浮顶油罐内翅片盘管加热原油特性

2022-11-08赵雪峰吴洋洋

节能技术 2022年4期

李栋,于杨,赵雪峰,吴洋洋,孟岚

(1.东北石油大学土木建筑工程学院，黑龙江大庆 163318；2.大庆油田有限责任公司，黑龙江大庆 163453)

0 引言

我国原油对外依赖度超过70%[1]，伴随国家石油需求增长与战略储备布局，浮顶油罐大量应用，已成为主要储油设备[2-4]。浮顶油罐静储期间与外界环境热交换造成原油温度下降，严重时易引发油罐安全事故[5]。管式加热技术是浮顶油罐原油加热维温的重要手段之一[6]。

多数学者将浮顶油罐内加热盘管简化为恒热流边界来研究罐内原油加热过程中的温度场及流场变化规律[14-15]，且多侧重于盘管布局、管径等盘管结构参数及入口蒸汽温度、流量等传热流体参数对原油加热特性的研究，而有关其盘管表面强化传热特性研究相对较少。从强化传热角度考虑，提出一种盘管外表面增设翅片提升加热效率方法，并研究翅片盘管类型和翅片盘管角度对加热原油传热特性的影响。

1 数理模型

1.1 物理模型

研究对象大型浮顶油罐为轴对称结构，其油罐罐顶及罐底钢板壁厚为0.01 m，罐体侧壁保温层厚度0.06 m[16]。盘管直径为0.05 m，管间距为0.5 m，管内表面取为定温80 ℃。为强化常规盘管(光管、0°角度布局)传热性能，提出新的盘管翅片型式，包括常规盘管外表面增设2翅片和4翅片，盘管角度取30°、60°及90°三种角度。为清晰表示盘管角度布局，图1给出了60°角度盘管布局的三维结构示意图。考虑物理本质及简化计算需求，取油罐纵截面的一半为研究对象，其物理模型如图2所示。

1.2 数学模型

为便于求解，做如下简化：由于原油中蜡的含量较小，忽略其凝固潜热[17]；原油温度沿周向分布均匀，原油及土壤初始温度恒定；罐内原油为牛顿不可压缩流体，且罐内自然对流满足Boussinesq近似，忽略粘性耗散；钢板、土壤及保温材料视作各向同性均匀介质；忽略翅片与换热管管壁之间的接触热阻[18]。

质量方程

(1)

动量方程

(2)

(3)

能量方程

(4)

式中t——时间/s；

u、v——x、y方向上的速度矢量/m·s-1；

p——原油压力/Pa；

ρ——原油密度/kg·m-3；

c——原油比热容/J·kg-1·℃-1；

λ——原油导热系数/W·m-1·℃-1；

g——重力加速度/m·s-2；

μ——原油动力粘度/kg·m-1·s-1；

μt——湍流黏度系数；

Prt——湍流普朗特数。

材料的热物性参数见表1。

表1 相关物性参数

原油的密度[7]、导热系数[7]、动力黏度[7]和比热[17]由下列公式求得

ρ=ρm(1-β(T-Tm))

(5)

λ=0.136 6-7.378×10-5T

(6)

μ=e-28.8+8 904.4/(273.15+T)

(7)

(8)

式中T——原油温度/℃；

Tm——原油参考温度/℃，取20；

ρm——原油参考密度/kg·m-3，取860；

β——热膨胀系数/℃-1，取0.000 62。

油罐左侧罐壁与土壤左侧边界均为轴对称边界(x=0 m，0≤y≤22.5 m)

(9)

罐顶和罐壁保温层外边界与大气接触，为第三类边界条件：

油罐顶部(0≤x≤40 m，y=22.5 m)

(10)

保温层外壁(x=40 m，12.5≤y≤22.5 m)

(11)

对于土壤部分，将太阳辐射的影响考虑为等效温度，地面与大气接触部分土壤为第三类边界条件，土壤底部视为定温边界(10 ℃)[19]，土壤右侧边界为绝热边界，即：

地面土壤(40≤x≤47 m，y=12.5 m)

(12)

土壤底部(0≤x≤47 m，y=0 m)

T=Tsoil

(13)

土壤右边界(x=47 m，0≤y≤12.5 m)

(14)

盘管内表面为定温边界，即

T=Ttube

(15)

式中Ttop-air、Twall-air、Tsoil-air——罐顶、罐壁及罐底的太阳-空气温度/℃，其计算式如下[20-21]

(16)

式中Tair——环境温度/℃；

I——吸收的太阳辐射强度/W·m-2；

h——对流换热系数/W·m-2·℃-1，其计算式如下[17]

(17)

式中V——平均风速/m·s-1。

1.3 求解方法及验证

采用大涡模拟(LES)方法进行求解，压力-速度耦合采用SIMPLE算法，瞬态方程为二阶隐式。根据文献[22]中的浮顶油罐参数建立相应几何模型，利用其实验数据对本文模型进行验证(图3)，发现模拟数据与测量数据吻合较好，最大相对误差和平均相对误差分别为6.41%和3.72%，从而说明建立模型的可靠性。为确定合适的网格尺寸和时间步长，以2翅片、60°盘管角度为例，选取104 457、187 614和277 946三种网格数与8 s、10 s两种时间步长进行独立性验证，发现网格数187 614、时间步长10 s满足网格和时间的独立性条件。

