一种大型原油浮顶储罐加热盘管优化方法技术

本发明专利技术涉及的是一种大型原油浮顶储罐加热盘管优化方法，其包括：一、开展加热盘管长度优化，建立大型原油浮顶储罐盘管加热过程的数学模型，采用有限单元法对该模型进行数值求解，得到不同盘管长度下储罐罐顶、罐壁、罐底、中心处以及原油平均温度的随时间的变化规律；二、综合温度场不均匀程度和升温速率结果以评价不同盘管长度对原油储罐加热效果的影响程度：三、综合能量有效利用率和㶲有效利用率以评价不同盘管长度对原油储罐加热过程有效用能的影响程度，最终根据加热效果和有效用能来确定最优盘管长度：四、开展加热盘管直径优化，根据相关结果最终确定最优盘管直径，得到盘管的最优尺寸结构。本发明专利技术能科学全面的确定盘管的最优结构尺寸。

【技术实现步骤摘要】
一种大型原油浮顶储罐加热盘管优化方法
：本专利技术涉及的是油气储运
，具体涉及的是一种大型原油浮顶储罐加热盘管优化方法。
技术介绍
：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，石油仍然占据着举足轻重的地位。近年来，随着中国经济的不断腾飞，对石油需求缺口也不断加大，自从1993年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，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发展速度，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。我国所产大多为易凝高含蜡原油，作为原油中蜡质主要组成的重链烷烃和一些环烷烃，在储存温度低于析蜡点温度时，蜡从原油中不断析出、结晶，并粘附在与其自身存在温差的罐壁上，所形成的蜡沉积层会造成储罐卡盘等安全事故，为了保证储罐的安全运行，必须对罐内原油进行适时加热。目前最普遍的加热方式是在储油罐的内部安装加热盘管，然而这种加热方式所产生能耗可占储备油库总能耗的85％以上，并且随着石油储备量不断增长，能耗亦会大幅增加，因此亟需进一步优化储罐加热盘管结构，达到提升加热效果，降低用能成本的目的。由加热盘管、罐内原油、外界低温环境构成的复杂用能系统中，如何科学合理的实现大型原油浮顶储罐加热盘管优化，一直是国际石油系统关注的难点问题。以往是将升温速率作为判断原油加热效果的唯一标准，但它仅能反映温度场随时间的变化规律，无法反映原油储罐大空间内温度场分布的均匀情况。另一方面，在对原油加热过程用能利用的研究中，只是针对能“量”或是能“质”某一方面利用情况进行分析，同时忽略了太阳辐射、大气温度的动态变化对用能效率的影响，导致不能科学完整的评价储罐加热过程的有效用能。并且在对加热器结构优化的时候，往往将加热效果和有效用能分开考虑，致使原油储罐加热过程盘管结构优化缺少科学的理论依据。综上所述，目前针对大型原油浮顶储罐加热盘管的优化方法，均具有一定的局限性，不能科学全面的实现大型原油浮顶储罐盘管的结构优化。
技术实现思路
：本专利技术的目的是提供一种大型原油浮顶储罐加热盘管优化方法，这种大型原油浮顶储罐加热盘管优化方法用于解决原油储罐加热过程盘管结构优化缺少科学评价依据的难题。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：这种大型原油浮顶储罐加热盘管优化方法包括如下步骤：步骤一：开展加热盘管长度的优化，为了更好的模拟原油在储罐顶角等局部区域的涡旋流动以及储罐边界上原油温度的依时变化规律，在一般质量、动量、能量守恒方程的基础上，引入RNGk-epsilon湍流模型，建立大型原油浮顶储罐盘管加热过程的数学模型，通过在储罐底部布置不同长度的加热盘管，并采用有限单元法对该模型进行数值求解，得到不同盘管长度下储罐罐顶、罐壁、罐底、中心处以及原油平均温度随时间的变化规律；所述大型原油浮顶储罐盘管加热过程的数学模型，包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程；质量守恒方程为：式中：x、r分别为储罐轴向、径向坐标，m；u、v分别为罐内油品的轴向、径向流速，m/s；tstea为加热时间，s；ρoil为油品密度，kg·m-3；动量守恒方程为：式中：P为油品流体静压力，Pa；g为油品重力加速度，m/s2；μoil为油