大型油罐内油料加热技术及温度场研究

大型油罐内油料加热技术及温度场研究

随着世界能源需求的增加和世界能源需求的紧张，石油供应与一个国家的安全和稳定密切相关。大型储油储备库的发展可以有效减少能源短缺对社会的影响。现有国家石油储备体系中以大型油罐储存原油及石油产品居多。各类油罐需要根据其形式、储存介质与生产需求等制定运行方案,油品的储存温度通常根据油品物性及其储存、输转等操作需求确定。对于凝点较高或常温下粘度较大的油品,较长时间储存时一般都有最低储存温度要求,当油品需要从油罐外输时尚需考虑泵吸入要求,部分油品还要满足调和操作的要求,若油品温度低于以上要求的最低温度时,则需要对油罐内油品进行加热,以降低其粘度,改善流动性。同时,需要对油罐采取各种保温措施,并不定期实施倒罐操作,以保证生产安全。在制定加热方案与倒罐方案时,需要确定加热温度、加热负荷及倒罐时机,为此,需要准确掌握油罐内油品的温度分布。完善的油罐内油品温度场规律研究能够为制定包括加热方案在内的油罐运行方案提供可靠的依据,从而保障油罐的安全高效运行。1油罐加热方法目前储罐内油品加热的常用热源有水蒸气、热水、热空气和电能。选用的热源应该避免油品过热而降质;当油品加热温度低于95℃时,宜采用压力不超过0.3MPa的蒸汽,并应尽可能利用装置余热产生的蒸汽;当油品加热温度高于120℃时,宜采用压力不低于0.6MPa的蒸汽;若油品加热温度低于50℃,当有利用装置余热产生的热水系统时,可优先采用热水作为热源。油罐加热方法主要有蒸汽直接加热法、蒸汽间接加热法、热水垫层加热法、热油循环加热法和电加热法等。其中,蒸汽直接加热是指将饱和水蒸汽直接通入被加热的油罐油品中;蒸汽间接加热是指使水蒸汽流经油罐中的管式加热器加热油品;热水垫层加热是指通过油品下部的热水垫层向油品传热,热水垫层的热量通过通入的蒸汽补充;热油循环加热是指从油罐中抽取一部分油品,将其加热后再输回油罐加热其余油品,如此循环实现对管内油品的持续加热,被抽取的油品一般在罐外被加热至低于该油品闪点15~20℃的温度;电加热分为电阻加热、感应加热及红外线加热3种方法。基于以上加热方法,国内外发展了许多油罐加热技术,根据其具体实施措施与热力影响的范围,总体上可分为全面加热技术与局部加热技术两大类。1.1加热器的安装油罐全面加热是指通过均匀布置在罐内较低水平位置的加热器对整个储罐内的油品进行加热,主要有3种加热器类型(表1):(1)分段式加热器,亦称梳状加热器,采用无缝钢管焊接而制成,由2~4根平行的管子与两根汇管连接成分段构件,分段构件再以先并联、再串联的形式连成一组,对称布置于距罐底一定距离的水平面上,各组有独立的蒸汽进口和冷凝水出口,并设置一定的坡度以便冷凝水排出。(2)蛇管式加热器,亦称盘管加热器,由一根管子弯成,设置很少的法兰连接,加热器均匀安装在油罐下部并用导向卡箍安装于金属支架上,以便管子可以在温度变化时自由伸缩。(3)U形管式加热器,其管束的形状与U形管换热器类似,管束弯管端露在油罐内,U形管可以在热应力下自由伸缩而不被应力压破,加热器在罐壁外侧用椭圆形法兰封头,其上焊接有蒸汽进口和冷凝水出口,每个加热器相互独立且可以单独工作,同时可以根据具体要求随意选择加热管束的直径、数量、长度及加热器台数。油罐全面加热还可以通过喷洒与电加热等方法实现,主要包括3种技术(表2):(1)热油喷洒加热技术,加热介质为罐内原油,经加热炉加热升温后,通过环形喷洒装置的多个旋流喷嘴喷入浮顶原油储罐内与储存的原油直接混合加热,避免了采用加热盘管内通热水或蒸汽加热方法耗钢量大、运行一段时间后内外结垢而影响原油加热效率等问题。(2)电加热棒加热技术,依靠设置在油品最低工作液面之下的电加热棒对罐内油品进行加热,棒壳由无缝钢管制成,仅端头封堵一道环焊缝,棒内设有电缆作为发热元件,发热部分伸入油品中,有足够的散热面积。