这些凝油特别是罐顶部的凝油将严重威胁油罐的安全启动。如果按照传统方法从油罐底部加热,罐壁会因罐内部原油的热膨胀而承受额外的附加应力。此外,因罐顶部不同方向凝油层的厚度和强度分布不均匀,还会造成浮顶受力不均。因此,需要在高凝原油储存期间进行连续加热以防罐顶部原油凝结,但这将消耗大量燃料。如果能够只在收发原油时向油罐供热以解凝油罐内的原油并恢复作业温度,而在储存期间不加热,则可以实现节能、高效储存。要实现间歇供热储存,必须消除罐壁的附加应力。针对10×104m3单盘浮顶罐设计并安装了立体结构的加热装置(见图1)。从图1可以看出,底部蒸汽管是加热器的主体,提供熔化凝油和加热原油的全部热能。安装在浮顶下、水平布置的蒸汽管和垂向布置、贯通凝油层的螺旋状蒸汽管作为加热器的辅助结构,用于解凝浮顶处的原油并形成由油罐内部到浮顶连通的液相通道。水平蒸汽管在浮顶下绕行后以螺旋管的形状穿过凝油层,穿过凝油层后通过金属软管分别与底部排水汇管相连接。在经历一个不加热的储存周期后,油罐恢复作业启动加热器时,首先向顶部蒸汽管供热,使浮顶下面一定厚度的凝油熔化,解凝浮顶处的原油并使熔化的原油升温至一定的温度,同时在螺旋管的周围形成一定面积的垂向液流通道。在油罐安全启动的水力条件建立以后,再开始向底部蒸汽管供热。这时油罐内部产生的热膨胀体积可以通过垂向液流通道及时排至浮顶下面,不会在罐内引起憋压。油罐底部开始供热后,可以根据需要确定供热强度,以满足快速恢复作业的要求。在油罐中的凝油全部熔化并加热到允许的作业温度后,油罐所有的条件和状态与保温储存相同,按照保温储存的规程操作。通过安全计算校核认为,该立体结构的加热装置可以在间歇供热条件下储存已降温的高凝原油,油罐在加热解凝时可以有效地泄放膨胀压力,罐壁不会承受附加应力,浮顶受力平稳。模型试验结果显示,在流过单位液流通道面积的原油膨胀体积大于原型罐数倍的条件下,模型罐内没有明显憋压。由于客观条件的限制,该成果的可靠性还有待于通过现场试验作进一步验证。2.3传统罐内加热器主要的问题管式全面加热是间接加热方法,加热介质与原油不直接接触,因此不会留存于原油中而影响其质量。该方法适用于一切原油的加热,目前得到广泛应用。对于常温条件下易凝高黏原油的长期储存,通过全面加热的方式能够有效地解决原油凝结所提出的一系列问题,如罐壁的附加应力和罐顶部的平稳性等问题[4～6],但同时也不可避免地存在弊端:(1)换热效率低,蒸汽耗量大。传统罐内加热器对原油的加热是一种静止的自然对流换热,其放热系数极低。由于换热效率低,冷凝水温度高,常伴随着大量蒸汽排出。同时,由于在加热管表面的原油温度过高,在换热管高温面滞留时间过长,极易产生分解,结聚于换热表面,容易结焦,阻碍热量的传递,影响换热效率。(2)加热过程不合理。当只需要少量的原油时,也要对整个油罐全部进行加热,浪费大量的蒸汽。(3)生产效率低,加热时间长。(4)罐内各部分原油温度不均衡。靠近加热器的原油温度较高,远离加热器的原油温度较低,抽油点的温度更低,严重影响了出油的流动性。3油罐局部加热器由于局部加热可以避免热能的浪费,实现节能降耗,已经有越来越多的加热器研究部门和生产厂家致力于局部加热器的研发。油罐局部加热器通常安装在油罐罐壁出油口处,通过对罐内重质原油的局部加热,降低罐内局部原油的黏度,减小泵吸入管道的阻力降,以满足泵的吸入要求,实现原油的转输。