含蜡原油静储降温过程热流特性的研究进展

金柄旭，成鑫琦，王晓娜，孙巍

（东北石油大学 提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318）

在能源发展逐步实现结构优化、保障能力和效率全面提升等目标的环境下，石油在所有能源消费中占比超过1/3，仍然占据着举足轻重的地位[1-3]。自从1993年中国成为石油净进口国以来，进口石油在我国的能源供给结构中所占的比例逐年增加，截至2018年底，我国石油对外依存度高达72.3%，如果不能保障稳定的石油供给，势必会制约国民经济和国防建设的快速发展。发展石油储备则在应对这一危机中起到了不可替代的作用，目前我国已建成9 个国家原油储备基地，储备原油3 973 万t，按照国家发改委发布的《石油发展“十三五”规划》，要求加快石油储备能力建设，推进国家石油储备二期、三期项目建设[4]。我国主力油田生产的原油大多为高含蜡原油，油罐在实际运行中，受到太阳辐射、大气温度、土壤温度等热环境动态变化的影响，使得罐内原油产生热量损失，温度降低到一定程度时，原油的流动性变差还可能发生凝罐等。因此，在生产过程中为确保储罐安全运行，必须实时掌握罐内原油的传热特性和流动规律。

1 国内外研究现状与分析

含蜡原油罐储温度主要取决于大气、土壤温度以及与储罐边界所吸收的太阳辐射热量。由于太阳辐射所导致油品损失热量的途径为：大气→储罐外壁→内壁→油品，特别是在储罐边界部分，油品散失热量最多，这是由于油品温度与大气温度之间的温差较大，产生了自然对流、强制对流及辐射作用[5]。目前，国内外主要采用两种方法来开展油罐油品温度场和流场的研究，一是数值模拟法，二是现场试验法[6-7]。

1.1 含蜡原油罐储温降过程传热与流动特性数值研究

应用数值模拟方法研究含蜡原油罐储温降过程的热流特性，由传统的经验公式法到模型求解，建立的理论模型与实际油罐越来越贴近，数值求解过程则越来越复杂。BAUER[8]按照常黏度的假设将原油实际的温降问题简化为稳态传热过程，求解汽油罐内温降过程中的自然对流传热，但由于流体常物性的假设导致了与实际结果存在一定差距。OLIVESKI[9-10]等在考虑了所有罐壁（侧壁、顶部和底部）环境的热损失情况下，利用有限体积的方法，对自然对流作用下储罐内的速度场和温度场进行了数值分析和实验研究，模拟了40 个不同长宽比、5种绝热厚度和两种不同体积的冷却工况，得到了40个例子Nusselt 数的两个相关式。RODRÍGUEZ[11]等应用有限容积法，在层流条件下研究了垂直圆柱内静止流体在壁面热损失作用下的瞬态冷却问题，并进行了无量纲分析，得出了Nusselt 数与瞬态平均流体温度之间的关系。李旺[12]等在考虑大气温度、太阳辐射强度等影响浮顶罐温度场的因素前提下，做出相关假设，建立了大型浮顶罐温度场二维模型，通过将现场数据与模型计算结果对比发现吻合良好，并开发了SIMPLE 算法。WANG[13-14]等建立了双层浮顶油罐含蜡原油温降过程的物理模型和数学模型，以幂律方程描述原油非牛顿行为，用焓-多孔介质理论描述了蜡沉淀，分析了蜡沉淀量和非牛顿行为对罐内温降过程的影响。赵健[15-16]等在假定含蜡原油温度在失流点以下时为多孔介质体系，采用附加比热容法和动量源项法分别描述蜡的结晶潜热和蜡晶网络结构所产生的流动阻力，并采用有限体积法模拟了含蜡原油的冷却胶凝过程。可见，对于含蜡原油罐储温降过程传热与流动特性数值研究中，目前聚焦在对含蜡原油形态、流动特性等方面，没有进一步考虑到外界太阳辐射、大气温度等热环境的动态变化影响。

