伍詠德（大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠）

石油是現(xiàn)代工業(yè)的“血液”，關(guān)系著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源安全[1]。我國是世界上最大的原油進(jìn)口國[2]，2020年我國原油進(jìn)口量達(dá)5.4×108t，同比增長7.3%，原油進(jìn)口增速高于國內(nèi)原油產(chǎn)量增速，對外依存度在持續(xù)擴(kuò)大[3]。浮頂油罐是我國戰(zhàn)略儲(chǔ)油的重要設(shè)備，在原油儲(chǔ)存過程中常采用盤管加熱原油的方式改善其流動(dòng)性，保證油罐各項(xiàng)工作安全進(jìn)行。目前，對盤管加熱溫度場及流場的研究主要集中在數(shù)值模擬方面[4-5]。建立了小型油罐的簡化模型，數(shù)值分析了罐內(nèi)原油的自然溫降過程及流動(dòng)規(guī)律，模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合較好。丁原研究了不同位置盤管的加熱效果，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)盤管距離罐壁較近時(shí)，油溫分布更加均勻，與遠(yuǎn)離罐壁和居中布置兩種盤管位置相比，相同加熱功率下可有效提升加熱效率6%～10%。建立了管式加熱方式下蠟質(zhì)原油的流動(dòng)傳熱模型，研究發(fā)現(xiàn)管式加熱過程中蠟質(zhì)原油的熱過程分為局部熱響應(yīng)、熱擴(kuò)散、全局熱響應(yīng)、凝膠油消除四個(gè)階段，油罐頂壁和側(cè)壁的熱損失功率受到盤管的顯著影響。孫巍等數(shù)值研究了盤管結(jié)構(gòu)、布置方式、蒸汽溫度等因素對原油溫度場及流場的影響，考慮原油的可變物理參數(shù)和動(dòng)態(tài)熱環(huán)境，建立了儲(chǔ)罐加熱過程的能耗評價(jià)指標(biāo)，分析了不同盤管結(jié)構(gòu)加熱過程的油箱油位、盤管加熱功率的能耗機(jī)制。王曉東[6-7]從盤管結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)兩方面開展管式加熱工藝優(yōu)化，確定了盤管最優(yōu)外徑、最佳布置位置及不同容量油罐在不同液位下的最佳加熱溫度。上述研究多是從盤管位置，管徑尺寸及盤管加熱功率等角度分析原油傳熱特性與盤管加熱效果。

從增強(qiáng)換熱角度，在光管盤管的基礎(chǔ)上增設(shè)翅片，采用數(shù)值模擬法研究不同翅片數(shù)盤管對管式加熱下油罐的溫度場分布、流場運(yùn)動(dòng)規(guī)律及罐頂、罐底、罐壁的溫度與熱流密度的影響。綜合上述研究以期獲得更科學(xué)的加熱方案，實(shí)現(xiàn)低碳、節(jié)能的目標(biāo)，為工程實(shí)際提供科學(xué)指導(dǎo)[8-9]。

1 模型與求解

1.1 物理模型

以靜儲(chǔ)浮頂油罐為模擬對象，油罐直徑80 m，罐高10 m。油罐罐頂、罐底均由厚度為0.01 m的鋼板構(gòu)成，罐壁外側(cè)包裹厚度為0.06 m的保溫層。油罐采用5根直徑為0.05 m、間距為0.5 m的盤管對原油加熱，盤管水平布于距離罐底0.5 m處，最外側(cè)距離側(cè)壁面2 m。考慮到油罐四周土壤與環(huán)境對油罐的熱影響，土壤部分熱力影響范圍為距罐壁7 m處。由此，大型浮頂油罐幾何模型如圖1所示。在光管盤管基礎(chǔ)上，共設(shè)計(jì)了三種翅片形式，有2翅片，4翅片，6翅片三種形式。

圖1 大型浮頂油罐幾何模型Fig.1 Geometric model of large floating roof tank

1.2 有限元網(wǎng)格模型

1.2.1 邊界條件

油罐模擬過程中其罐頂、罐壁、土壤、盤管表面都需要設(shè)置邊界條件。

設(shè)定油罐外界環(huán)境溫度為20℃，平均風(fēng)速6 m/s，罐頂同時(shí)考慮了太陽輻射的影響，加熱盤管表面設(shè)為恒溫80℃。罐內(nèi)原油初溫為35℃，參考密度為860 kg/m3，熱膨脹系數(shù)取0.000 62 K-1。土壤部分初始溫度為30℃，其底部溫度恒為10℃[10-11]。

1.2.2 求解方法

考慮到盤管加熱過程中原油實(shí)際傳熱和流動(dòng)過程，采用大渦模擬法求解原油湍流流動(dòng)，Boussinesq假設(shè)描述密度變化的問題。算法采用求解壓力-速度耦合的SIMPLE算法，擴(kuò)散項(xiàng)為有限中心差分格式離散。