油罐局部加热器主要由管程和壳程组成,加热介质走管程,通常为低压蒸汽和热水;罐内介质走壳程。管程安装在罐外;壳程进口布置在罐内,出口接转输泵的入口管道,布置在罐外。3.1浮式升降器油罐油罐局部加热浮式输油装置属于大型重油油罐加热装置。其特征是:换热器和在其上方的小油罐都固定在油罐底部;浮式升降器经支架支承固定于油罐底部;升降器上端有浮筒和进油口,下端有压动开关和出油口;出油口与输油管接通;加热管穿入输油管和升降器的内腔后穿出油罐。该装置加热效率高,可根据不同的用量确定相应的加热时间,具有加热并输送少量重油的特点。3.2介质走管程WMY系列新型油罐快速加热器是在WMH涡流热膜系列换热器的基础上研发的一种新型油罐快速加热器。涡流热膜换热器沿油罐径向伸入油罐底部,热媒介质(蒸汽)走管程,原油从壳程内的管间流动。它采用先进的不锈钢涡流热膜管作为换热元件。独特的换热元件及先进的内部工艺结构,使该加热器具有加热效率高、耐腐蚀、耐高温、阻垢防垢等优点,极大地提高了换热器整体性能,降低了对罐内原油加热所需的蒸汽量。以中国石化济南分公司的150BS型原油库为例,在500m3油罐上安装了这种新型油罐快速加热器。通过运行测试并与原列管式加热器的比较发现,该新型快速加热器加热效果较为理想。3.3电加热器的运用长期以来,油罐加热主要采用管式加热器,但是管式加热器存在事故率高、检修维护困难和能耗高等问题,而使用电加热器则能有效克服这些问题。目前油罐电加热器主要有泵出式、外套式和浸入式3种形式。3.3.1泵转输出出气泵出式电加热器核心组件是电热管。靠近电热管附近(加热区域)的原油首先被加热以达到降黏的目的,然后通过泵转输出去。油罐泵出式电加热器结构如图2所示。该加热器主要适用于加热油罐内各种黏性介质,使之局部变稀后可以用泵顺利抽取。其优点是仅对需要泵出的介质进行局部加热即可操作,热启动快,用电负荷小,无须对整个储罐内介质全部加热,大大节约了能源,提高了泵出黏性介质的效率。3.3.2罐顶部区域加热浸入式电加热器由法兰组成电加热管组(见图3),直接由罐顶部插入储罐内,电热管与罐内介质直接接触进行加热。一般以电热管密度较大、表面负荷较小为宜。其优点是加热部分全在介质中,热效率高,还避免了在罐上开孔。3.3.3罐体底部罐内导电材料的更换外套式电加热器适用于各种油罐的加热。外套式加热储罐分普通型和防爆型两种,结构形式有两种:(1)电热炉芯、夹套。整个安装在罐体底部,夹套内装有导热较好的导热油作传热介质,炉芯可拆卸更换;(2)用特殊的陶瓷件作为绝缘材料,以镍铬丝作为发热元件,以碳钢或不锈钢管作护套的电加热产品。由于电加热器的主要加热元件是电热棒,对于液面有较大波动的油罐,电加热会出现干烧现象,很容易烧坏电热棒,因此需要定期更换电热棒。目前,由于我国电力供应比较紧张和电能成本最高,因此至今电加热器的使用还不是很普遍。3.4导电电极的加热原理电磁感应加热实际上是电加热的一种改进加热技术。该加热器克服了电加热的一些弊端,解决了电加热棒经常被烧坏的问题,避免了有时因电加热棒局部受热过高、温度控制不当而引发的火灾。这种加热器操作简易、发热均匀、加热方式安全可靠、成本低、传热效果好、表面热负荷载量高以及不受加热液体介质液位的限制。电磁感应加热装置有电源供应系统、涡流感应器、导热体、传感器等几部分组成。利用电磁感应原理,在导体线圈上接入工频交流电源,生成环形电流磁场,产生感应电流———涡流。