储油罐管式加热效果对比分析

丁原（大庆油田有限责任公司储运销售分公司）

引言

油品储运过程中，对储油罐内的油品加温[1]，使罐内油品通过与热媒体（一般以饱和蒸汽为热媒体）的交换，实现对油品的升温，降低黏度，改善其流动性，以便于泵的输送[2]。常用的加热方式主要包括管式加热方式和热油喷洒加热方式[3]。管式加热方式是将水蒸气或热水通过储油罐中的管式加热器，使之升温并加热油品，蒸汽或热水不直接接触油品[4]。热油喷洒加热方式是将冷油经换热器加热后，输送到储油罐，通过布置在距罐底一定距离、环绕储罐一周的加热管上的若干个喷嘴，对罐内的冷油进行混合，以此来提高储油罐油品的温度[5]。

为了对管式加热方式下不同加热管位置的原油储罐传热特性与加热效果进行分析，定义了加热管直径为159 mm，加热功率为143 112 W，涵盖靠近管壁、远离管壁、居中等三种不同加热管位置的3组计算工况。为了对不同加热管位置对原油的加热效率进行对比，定义不同工况下管式加热具有相同的加热功率，即在数值计算中采用恒热流的方式定义加热管的边界条件。

1 不同加热管位置的数值模拟

从图1～图3可以看出，在相同加热功率下，当加热管位于储罐内不同位置时，储罐内的油温分布有所不同。采用3种不同加热管布置方案，储罐内都存在一定的低温区域，但相对而言，当加热管距离罐壁较近时，储罐内的低温区域范围更小，油温分布更加均匀。当加热管位置远离罐壁，或者加热管布置的较为分散时，加热后在储罐底部都存在较大范围的低温区域。

图1 加热管靠近管壁位置时的原油温度场变化

从传热机理上来说，3种加热方案都是通过自然对流方式对储罐内的原油进行加热升温，储罐内自然对流的强度、自然对流形成流场的覆盖范围决定了3种加热方案的加热效果[6]。

图2 加热管远离管壁位置时的原油温度场变化

图3 加热管居中位置时的原油温度场变化

当加热管位于储罐罐壁附近时，加热管对周围原油加热，进而形成的自然对流几乎能够覆盖整个储罐，对储罐内原油的加热效果最好。当加热管远离罐壁时，所能形成的自然对流覆盖范围相对减小，从而在罐顶和罐底附近形成了低温区域。

当加热管靠近罐壁时，加热管形成的羽流脱离加热管后即向罐壁附近移动，对罐壁附近的原油具有较好的加热效果。而对于另外2种加热管布置方案，加热管形成的羽流在脱离加热管后即向储罐上部空间移动，并没有对罐壁产生更好的加热效果。

2 不同加热管位置的加热效果对比分析

从图4中可以看出，在相同加热功率下当加热管在储罐内不同位置布置时，储罐内的油温分布有所不同，管式加热对储罐内原油的加热效果也不相同。当加热管靠近罐壁布置时，由于储罐内可以形成覆盖范围较大的自然对流流动，冷热原油的相互掺混效果更佳，加热过程中储罐内的平均油温始终高于另外两种布置方式，不同时刻约有0.2℃的温差。由于储罐内原油的总质量较大，即使是0.2℃的温差，也可以带来比较显著的能耗差别。除平均油温外，随加热时间变化，储罐不同边界处的温度变化也有显著差别。当加热管距离罐壁较近的位置布置时，储罐底部的油温要明显高于另外两种布置方案。由于管式加热方式下，储罐的低温区域就是在罐底部，在罐壁近距离布置加热管的方法显著的改善了管式加热方式油温分布不均匀的问题。

图4 平均油温随加热时间变化

对于罐顶和罐壁的平均温度，从图5中可以看出，临近罐壁布置加热管的情况下，罐壁和罐顶的油温普遍高于另外2种布置方式。由于罐顶和罐壁的散热损失较大，在管式加热对罐壁和罐顶边界升温的同时，由于温度升高，近壁面附近原油对外部环境的散热损失也在增加，油温也有显著的下降，从而在两种作用下，罐壁和罐顶的平均温度随加热时间存在一定的波动。

图5 储油罐不同部位油温随加热时间变化

续图5 储油罐不同部位油温随加热时间变化

3 结论

总体来看，当加热管布置在罐壁附近时，加热管对周围原油加热，形成的自然对流几乎能够覆盖整个储罐，对罐顶、罐壁和罐底的加热效果都明显好于另外两种布置方式。通过数值模拟，发现加热效果靠近管壁的盘管加热方式相对于其他两种布置，用于储油罐维温加热同样的蒸汽量，可有效提升加热效率6%～10%，节能效果比较明显。