浮頂油罐網(wǎng)格劃分如圖2，考慮到翅片盤管幾何結(jié)構(gòu)不規(guī)則，其周圍原油溫度梯度較大等影響因素，采用分塊劃分的方法對上述部分單獨(dú)劃分并進(jìn)行加密。對于罐頂、罐底、罐壁等溫度變化劇烈區(qū)域劃分非均勻網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。對網(wǎng)格及步長進(jìn)行獨(dú)立性驗(yàn)證，認(rèn)為當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為187 614、時(shí)間步長為10 s時(shí)，計(jì)算結(jié)果獨(dú)立。

圖2 浮頂油罐網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid division of floating roof tank

1.2.3 節(jié)能量計(jì)算

添加肋片之后，利用下面公式計(jì)算原油加熱過程的節(jié)能量：

式中：Φ為節(jié)能量，kJ；m為原油總質(zhì)量（按照罐體體積與原油密度計(jì)算值為50.24），t；cp為原油比熱（取值為1.9），kJ/kg；Δt為加熱溫差，即采用肋片后原油內(nèi)平均溫度與不加肋片時(shí)的差值，k。

2 結(jié)果與分析

四種盤管在不同加熱時(shí)間的油區(qū)溫度分布如圖3所示，加熱盤管水平布于浮頂油罐底部，當(dāng)盤管翅片數(shù)分別為0翅片、2翅片、4翅片及6翅片時(shí)，對油罐進(jìn)行20 d加熱模擬，取加熱時(shí)長為2 d、10 d及20 d的溫度場云圖進(jìn)行對比。加熱2 d時(shí)，由于加熱時(shí)間較短，四種盤管的溫度場變化均不明顯，僅盤管周圍出現(xiàn)熱羽流沿盤管→罐壁→罐頂流動(dòng)。熱羽流為加熱過程自然產(chǎn)生，其成因?yàn)椋罕P管周圍原油吸熱升溫后密度減小，與罐內(nèi)其他部分原油產(chǎn)生密度差，此部分原油受浮力影響向罐頂流動(dòng)。加熱10 d時(shí)，隨著加熱時(shí)間增加罐頂原油不斷匯聚，2翅片、4翅片及6翅片盤管加熱下罐頂原油升溫明顯；0翅片盤管加熱下原油僅出現(xiàn)熱羽流尾跡，無明顯溫度分層。加熱20 d時(shí)，四種盤管中4翅片盤管的加熱效果最好，2翅片、6翅片次之，0翅片盤管溫度變化最小?？梢姡啾扔诠夤埽?翅片盤管），添加翅片可有效提升盤管加熱能力，改善原油溫升效果；同時(shí)，翅片數(shù)量與升溫效果具有非線性相關(guān)關(guān)系，增加翅片數(shù)量不一定能實(shí)現(xiàn)提高整體油溫的目的。

如圖3所示，加熱使罐內(nèi)原油形成自然對流，四種盤管在整個(gè)加熱過程的流動(dòng)規(guī)律相似。加熱初期（0～2 d），由于盤管位于油罐底部，盤管附近原油率先被加熱，后以盤管區(qū)域熱油為動(dòng)力形成一個(gè)沿罐底→罐壁→罐頂→油罐中軸線的逆時(shí)針漩渦，罐壁受自然對流影響較大，流速較大。加熱中期（2～10 d），原油保持逆時(shí)針流動(dòng)，盤管上方原油流速較加熱初期減小。加熱后期（10～20 d），盤管上方原油流速進(jìn)一步減小，這是由于原油流動(dòng)是原油密度差異驅(qū)動(dòng)形成的自然對流，隨著加熱時(shí)間的增加，整體油溫升高，原油密度差異逐漸減小，流速減小。其中，2翅片及4翅片加熱時(shí)盤管上方原油流速較大，其成因?yàn)椋禾砑映崞贡P管加熱面積增大，盤管附近原油受熱更加充分，油溫更高，流速增大。6翅片時(shí)，原油未能獲得較大流速，這與文中翅片數(shù)量增多，原油升溫效果反而下降對應(yīng)，該現(xiàn)象可能與翅片擾動(dòng)、原油溫度等因素有關(guān)?？梢?，翅片盤管與光管相同均遵循逆時(shí)針流動(dòng)規(guī)律；增加翅片數(shù)量一定程度上（2翅片、4翅片時(shí)）可以增大原油流速。

圖3 四種盤管在不同加熱時(shí)間的油區(qū)溫度分布Fig.3 Oil temperature distribution of four kinds of coils at different heating time

