水下混凝土储油罐温度场数模优化计算与分析.docx
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水下混凝土储油罐温度场数模优化计算与分析
第15卷 第4期 中 国 海 洋 平 台 ・11・文章编号:
1001-4500（200004-0011-06
（:
分析,,用有限差分法对非稳态传热进行数模计算,得到了与实验值吻合较好的油罐温度场计算结果,为工程设计提供依据。
关键词:
油水置换;温度场;传热;导热系数 中图分类号:
P756 文献标识码:
A
体及因冷凝产生的周边凝油层、砼油罐壁、夹套
及其填充材料、砼外壁及壁外环境海水。
（2海洋环境荷载作用,由于油罐系统置于近海水面之下,受力主要包括风、浪、流、冰、地震及温度效应等。
（3若把砼油罐作为海上油井平台基础,还要考虑地基及其本身承载力。
（4通过分析温度场并计算各部应力后,找出应力集中及容易造成砼破坏的位置,为油罐结构设计提供依据。
从上述四点可以看出,油罐的设计涉及许多因素,综合考虑各个方面并进行优化是搞好设计的基础。
因所述重点不同,本文主要考虑第一种情况。
油罐系统组成复杂,又为瞬态非稳态传热,且凝油层的存在,加大了系统温度场计算难度。
另外由于凝油层厚度及其参数均末知,该项影响传热计算的部分无法准确计入,本文通过对原油传热计算公式的源项优化间接表达出来。
1 引言
我国从七十年代后期开始,就着手水下高凝原油储存的研究和试制工作,于八十年代初开始进行其温度场的测试和模拟计算。
油罐传热系统复杂,且计算时需在程序中输入已测试的初始温度场数据,
由于温度场测试工作量较大且烦杂,计算数据输入也显麻烦,因此,为解决这个问题,本文通过对模拟实验实测数据的比较和对传热方程进行优化分析及调整组合的研究,建立储油罐温度场数模并编制应用计算程序,在程序运行时只需输入原油进罐的初始温度及高度、夹套内介质等有关参数和运行时间,就可得出任意时刻的温度场分布数据。
高凝原油为非牛顿流体,液态与固态的传热方式不同,储存高凝原油的砼油罐作为系统,有其自身特点:
（1结构体系复杂,整体结构包括热原油
收稿日期:
2000204211
作者简介:
张日向（1952-,女,副教授。
基金项目:
国家自然科学基金重大项目（59895410。
2 油罐实验装置和温度测试
2.1 油罐实验装置
为了检验所建数学模型的适应性,本项研究依据了物理模型实验。
模拟水下储油罐的油罐模型为带有环形夹套的圆柱体,钢筋砼制作,内径1170mm,净高2040mm。
自罐中心至内壁
张日向,等 水下混凝土储油罐温度场数模优化计算与分析 2000年8
月・12・
以及外套壁面分别安装A、B、C、D、E、F、G、H、I九根竖向测温管（如图1所示,管内自上而下放置测温元件,径向、竖向共布置120个温度测点
。
砼相接触,存在一个接触面,理论计算出的温
度,,但实际测试值反映的是流体温度,,理论计3,,划分网格,便于应。
（4在运算中把单个时间步长的瞬态传热过程,视作稳态传热。
3.2 油罐系统网格划分
本文的传热利用有限差分法进行计算,把油罐系统网格化,网格按计算稳定的原则划分
图1 油罐测温布点示意图
2.2 温度测试
试验时原油注入罐内原油高度1670mm,夹套中分别装填饱和砂、海水,每种实验工况测温时间在热油进罐后稳定10分种为初始零点,其后间隔为0.5、1、2、3、4小时各测温一次。
如下:
垂直方向网格:
dy=4cm;
水平方向网格:
原油区dx1=2.95cm;
罐 壁dx2=2.80cm;夹 套dx3=3.10cm;外 壁dx4=3.00cm;
图1中:
a=int（Hdy+0.5; H为原油高度。
根据上述网格划分,水平方向有41个节点,垂直方向56个节点,合计2296个节点。
3.3 计算公式
3 油罐传热数模的建立与计算
导热微分方程和热平衡方程是建立数模的理论基础,而油罐系统温度场分布的计算需解决一些问题。