(3)浮顶油罐立体结构加热装置,实现了对浮顶罐的间歇加热,即只在收发油时进行全面加热,该装置由底部蒸汽管、安装在浮顶下水平布置的蒸汽管以及垂直布置、贯通凝油层的螺旋状蒸汽管组成。该装置工作原理是,当油罐恢复作业时,启动油罐加热装置,先为浮顶下的蒸汽管供蒸汽,使浮顶下的凝油开始解凝,随后使垂直螺旋加热器流通蒸汽,在垂直方向形成解凝的油品通道,最后启动底部蒸汽管进行主力加热,原油解凝产生的热膨胀可以通过垂直产生的解凝原油通道而向外释放,从而避免油罐内憋压。1.2储油罐网热回收技术多通过布置在罐内收发油管附近的加热器实现,用于粘度不高(50℃低于7×10-5m2/s)且油品温度不会降至凝点以下的油罐。若从油罐中一次发出少量油品,也可对高油位油品采用局部加热技术。油罐局部加热技术发展较快,典型技术有6种(表3)。电磁感应涡流加热技术,可以对全面加热遗留的加热死角进行加热,也可以在仅需局部加热时采用。该技术利用电磁感应原理,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),其在加热线圈导体上产生热效应,达到给导体线圈外部介质加热的目的。新型快速加热器,如WMY系列新型油罐快速加热器是基于WMH涡流热膜系列换热器研发的一种新型油罐快速加热器,采用不锈钢涡流热膜管作为换热元件,以独特的换热元件及先进的内部工艺结构,极大提高了换热器的整体性能,杜绝了采用蒸汽加热罐内油品产生的严重浪费。其工作原理: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,油品在壳程内的管间流动,在换热器的蒸汽入口设置温控阀,通过感温探头检测油品出口温度控制换热器入口蒸汽进量,从而确保油品温度恒定。油罐局部加热浮式输油装置,适用于大型重油油罐的局部加热,可以避免即使少量用油也要将整罐或至少1/3罐油品加热的情况。其工作原理:向具有超导换热作用的翅片换热器及加热管内通入热介质,紧靠翅片换热器及加热管的重油被加热后密度降低,因油罐的约束,被加热重油沿加热管周围形成的高温区域通道上浮,高温油浮至浮式升降器的进油口后,进入浮式升降器内腔并通过输油管输出,随着被加热油品的排出,油罐液位下降,当浮式升降器下降至最低点后其下端的压动开关自动断开,低于进油口高度的高温重油可经压力开关控制的位于浮式升降器末端的开口和管道进入输油管。防爆(普通)储油罐电加热器,能够克服管式加热器的安装维修困难,分为泵出式、外套式与浸入式3种型式,其核心组件为电热管,启动后加热区域的油品首先降粘变稀并被顺利抽出,仅对需要加热的介质进行局部加热,热启动快、用电负荷小,无需对罐内介质进行整体加热,大大节约了能源。太阳能加热技术,太阳能作为一种新型清洁能源得到越来越广泛的利用。因其不连续性,太阳能加热必须以太阳能-电加热组合形式才能保证加热不中断。太阳能加热分为直接加热和间接加热两种方式:直接加热是原油进入太阳能集热器被直接加热;间接加热是通过加热盘管及清水介质加热,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,开启循环泵,蓄热水箱中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。当太阳能不足时,启动电加热器加热,整套系统采用温差自动控制,使油温始终保持恒定。石英热管加热技术,由加热器主体、循环管道、散热件、循环流动导热介质组成。加热器主体包括容纳导热介质的罐体和加热元件,加热元件为电热膜石英热管,浸于导热介质中,加热器以电力为能源,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,将原油加热至预定温度。电热膜石英热管的热效率远高于一般的电阻加热元件,温度可调、可控且安全环保。