四種盤管在不同加熱時(shí)間的流場分布如圖4所示，盤管翅片數(shù)量的改變對油罐不同邊界的影響不同。對于罐頂，翅片數(shù)量的改變對原油溫度影響很小，油溫變化遵循同一規(guī)律，即加熱初期（0～2 d）油溫迅速升高，較加熱開始時(shí)溫度提升2.2%；加熱中期至后期（2～20 d）溫升速度明顯減緩，加熱結(jié)束較加熱開始時(shí)溫度提升2.8%。對于罐底，其溫升趨勢與罐頂相似，至加熱中后期時(shí)翅片數(shù)量等因素的影響開始顯現(xiàn)。20 d時(shí)，罐底溫度在6翅片盤管加熱下最高，與光管相比其溫升率為0.3%，可見，翅片數(shù)量的改變對罐底影響較小。對于罐壁，加熱初期高溫原油由于壓差作用向罐壁偏移，并沿罐壁向罐頂流動(dòng)，使罐壁得到充分加熱，溫度升高；隨著加熱持續(xù)進(jìn)行，原油整體溫度均勻升高，流速減緩，近罐壁區(qū)域壓差降低，高溫原油向油罐中心偏移，罐壁開始緩慢升溫。結(jié)合圖5c可見，添加翅片可有效提高罐壁溫度，2翅片時(shí)罐壁溫度最高。

圖4 四種盤管在不同加熱時(shí)間的流場分布Fig.4 Flow field distribution of four kinds of coils at different heating time

圖5 四種盤管在罐頂、罐底、罐壁的平均溫度曲線Fig.5 Surface heat flux of four kinds of coils at the top，bottom and wall of the tank

添加翅片對原油罐加熱量影響如表1所示，無翅片時(shí)原油平均加熱量為1.23×106kJ/d，按照燃煤加熱爐80%熱效率計(jì)算，大約需燃燒煙煤108 kg。加熱10 d時(shí)，無翅片時(shí)原油平均溫度為38.2℃，而添加2翅片與6翅片時(shí)原油溫度分別為39.4℃與38.7℃，2翅片相比于無翅片時(shí)可節(jié)能約1.15×105kJ熱量，相比于6翅片時(shí)也可節(jié)能約4.7×104kJ熱量。而加熱20 d時(shí)，無翅片時(shí)原油平均溫度為39.1℃，而添加2翅片與6翅片時(shí)原油溫度分別為40.2℃與39.7℃，2翅片相比于無翅片時(shí)可節(jié)能約1.05×105kJ熱量，相比于6翅片時(shí)也可節(jié)能約5.6×104kJ熱量。添加2翅片與6翅片時(shí)整個(gè)周期平均節(jié)約煙煤量為15.2 kg/d與12.6 kg/d。

表1 添加翅片對原油罐加熱量影響Tab.1 Effect of adding fins on heating capacity of crude oil tank

四種盤管在罐頂、罐底、罐壁的表面熱流密度的關(guān)系如圖6所示，罐頂、罐底及罐壁熱流密度隨加熱時(shí)間逐漸減小，熱流密度受翅片數(shù)量的影響較小。其中，罐頂處熱流密度變化范圍最大，為2～39 W/m2，罐底為1～18 W/m2，罐壁為4～6 W/m2。由于罐頂處無保溫材料，熱阻小，加之罐頂可通過輻射及對流換熱方式向外界散熱，其在油罐各邊界中散熱量最大，加熱2 d時(shí)其熱流密度逐漸穩(wěn)定，較之加熱開始時(shí)熱流密度減小73.8%。罐底處油罐主要以導(dǎo)熱方式向底部土壤散熱，初始階段由于罐底與土壤存在較大溫差，導(dǎo)致熱通量較大，隨著邊界處熱交換持續(xù)進(jìn)行，熱流逐漸穩(wěn)定，第2 d時(shí)其熱流密度較加熱開始時(shí)減小80.8%。罐壁處設(shè)有保溫層，熱阻較大，因此其熱流密度變化范圍較小，熱流密度值較之罐頂及罐壁明顯減??；添加翅片可減小壁面熱流密度，加熱20 d時(shí)，2翅片加熱下罐壁熱流密度最小，較光管可減小7.8%。

圖6 四種盤管在罐頂、罐底、罐壁的表面熱流密度的關(guān)系Fig.6 Surface heat flux diagram of four kinds of coils on top，bottom and wall of tank

3 結(jié)論

1）盤管外設(shè)翅片可有效提升盤管加熱能力，改善原油溫升效果。然而，翅片數(shù)量與升溫效果具有非線性相關(guān)關(guān)系，加熱20 d時(shí)，在四種加熱盤管加熱表現(xiàn)中，4翅片時(shí)原油整體溫升最高，2翅片效果優(yōu)于6翅片、光管（0翅片）最差。

2）盤管加熱下原油遵循逆時(shí)針流動(dòng)規(guī)律，增設(shè)翅片數(shù)量一定程度上可以增大原油流速，促進(jìn)油罐內(nèi)部自然對流。翅片數(shù)量為2翅片及4翅片時(shí)原油流動(dòng)較快，光管及6翅片時(shí)流動(dòng)較慢。

3）添加翅片對罐頂及罐底溫度及熱流密度的影響較小，對提高罐壁溫度、減小壁面熱流密度效果顯著。添加2翅片與6翅片時(shí)整個(gè)周期平均節(jié)約煙煤量為15.2 kg/d與12.6 kg/d。