首先,油罐中原油与罐壁相接触,随着罐内原油温度的变化,必然引起原油运动,两者之间的传热按对流换热计算:
其次,原油传热计算中,油温降至临界点时,会释放液化热;最后部分区域的传热,涉及两种乃至四种介质,因此对传热平衡方程部分的计算公式作了相应的调整。
3.1 建立数模的四点假设:
（1视砼油罐壁外环境温度为稳定的。
这
对油罐系统的传热计算,按照三种类型的传热方式进行:
（1两种介质之间的热量传递,采用热平衡方程,按照热量从高温区传向低温区,通过热交换最终达成动态平衡的原理,这些区域包括系统周边与环境海水、系统内部砼与夹套介质之间的传热。
建立的公式如下:
T=
v1Θ1c1+v2Θ2c2
（1
T为平衡后两种介质的共同温度;T1、T2为平衡前两种介质的温度;v1、v2为平衡前两种介质的体积;ΘΘ1、2为平衡前两种介质的密度;
c1、c2为平衡前两种介质的比热。
是因为:
一是实验罐体与环境相比较小,受环境的影响很快对流;二是实际工程中油罐在水下有一定深度,罐壁周围是一个较大范围的稳定温度场,对罐壁外水体温度的变化可不计。
（2两种介质接触面的温度计算值一致。
所有流体介质,如海水和原油,与固体介质（如
（2对于导热系数不随温度变化的区域内
部的传热计算,如砼壁、夹套饱和砂水等区域,计算公式如下:
第15卷 第4期 中 国 海 洋 平 台 ・13・
T=
4
（2
其中:
T1、T2、T3、T4分别表示节点处的温度（节点位置参见图5;
（3油罐原油区域的传热计算,导热微分方程:
Θcp
=K（+v2
2
式（3是传热基本计算公式。
但是油罐系统
的传热复杂,涉及介质较多,又有凝油层的存在,,给温度3（4（（
其中:
Θ;qv为;K为材料导热系数。
（7。
由于整个系统是以A中心,因此在原油区域的传热计算中,只取一半计算,轴心处按绝热处理,按四种不同区域划分的具体计算公式如下:
1原油区域的绝热角落（图2:
T0=F0（T1+T2+2BiTf
T0、T1、T2、T3、T4分别表示节点处的温度;Tf
+T0（1-4F0-4F0Bi（4
为原油温度。
4内部（图5:
原油区域内部的传热计算,系引用《传热学》五点差分法:
T=
+cB（t
K1+K2+K3+K4
2原油区域与罐壁边界（图3:
T0=F0（T1+T3+2T2+2BiTf
（7
（5
+T0（1-4F0-2F0Bi
式中:
c是系数,取值0.0001:
B（t=95（1-e
-0.2t
3原油区域与罐壁的角落（图4:
T0=2F0（T1+T4+2T3+2T2+2BiTf3
+
-e
2Π
（22
（8
+T0（1-4F0-4F0Bi3（6
式中:
Bi=
式（7引进的源项B（t项系根据程序计算
的确定值与实测值反复比较,优化分析后,用两个数学函数式拟和的,表
1列出了B（t项的确定值和计算值随时间变化的关系,具体图形见图6（・为计算值,■为确定值。
其中:
K1、K2、K3、K4为各节点对应的传热系数,随温度变化:
T1、T2、T3、T4为各节点对应的温
K
F0=
2
Θc（dx
其中:
Α、K为原油换热系数、导热系数;Θ、c为物体的密度、比热;Bi、F0为毕渥（Biot准则、傅里叶（Fouier准则:
dx为水平方向网格宽度;
张日向,等 水下混凝土储油罐温度场数模优化计算与分析 2000年8月・14・
度值;t为运行时间。
表1
B（t随时间变化值
时 间 h确定值计算值
12019.98
23535.47
35048.71
46060.666
88.93.37
1893.86
Tf为外界环境（实验中是海水密度、
比热、温度;Θc1、T1、dx1为介质1的密度、比1、热、温度、网格宽度;Θc2、T2、dx2为介质2的2、密度、比热、温度、网格宽度。
（5时间步长dt的选取根据下计算式:
2
（10dt≤
4K
Θ、c、K为密度、比热、导热系数。
由于油罐中存在海水、砼、饱和砂水、原油四种介质,且有四种水平网格,因而有6个步长计算值,综合考虑各值后取30秒为时间步长。
图6:
B（t的确定值与计算值比较图