1.2 含蜡原油罐储温降过程传热与流动特性现场试验

油罐内油品温度场现场测温技术已逐步走向成熟，从最初的定点温度测量，到现在应用各种温度传感器和智能化仪表进行测温，不仅能够对油品温度实时监测，且比以往温度测量的测量时段更长；另一方面，测温技术逐渐数字化、智能化和总线化，简便了温度的测量和数据的分析。

王明吉[17-18]等通过对储罐中原油温度的实时监测数据进行整理分析，得出原油储罐纵向温度分布规律，为了节能降耗和延长油品在储罐中的停留时间，提出了对储罐浮船采取保温措施的方法。于达等[19-20]利用热敏电阻作为测温元件，采用类总线式的监测模式，制作出了大型浮顶油罐温度监测系统，该系统具有简便经济、安全可靠的优点，并且实现了温度测量数据传输的数字化发展。饶心[21]等以PC/104 嵌入式主机和DS18B20 数字温度传感器为设计材料，采用单总线协议模式，研制了大型储罐温度监测装置，不仅优化了布线方式，并且在数据的储存和传输方面也有了一定的优化。李建树[22]等早在1996年提出了一种新的油罐测量方法：以铂为电阻材料的两个热电阻温度传感器测量储罐内油品的温度，并将测得的定点温度进行线性修正，这种方法大大提高了测量的精度。朱秀峰[23]等研制一套温度实时检测和报警系统，实现了对监测点温度的测量、记录和安全报警，同时探讨了储罐的温度分布规律。在采用测温点监测时，如果所布置的测温点较少，所得到的测温数据虽然可以对原油平均温度进行估计，原油的整体温降情况也可以大致得到，但不能反映油罐内原油的温度场分布状态[24-25]；如果所布置的测温点较多，所得到的测温数据虽能得到油罐内原油温度场的大体分布状态，但也无法得知罐内所有位置原油的温度，且得到的油罐温度场变化规律仅适用于某一类特定油罐，并不能适用于所有储罐。可见，采用现场直接测试的方法比较好，对于特定的工程问题所得出的结果也比较可靠，但其也有一定的缺点：局限性较大，只能在条件相同的情况下使用；所得参数关系比较片面，只能反映个别参数之间的关系，不能反映对象的全部本质；预期结果不理想，不能得到适用于任意现场条件下各种油罐的温度场的分布情况与变化规律。

2 研究中存在的问题

综合研究资料来看，在含蜡原油静储降温胶凝过程的传热流动研究方法当中，单一采用现场试验，只能针对某一特定位置的温度变化，给出大体变化趋势，无法得到油罐的空间温度场分布。应用数值模拟研究，需要建立考虑全面的物理模型并进行数值求解，虽然可以得到温度场、流场的分布规律，但数值结果的准确性却无从考证。

在含蜡原油静储降温胶凝过程的传热流动机理研究方面，一般都是理想的将储罐所处热环境简化为定解条件处理，即规定了储罐与热环境间的表面换热系数及周围热环境的温度，导致研究过程中原油的传热与流动特性以及胶凝相变特性都是遵循着持续的衰减模式发展，但在实际自然热环境中，储罐所处的太阳辐射、大气温度、土壤温度等边界均表现出依时的动态变化规律，使得罐内含蜡原油传热与流动过程呈现出震荡波动式的变化，并且受此影响，罐顶、罐壁以及罐底会形成的不均匀胶凝结构，实际情况与当前研究存在一定的偏差。

3 结论

含蜡原油储罐作为一个大尺度空间，其内含蜡原油的传热与流动过程极为复杂，涉及到多种传热方式，同时又与油罐结构、固液相变等因素密切相关，为了解决含蜡原油罐储过程中存在的动态热环境变化与含蜡原油物性特征等交叉因素对降温胶凝过程相变传热特性影响的机制问题，有必要运用原油流变学、高等传热学、复杂流体力学等相关理论，选择采取理论建模、数值模拟、现场罐外环境和罐内温度场测试等多种手段，开展含蜡原油罐储外部动态热环境的物理描述，提出含蜡原油静储降温胶凝过程的多因素交叉作用机理，为原油储备企业制订科学罐储方案提供了技术支持。