魏立新，刘凤荣，李 哲，杨 凯，周 刚，王佳楠，单莉娜

（东北石油大学 石油工程学院，黑龙江 大庆 163318）

低温投产过程中罐内原油温度变化规律研究

魏立新，刘凤荣，李 哲，杨 凯，周 刚，王佳楠，单莉娜

（东北石油大学 石油工程学院，黑龙江 大庆 163318）

建立了 5×104m3浮顶油罐低温投产过程的数值计算模型，利用 Fluent计算流体动力学软件，对不同工况下原油的流动及传热过程进行数值模拟。计算得到不同工况下罐内原油的温度变化规律，为制定浮顶油罐低温投产运行方案提供理论依据。

浮顶油罐；低温投产；温度分布；油层

浮顶罐是国家原油储备的重要方式之一，国内外对储油罐内油品温度分布规律的研究多以实验研究为主，部分采用数值计算的方法或实验测定与理论相结合的方式[1-8]。采用实验及理论方法只能得到储油罐内部分位置的温度，无法精确得到任意位置油品的温度。国内外采用数值计算方法大多研究的是静态原油储罐的温度场分布规律。

低温环境下储罐在投产过程中，若投产方案不合理，将造成局部区域原油温度过低而发生凝固，难以保证储罐的安全投产。因此，探讨储罐内原油在低温投产过程中的温度分布规律具有重要的理论指导意义。目前，国内浮顶罐在低温环境下的投产方案主要凭经验制定，缺乏深入的理论研究，国内外未见相关的文献报道。而储罐投产和管道的投产过程都是油品对外界环境的非稳态传热过程，具有一定的相似性。对于输油管道的投产问题，国内进行了一定的研究[9,10]。本文借鉴长输管道安全投产技术的研究成果，以大庆地区 5×104m3浮顶罐为研究对象，对冬季低温投产过程中罐内原油流动及传热特性进行研究。

1 数值计算模型

1.1 物理模型

低温投产过程是在低温环境下，当浮顶油罐的浮船位于最低处时，向浮船下底板和罐底板之间的空间注油的过程。为了研究问题方便，做如下处理和假设对数值计算模型进行简化：

（1）建模时忽略罐底钢板，只保留混凝土环墙、沥青层、沙土及回填土等基础构造，对于罐底土壤，将其简化为有限区域的均质构造；

（2）忽略浮顶的钢板及局部加强附件，将罐顶简化为一个等厚度的空气腔；

（3）相对于罐内原油的其他换热方式，辐射换热影响相对较小，不考虑太阳与油罐间的辐射换热；

（4）忽略原油内部物理化学因素而产生的内热源，忽略油罐边缘以及底部原油和石蜡的凝固潜热；

（5）由于罐壁存在保温层，以及参考现场实测数据，油罐内原油横向温差不大，横向温度温度分布比较均匀，所以分析数据时，选取过进油口的轴向剖面为研究对象。

基于上述假设和处理建立了储罐低温投产过程

图1 数值计算物理模型Fig.1physical model of numerical calculation

1.2 数学模型

（1）连续性方程

式中：mv —混合物的质量平均速度，m/s；

k

A —第k相的体积分数；

m

ρ —混合物密度，kg/m3。

（2）动量方程

k=1

式中：F—体积力，N；

n—相数。

（3）能量方程

式中： kt—有效热传导率；

kt—湍流导热系数，由湍流模型确定；

Ek—所有体积热源；

hk—第k相的焓。

1.3 边界条件及初始条件

（1）边界条件

在低温投产模拟中，设置土壤环形边界条件为绝热，土壤深度为 10 m 处为恒温边界，入口边界为 velocity-inlet，出口边界为pressure-outlet，罐壁、罐顶为固壁边界（wall）。

投产开始前各变量的空间分布为：

①罐内不同位置处的气体温度相同，为一常数；

②原油流速为0；

③罐内空气及周围介质已形成稳定的温度场。

1.4 数值求解算法

基于有限体积法，根据该问题的非稳态特点，对压力速度耦合采用pISO 算法；对于空间离散化，扩散项采用具有二阶计算精度的中心差分格式，对流项采用 QUICK 格式；对于时间项的离散采用一阶隐式格式，采用多重网格方法进行求解。采用Gambit软件对数值计算模型进行网格划分，如图 2所示。

图2 数值计算网格Fig.2 Numerical grid

1.5 模型验证

某油库一座 5 万 m3储罐在冬季进行投产，投产前储罐内已安装多点测温系统。选取测温系统中进油口径向最远、最近两根测温杆测得的数据与数值模拟结果进行对比分析，具体结果如表1所示。由表可知，数值计算结果与测试结果有相同的变化趋势，各测试值的相对误差在 5%以内，从而验证了所建立数值计算模型的正确性。