2 结果与讨论

从油区温度云图、油区平均温度、温度场不均匀程度及经济效益四个方面分析盘管角度对加热效果的影响。温度不均匀程度表示任意时刻油罐内部各点温度的偏差程度，是反映原油温度随空间分布的指标，其数值越小代表原油温度分布越均匀，其计算式如下[7]

(16)

式中Ttop——油罐顶部处原油温度/℃；

Tbot——油罐底部处原油温度/℃；

Taxis——油罐中心轴线处原油温度/℃；

Trig——油罐右侧罐壁处原油温度/℃；

Tin——油罐中心处原油温度/℃；

Tave——油罐内原油平均温度/℃。

忽略加热盘管、施工费等初投资，以加热20 d所需热量为指标计算其维温费用，对比分析不同盘管布置方式维温费用来评判其经济效益

Q=cMΔT=cM(Te-Tb)

(17)

式中Q——加热原油所需热量/kJ；

Te、Tb——原油加热终温和初始温度/℃。

M——原油质量/kg，据计算取4.34×107。

经分析，原油比热容c在温升范围内(35～37 ℃)其值波动较小2.48～2.53 kJ/(kg·℃)，为简化计算，取平均值2.5 kJ/(kg·℃)

ΔQi=QMax-Qi

(18)

式中TeMax——某一盘管布置方式下加热原油最高终温记为/℃；

QMax——原油由Tb加热至TeMax所需热量/kJ；

Qi——相同翅片数时，原油由Tb加热至Tei所需热量/kJ；

ΔQi——将原油由Tei继续加热至TeMax所需热量/kJ。

以电价为基准计算原油维温费用，其计算式如下

(19)

式中P——ΔQi的折算费用/元；

a——电价/元·kW-1·h-1，取0.6。

图4为当盘管为光管(0翅片)、2及4翅片时，在0°、30°、60°及90°角度下的原油温度场。如图，盘管附近会形成热羽流，热羽流脱离盘管后即向罐顶移动，其成因为盘管温度远高于附近原油温度，原油吸热升温后密度减小与低温原油产生密度差，在浮力和重力的共同作用下向罐顶移动，形成自然对流[23]。随着加热时间的增加，高温原油逐渐在罐顶汇聚并向下推移，带动原油整体温度均匀上升。然而，在油罐底部及角落形成加热死区，存在原油受热不均、低温原油堆积的情况。光管时各角度下原油温度场在加热期间内变化相对较小(图4a)。由2翅片及4翅片盘管加热时原油温度场可见(图4b、4c)，盘管增设翅片可有效提升原油温度；加热20天，2翅片及4翅片盘管60°布置时罐内高温原油范围最大，可覆盖油罐面积的83.33%、72.92%。

图5为当盘管为光管、2及4翅片盘管时，在0°、30°、60°及90°角度下的油区平均温度。如图可见，从加热开始到第5天，盘管角度对温升影响很小；加热第5天到第20天，盘管角度对原油加热效果的影响显现，原油平均温度稳步提升。加热20天时，对光管而言，90°时油区平均温度最高为36.22 ℃，相比60°时仅提高0.05%，可认为两种角度对油区温度提升效果相近。对2翅片及4翅片盘管而言，油区平均温度的最高值均出现在60°。其中，2翅片盘管在60°时油区平均温度为37.14 ℃，较0°、30°、90°时分别提升了0.30 ℃、0.07 ℃、0.12 ℃。综合来看，盘管角度对油区平均温度有影响，光管时90°加热效果最好，2翅片及4翅片时60°最好。

图6为当盘管为光管、2及4翅片盘管时，在0°、30°、60°及90°角度下的油区温度不均匀程度。如图可见，加热期间原油温度不均匀程度变化趋势均先升高后降低。加热0～2 d，原油局部受热升温，温度不均匀程度急剧增大；随着加热持续进行，高温原油由罐顶汇聚并向下推进，带动中部原油升温，原油内部各处温度差异减小，油区温度不均匀程度在3～20 d内逐渐减小。加热20 d时，光管、2翅片及4翅片三种盘管温度不均匀程度分别在90°、60°及60°时取得最小值，其值分别为5.42 ℃、5.20 ℃和5.22 ℃，较0°时降低0.86%、1.91%、1.12%。

表2为加热期间不同翅片数下的最优盘管角度节约成本，由表可知，不同翅片数目时获得的最优角度不同。光管、2翅片、4翅片的最佳盘管角度分别为90°、60°、60°，在最优盘管角度下油罐内原油可以获得较高的平均温度，有效节约成本，如与水平布置(加热角度为0°)相比，最优角度布置时最高可节省加热成本16.2%。