品动力黏度，Pa·s；能量守恒方程为：式中：Toil为油品温度，℃；λoil为油品的导热系数，W/(m·℃)；coil为油品比热容，J·(kg·℃)-1；步骤二：根据罐顶、罐壁、罐底以及中心处原油的温度，从空间的角度出发，确定大型原油储罐加热过程的温度场不均匀程度，根据原油平均温度随时间的变化规律，从时间的角度出发，确定大型原油储罐加热过程的升温速率，综合温度场不均匀程度和升温速率结果以评价不同盘管长度对原油储罐加热效果的影响程度：步骤三：根据储罐内加热过程原油的平均温度，从能量的层面出发，得到油品升温的有效能量，吸收太阳辐射能量和盘管释放的能量为总能量，进而确定加热盘管能量有效利用率；从能质的层面，得到加热盘管的有效利用率，综合能量有效利用率和有效利用率以评价不同盘管长度对原油储罐加热过程有效用能的影响程度，最终根据加热效果和有效用能来确定最优盘管长度：步骤四：开展加热盘管直径的优化，通过在储罐底部布置不同直径的加热盘管，并采用有限单元法对大型原油浮顶储罐盘管加热过程的数学模型进行数值求解，得到不同盘管直径下储罐罐顶、罐壁、罐底、中心处以及原油平均温度随时间的变化规律；步骤五：根据罐顶、罐壁、罐底以及中心处原油的温度，从空间的角度出发，确定大型原油储罐加热过程的温度场不均匀程度，根据原油平均温度随时间的变化规律，从时间的角度出发，确定大型原油储罐加热过程的升温速率，综合温度场不均匀程度和升温速率结果以评价不同盘管直径对原油储罐加热效果的影响程度：步骤六：根据储罐内加热过程原油的平均温度，从能量的层面出发，得到油品升温的有效能量，吸收太阳辐射的热量和盘管释放的热量为总能量，进而确定加热盘管能量有效利用率；从能质的层面，得到加热盘管的有效利用率，综合能量有效利用率和有效利用率以评价不同盘管直径对原油储罐加热过程有效用能的影响程度，最终根据加热效果和有效用能来确定最优盘管直径；步骤七：根据确定的最优盘管长度和最优盘管直径，得到盘管的最优尺寸结构。上述方案中确定大型原油储罐加热过程的温度场不均匀程度，采用标准差的算法：式中n为测点的数量，其中i＝1，2，......，n；Ti为加热空间内测点i的温度，℃；Taver为加热空间内测点的平均温度，℃。上述方案中确定大型原油储罐加热过程的升温速率的方法：式中：Taver为加热一段时间后罐内油品的平均温度，℃；T0为罐内油品加热前的初始温度，℃；taver为将罐内油品平均温度加热到Taver时所需的时间，d；t0为罐内油品加热前的初始时间，d。上述方案中根据储罐内加热过程原油的平均温度，从能量的层面出发，得到油品升温的有效能量，吸收太阳辐射的热量和盘管释放的热量为总能量，进而确定加热盘管能量有效利用率；从能质的层面，得到加热盘管的有效利用率，具体如下：从能量的层面：有效能量为被加热油品所吸收的热量：Enef＝Goilcoil(Tend-Tsta)式中：Enef为储罐盘管加热过程中的有效能量，J；Goil为罐内油品质量，kg；Tend为加热终了温度，℃；Tsta为加热起始温度，℃；coil为油品比热容，J·(kg·℃)-1；总能量：Ento＝Qstea×tstea×3600+Qsola×tsola×3600式中：Qstea为盘管放出的热量，W；Qsola为吸收太阳辐射的热量，W；tstea为盘管加热时间，h；其中，吸收太阳辐射的热量由罐顶吸收的热量和罐壁吸收的热量构成：式中：qsroof罐顶上所受的太阳辐射热量，W/m2，qswall罐壁上所受的太阳辐本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大型原油浮顶储罐加热盘管优化方法，其特征在于包括如下步骤：/n步骤一：开展加热盘管长度的优化，为了更好的模拟原油在储罐顶角等局部区域的涡旋流动以及储罐边界上原油温度的依时变化规律，在一般质量、动量、能量守恒方程的基础上，引入RNG k-epsilon湍流模型，建立大型原油浮顶储罐盘管加热过程的数学模型，通过在储罐底部布置不同长度的加热盘管，并采用有限单元法对该模型进行数值求解，得到不同盘管长度下储罐罐顶、罐壁、罐底、中心处以及原油平均温度随时间的变化规律；/n所述大型原油浮顶储罐盘管加热过程的数学模型，包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程；/n质量守恒方程为：/n