表1 误差分析表Table 1Table of error analysis

2 结果分析

定义 18组计算实例，涵盖不同环境温度、投产温度及投产速度的计算工况，根据大庆地区实际气象数据，选取冬季极端温度为-35 ℃、平均温度为-16 ℃。根据储罐工艺要求，选取投产温度为38、42、46 ℃及投产速度为 0.2、0.6、1.0 m/s。将这些因素随机组合成 18组工况，通过数值模拟可以最佳表现罐内原油温度变化的一般规律及主要的传热特性。2.1 典型工况分析

以冬季极端环境温度-35 ℃，投产温度 42 ℃，注油速度 0.6 m/s 为典型工况，选取经过进油管中心的轴向剖面，描述储罐内及其周围固体介质温度变化，投产开始时罐底覆满原油时入口附近温度云图如图3所示。

图3 入口附近温度云图Fig.3 Temperature contour near the inlet

图3展示了储罐投产开始时的局部温度变化，热油流入罐内与其上方的空气和下方的沥青层进行了热量交换，加热了与之毗邻的空气和沥青层。距离进油口较近的地方，沥青层上部的温度有一定的升高，距离进油口 2 m 处的地方，由于热油刚刚流经此处，换热过程尚未完成，沥青层几乎没有受到热油的温度影响，温度变化存在滞后。在整个过程中，随着进油量的不断增加，浮船下底板与罐底间的区域受到热油的影响区域逐渐增大，但尚未对整个区域产生影响，因此温度接近初始温度。

2.2 不同工况分析

环境温度为-35 ℃，投产速度为 1m/s 时，罐底 10 mm 厚度的油层在不同投产温度下的温度变化曲线如图4所示。

图4 不同投产温度下的温度变化曲线Fig.4 Temperature change curve under differentproduction temperature

环境温度为-16 ℃，投产温度 42 ℃，最大投产时间时，罐内各油层温度分布随投产速度的变化曲线如图5所示。

图5 各油层温度分布曲线Fig.5 Temperature distribution curve of oil layer

环境温度为-35 ℃，投产温度为 38 ℃时，投产速度为 0.2 m/s 时，罐内油层的温度变化曲线如图6所示。

图6 罐内油层的温度变化曲线Fig.6 Temperature change curve of oil layer in the tank

由图4可知，随着投产时间的增加，薄油层温降规律大致相同，开始温度下降较快，当进油达到一定时间后趋于稳定且投产温度越高，稳定后的温度也越高。图5中，随着投产速度的增加，各油层的温度也越高，且投产速度越大各油层的温度上升的越快，越靠近浮船底板的油层，温度越接近投产温度。图6中，在投产初始时，越靠近罐底的油层温度下降的越快，随着投产的进行，各油层温降变化相对缓慢，最后趋于稳定。

3 结 论

（1）在相同储罐容量下，投产温度一定时，注油速度越高，原油散热损失越小，注油的安全性越高；

（2）投产温度一定时，随着投产速度的升高，投产过程各油层达到稳定后的温度越高；

（3）投产速度一定时，随着投产温度的升高，投产过程各油层达到稳定后的温度越高；

（4）投产温度越低，注入储罐内的原油温度越低，给投产安全性带来挑战，可通过提高投产速度进行一定的弥补。

［1］于达，方徐应，李东风. 大型浮顶罐储油温降特点[J]．油气储运，2003，22(9)：47-49．

［2］于 达 . 大 型 浮 顶 油 罐 测 温 系 统 的 研 发 [J]． 油 气 储 运 ， 2005, 08:41-43+60-64.

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Study on Temperature Changing Law of Crude Oil in the Oil Storage Tank During Low Temperature Operationprocess

WEI Li-xin, LIU Feng-rong, LI Zhe, YANG Kai, ZHOU Gang, WANG Jia-nan, SHAN Li-na
（College ofpetroleum Engineering, Northeastpetroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China）

The numerical calculation model of low temperature operationprocess of 5×104m3floating roof oil tank was established, and the flow and heat transferprocess of crude oil under different conditions were simulated by using Fluent computational fluid dynamics software. The temperature changing law of crude oil under different conditions was obtained, which couldprovide the theoretical basis for establishment of low temperature operation scheme of floating roof oil tank.

Floating roof oil tank; Low temperature operation; Temperature distribution; Oil layer

TE 821

： A

： 1671-0460（2017）02-0330-03

国家自然科学基金面上项目，基金号：51674086。

2016-08-31

魏立新（1973-），男，河北保定人，教授，博士，2005 年毕业于大庆石油学院油气田开发工程专业，研究方向：从事油田地面工程优化与节能降耗技术研究工作。E-mail：wlxfyx@sina.com。

刘凤荣（1989-），女，在读硕士研究生，现主要从事大型浮顶罐原油温度场的数值模拟研究。E-mail：lfr511@sina.com。