1.3加热工艺选择油罐加热技术在石油储备系统中占据重要地位,直接影响着石油化工行业的安全生产及国家石油储备事业的稳健发展。以上各种加热技术各有优缺点,应根据具体情况,结合油品性质、作业性质、地区及气温特点、安全因素等选择应用。当进行短时间大量装卸油作业及对极易凝结的油品加热时,采用全面加热技术是合理的,但当仅需装卸少量油品时,应该更多地应用局部加热技术。研究新型储罐加热技术,在当今社会注重环保与可持续发展的主题下,节能环保型加热技术将越来越受关注,间歇加热技术及局部加热技术因能有效降低能源消耗,将会有更大的发展空间,太阳能加热技术因节能清洁环保等优点而应用前景广阔。2油罐传热过程油罐内原油温度分布与变化规律对制定油罐运行方案至关重要,准确预测油罐油品温度场需要全面掌握油罐结构、液位、起始温度、环境条件、油品物性等因素与温度场之间的关系,涉及非常复杂的传热过程,包括自然对流、辐射换热、导热及相变传热等多种传热方式。目前国内外针对油罐油品温度场的研究方法主要有数值模拟、现场测试与模化试验3种。2.1在油罐温度场模拟技术中的应用应用数值模拟方法研究油罐温度场的变化规律,由传统的经验公式法到模型求解,建立的物理数学模型与实际油罐越来越贴近,相应地数值求解过程也越来越复杂。龙明主等利用单元法计算了拱顶油罐顶部的传热系数,分析了环境温度、油罐容积、油罐装满系数及风速等因素对该系数的影响,研究了该系数对罐内原油温度变化的影响。张维志等总结了关于油罐原油温降与加热温升的各种计算方法,给出了在不同情况下原油温降或者加热温升的计算公式。Oliveski等应用有限容积法对顶部和底部绝热的小体积油罐(高0.57m、半径0.21m)热油冷却过程进行数值模拟(SIMPLEC、TDMA、块修正技术、指数格式),得到了温降阶段油罐中原油的温度场和速度场,并将数值计算结果与实测数据进行对比分析,吻合较好。Rodríguez等应用有限容积方法(SIMPEC、SMART、非均分网格)对热水储罐的冷却过程进行模拟,研究了格拉晓夫数、普朗特数、瑞利数、H/D对热水储罐温降的影响,取得较完善的温度场结果。曹勤方将水下砼油罐的温度场变化过程简化为二维非稳态导热过程,应用有限差分法对其进行数值模拟,得到了任意时刻油罐温度场的分布数据,并在此基础上求得了罐壁的温度应力。蒋季洪等对导热微分方程采用控制体积分进行离散,在处理边界条件时,通过总传热系数的形式将罐壁、罐顶、罐底及周围介质对油罐温度场的影响引入计算中,运用VisualBasic软件编制了数值模拟程序,并分析了油罐温度场的变化规律。张丽娜等针对呼吸阀的冻结问题,根据二维稳态导热方程建立了油罐温降的数学模型,考虑了太阳辐射对油罐温度场的影响,应用有限差分法对控制方程进行离散,采用列主元消去法求解代数方程组,得到油罐气体空间的温度分布规律。黄达海等应用ANSYS软件对地下巨型混凝土油罐的温度场和应力场进行模拟分析,但主要侧重于温度应力对罐壁的影响。赵志明应用FLUENT软件对某油罐内原油的温度场变化过程进行短时间的数值模拟,并将计算结果与现场试验结果进行对比,验证了计算结果的可靠性。然而,采用经验公式法计算原油的温度变化,虽简单便捷,但精度有限,计算结果在实际工程中只能作为参考使用。以虚拟油罐为研究对象进行数值模拟,相对于实际油罐,虚拟油罐进行了诸多简化。将油罐内原油的传热过程简化为热传导,应用导热微分方程对其进行数值模拟,这与油罐的实际传热过程存在明显差异。文献[27-28]应用计算软件对油罐温度场进行模拟,其中文献侧重研究温度场与应力场的关系,文献模拟的传热过程虽然与油罐实际情况比较贴近,但计算耗时较多,只能进行短时间模拟,不能应用于工程实践。