这些电流在加热线圈的导体上产生热效应,从而达到给导体线圈外部介质加热的目的(环形导体线圈本身并不发热)。在给油罐加热时,通入工频交流电源,导体线圈生成电流感应磁场,在加热棒导体内产生热效应,使电磁棒体周围原油温度升高。辽河油田曾使用电磁感应加热装置对几个不同区块的数座50m3油罐进行加热,调节输出电压(AC)为60V,电流90A,同时工作3组,功率15kW。加热6h罐内原油就升到了用普通电加热方式加热十几小时所达到的温度。对于液面有较大波动的油罐,普通电加热由于会出现干烧现象,经过一定时期就需要更换加热棒,而电磁感应加热则不会出现这种问题。电磁感应加热装置目前多用于小型油罐加热,对大型油罐加热,此技术还不成熟,还需进一步实践。3.5热介质的加热这种石英热管油罐加热器技术属采暖加热技术领域,它由加热器主体、循环管道和散热件组成,三者间循环流动导热介质。主体构成中包括盛装导热介质的罐体和加热元件,加热元件浸入导热介质中,加热元件为电热膜石英热管。电热膜石英热管的热效率可达98%,远高于一般的电阻加热元件,加热温度可调、可控。石英热管油罐加热器以电力为能源,以高效耐用的石英热管为加热元件,将电能转换为热能,再以管道传输的方式将热量传递到油罐中,将原油加热到预定要求。用其替代现有的油罐加热方式,能源费用可节省约80%,具有环保、安全和加热性能稳定等优点。3.6太阳能-加热原油随着现代科技的发展,太阳能被越来越多的行业利用。但是考虑到太阳能的不连续性,通常还要采用另一种辅助加热设施。因此,太阳能-电加热原油储运系统的应用研究越来越得到关注。利用太阳能加热原油,可以采用直接加热和间接加热两种方式。直接加热方式是原油进入太阳能集热器被直接加热,是原油受热过程中效率较高的一种方式。但存在以下不足:(1)由于太阳辐射能量的变化,集热器内的温度有时较高,这时集热器内的原油可能会产生结垢现象;(2)由于原油黏度较大且存在结垢,集热器的清洗难度较大。目前,太阳能直接加热原油的关键技术还不成熟。而采用间接加热方式必须增加加热盘管,并且把清水作为传热介质,将收集的太阳辐射能传递给油罐中的原油,效率不如直接加热方式高。但从系统安全性、可靠性和维护、维修、安装调试的角度看,采用间接加热方式可以最大限度地利用现有成熟的太阳能集热及热交换技术,此方式安全可靠且运行稳定。太阳能-电加热中的电加热部分一般也有两种方式,即直接加热和间接加热。间接加热方式没有直接加热方式效率高,但由于采用电与太阳能组合加热,间接加热方式便于自动控制,操作简单。太阳能-电加热原油的储运系统主要包括水路装置、储油装置和控制装置,控制装置分别与水路装置和储油装置电路连接,水路装置和储油装置通过加热盘管来连接。水路装置由水箱、电加热器、加热盘管及循环水泵等组成,储油装置由磁效液位仪、油罐及其附件组成,控制装置含控制箱及配套组件。该系统工作原理是:原油密闭进入油罐后,在正常太阳能辐射条件下,依靠太阳能加热,循环泵开启,蓄热水箱的低温热水经控制阀门进入太阳能集热器加热后回蓄热水箱,再通过另一台循环泵进入加热盘管,与原油换热后经控制阀门回蓄热水箱中。在太阳能不足的条件下,启动电加热器进行加热。整套系统采用温差自动控制,使油温始终保持一定的温度。4浮顶油罐加热方式的选择(1)浮顶式储罐安装立体结构的加热装置,可以采用间歇供热方式储存易凝高黏原油,储罐在加热解凝时可以有效地泄放膨胀压力,罐壁不会因此承受附加