【技术特征摘要】
1.一种大型原油浮顶储罐加热盘管优化方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：开展加热盘管长度的优化，为了更好的模拟原油在储罐顶角等局部区域的涡旋流动以及储罐边界上原油温度的依时变化规律，在一般质量、动量、能量守恒方程的基础上，引入RNGk-epsilon湍流模型，建立大型原油浮顶储罐盘管加热过程的数学模型，通过在储罐底部布置不同长度的加热盘管，并采用有限单元法对该模型进行数值求解，得到不同盘管长度下储罐罐顶、罐壁、罐底、中心处以及原油平均温度随时间的变化规律；
所述大型原油浮顶储罐盘管加热过程的数学模型，包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程；
质量守恒方程为：



式中：x、r分别为储罐轴向、径向坐标，m；u、v分别为罐内油品的轴向、径向流速，m/s；tstea为加热时间，s；ρoil为油品密度，kg·m-3；
动量守恒方程为：






式中：P为油品流体静压力，Pa；g为油品重力加速度，m/s2；μoil为油品动力黏度，Pa·s；
能量守恒方程为：



式中：Toil为油品温度，℃；λoil为油品的导热系数，W/(m·℃)；coil为油品比热容，J·(kg·℃)-1；
步骤二：根据罐顶、罐壁、罐底以及中心处原油的温度，从空间的角度出发，确定大型原油储罐加热过程的温度场不均匀程度，根据原油平均温度随时间的变化规律，从时间的角度出发，确定大型原油储罐加热过程的升温速率，综合温度场不均匀程度和升温速率结果以评价不同盘管长度对原油储罐加热效果的影响程度：
步骤三：根据储罐内加热过程原油的平均温度，从能量的层面出发，得到油品升温的有效能量，吸收太阳辐射能量和盘管释放的能量为总能量，进而确定加热盘管能量有效利用率；从能质的层面，得到加热盘管的有效利用率，综合能量有效利用率和有效利用率以评价不同盘管长度对原油储罐加热过程有效用能的影响程度，最终根据加热效果和有效用能来确定最优盘管长度：
步骤四：开展加热盘管直径的优化，通过在储罐底部布置不同直径的加热盘管，并采用有限单元法对大型原油浮顶储罐盘管加热过程的数学模型进行数值求解，得到不同盘管直径下储罐罐顶、罐壁、罐底、中心处以及原油平均温度随时间的变化规律；
步骤五：根据罐顶、罐壁、罐底以及中心处原油的温度，从空间的角度出发，确定大型原油储罐加热过程的温度场不均匀程度，根据原油平均温度随时间的变化规律，从时间的角度出发，确定大型原油储罐加热过程的升温速率，综合温度场不均匀程度和升温速率结果以评价不同盘管直径对原油储罐加热效果的影响程度：
步骤六：根据储罐内加热过程原油的平均温度，从能量的层面出发，得到油品升温的有效能量，吸收太阳辐射的热量和盘管释放的热量为总能量，进而确定加热盘管能量有效利用率；从能质的层面，得到加热盘管的有效利用率，综合能量有效利用率和有效利用率以评价不同盘管直径对原油储罐加热过程有效用能的影响程度，最终根据加热效果和有效用能来确定最优盘管直径；
步骤七：根据确定的最优盘管长度和最优盘管直径，得到盘管的最优尺寸结构。


2.根据权利要求1所述的大型原油浮顶储罐加热盘管优化方法，其特征在于：确定大型原油储罐加热过程的温度场不均匀程度，采用标准差的算法：



式中n为测点的数量，其中i＝1，2，......，n；Ti为加热空间内测点i的温度，℃；Taver为加热空间内测点的平...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙巍，成庆林，刘扬，高伟，王志华，国丽萍，
申请(专利权)人：东北石油大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23