可见,应用数值模拟技术研究温度场规律,需要建立考虑全面的物理模型并进行数值求解,难度较大;但是,数值模拟技术可以较大程度地节约温度场测试所需成本,提供全面、精确的温度场结果,便于分析油罐温度场的分布规律和变化规律。2.2原油温度监测点布置油罐内油品温度场现场测温技术从最初的定点温度测量,到现在的应用各种温度传感器及技术仪表进行测量,已逐步走向成熟,能够对原油温度进行长时间监测,而且,测温技术正向着数字化和总线化迈进,为温度的实时监测和数据分析提供更加有利的条件。李建树等在油罐不同高度布置两个铂热电阻温度传感器,测量罐内的定点温度,并将其进行线性修正,由此得到平均油温。王明吉等在某油罐量油孔处布置了11个温度传感器,在浮船3个入口处各布置了8个相对浮船位置不变的温度传感器,通过分析传感器记录的温度数据,研究油罐温度场的变化规律。朱秀峰等在某5×104m3油罐上布置了45个温度监测点,对监测点处的温度进行实时监测与记录,通过监测数据及油罐进出口温度、地温、气温等分析油罐内原油纵向、表面原油横向及油罐外壁纵向温度的变化规律。于达等在某油罐的表层、浅层和深层布置了185个温度监测点,在油罐背阴处及附近地下安装测温棒以测量气温和地温,通过分析监测结果,指出浮顶罐内原油存在固态、液态和半固态3种形式,并将停止加热后原油的温降过程分为整体快速降温、凝油层增长及整体低速降温3个阶段。冯德波在某油罐上布设90个测温点监测温度,并实时记录液位,通过数据分析,得出原油储罐温度分布规律及温降规律,重点分析了量油孔、人孔、船腿等位置温度随环境温度的变化规律。饶心将研制的单总线测温装置应用于油罐,在10×104m3浮顶油罐上设计安装了115个测温点,监测点的设计分为表层、浅层、深层和底层4部分,实现了较长时间油罐原油温度场的监测。然而,通过少数测温点的温度数据对原油的平均温度进行估计,虽能大致得到原油整体的温降情况,但不能较好地反映油罐内原油的温度场。通过在油罐上安装较多的温度监测点来获得油罐某一确定位置的温度数据[30,31,32,33,34,35,36],虽能得到油罐温度场的大体分布,但无法获得罐内其他位置原油的温度情况,同时,在现场油罐上安装过多的温度监测点是不现实的,而且其得到的油罐温度场变化相关规律亦只适用于某一特定或某一类特定油罐,并不能适用于所有储罐。可见,采用现场直接测试,对特定的工程问题能够得到较可靠的结果,但其只能在条件相同的情况下使用,具有较大的局限性。同时,所得结果只能反映个别参数之间的关系,不能反映对象的全部本质,更不能得到适用于任意现场条件下各种油罐的温度场分布与变化规律,而应用传热学理论对油罐进行数值模拟,则可以较好地弥补这一不足。2.3模化试验技术。模化试验法模化试验法模化试验是指利用相似的油罐模型进行测试分析进而通过试验研究油罐温度场。相似模型通常采用缩小了的油罐模型,再根据相似理论或量纲分析的方法进行模型试验,确定各类参数群之间的函数关系,将试验结论应用于工程实际。Humphrey在直径6.1m,高2.35m的模拟油罐上进行了油罐周围风速影响试验,分别对油罐空载、半负载、3/4负载3种情况进行测试。任红英开展了模拟油罐的温降试验,对比分析了模拟油罐温降规律及其温度场与大型浮顶油罐的相似程度,指出采用模化试验法测试温度场时,需要调整试验介质的物性,使之达到相应的要求。朱作京等根据传热学及相似原理,研制了一个与真实油罐相似的模拟罐,在保证模拟罐储油温降过程与真实油罐相似的情况下,对模拟油罐的温度场进行测量,由此换算出真实油罐的温度场,进而得出结论:在进行非稳态温度场的模拟试验中,两场相似除了最基本的几何相似以外,还必须保证描述两场的微分方程所涉及的傅里叶准则相同,满足初始条件、边界条件相似,同时在模拟过程中引用常物性的物理条件,而实际上,介质的导热系数等物性参数是随着温度变化而变化的。模化试验法可以将某种模拟流体试验结果推广应用于其他实际流体,可将小尺寸设备的试