（4若罐外壁和饱和砂（或海水与环境海
水相接触,此时涉及三种介质,该部分的传热计算根据式（1进行调整,把原式中的项拆分成二项,故热平衡方程经处理后,接触面温度计算如下式:
T=
Θc（dx1+dx2+Θ1c1dx1+Θ2c2dx2
（9其中:
4 油罐的温度计算值与实测值比较
4.1 计算值与实测值的对比
试验采用大庆原油和渤海海水作试验物料,传热介质为饱和砂水或海水,环境温度为18℃。
选用四组试验工况（见表2,其计算值和实测值的比较结果示于图7～14。
表2 试验工况组别
图号
7891011121314
工况
1A
11A22A12A23B13B24B14B2
原油高度
1.67m1.67m1.67m1.67m1.67m1.67m1.67m1.67m
初始温度
70℃70℃67℃67℃70℃70℃67℃67℃
介质饱和砂饱和砂海 水海 水饱和砂饱和砂海 水海 水
位 置
A轴中心线A轴中心线A轴中心线A轴中心线81CM水平线81CM水平线81CM水平线81CM水平线
运行时间
4h18h4h18h4h18h4h18h
注:
图7～14中●为计算值;■为测试值;
第15卷 第4期 中 国 海 洋 平 台 ・15・
图7AA8 工况1A2
A轴温度线
图9 工况2A1A轴温度线 图10 工况2A2A轴温度线
图11 工况3B1径向温度线 图12 工况3B2径向温度线
图13 工况4B1径向温度线 图14 工况4B2径向温度线
张日向,等 水下混凝土储油罐温度场数模优化计算与分析 2000年8月・16・4.2 数模结果分析（1从图714可见计算值和实测值上中～段及下段不能很好吻合;而后,把换热计算公式改为热平衡方程后,温度曲线吻合很好。
部比较吻合,下部稍小,这与所选参数有关。
（2试验测试表明,原油和罐壁之间有一个升温区,这是因为刚开始时,所有原油温度均较高,砼罐壁温度较低,原油在运动过程中,热量向周围扩散,通过热量交换达到平衡;但另一方面,在热交换过程中,靠近罐壁的原油温度降低较快,很快达到凝油临界温度（试验所用原油临界温度为41℃,原油冷凝放热,致使罐壁周围温度略有升高。
在测试结果中,可看到这一稍[6]高温度值,而计算值比较平缓（见图11～14。
（3计算中原油液化热取值55Kcalkg[2],通过本程序多种工况运行比较,发现取用该值计算值和实测值吻合较好。
（4环境温度已假定为恒定不变,而由于传热影响,外壁砼温度比相邻环境海水温度略高,这就存在传热计算问题,在计算环境海水对砼外壁的温度影响时,使用换热公式计算。
经换热后海水温度升高,外壁砼温度降低,据此计算确定的B（t代入程序中,发现计算值与实测值在A轴的温度曲线中间虽然吻合较好,但是上5 结论 从以上的分析比较可见,用本文所推荐的数学模型进行水下储油罐的温度场计算,其结果与实验值吻合良好。
该数学模型可以应用于实际工程设计的温度场计算。
参考文献[1] 程尚模.传热学[M],高等教育出版社,1990.[2] 侯芙生.炼油工程师手册[M].石油工业出版社,1995.[3] 油气集输储运设计手册[M].大庆油田科学研究设计院,1975.[4] 张凤禄等译.传热的有限差分方程计算[M].冶金工业出版社,1982.[5] 陈毓琛,冯旅平.混凝土水下油罐的传热分析与数模计算[J].石油学报,1998,（2.[6] 卢佩琼.水下储存易凝原油的传热规律研究[J].油气储运,1997,（8.[7] 陶文栓.数值传热学[M],西安交大出版社,1986.美国企业界认为气浮处理污水经济 据美国石油技术推广协会网站报道,最近美国JAMESERUSSELL石油公司在肯萨斯州东南部水驱项目中对气浮进行了试验,证明能有效改善水质。
由于袋式过滤器或标准过滤器不能将水质处理到不堵塞注水井的程度,生产过程中不得不定期洗井,且注水压力相当高。
水驱作业的水源是采出水和补充水。
两种水混合后悬浮固体含量高,堵塞了75Λ过滤m器。
安装了气浮装置后,注水井过滤器更换成10Λ滤芯。
药剂费降低了四分之三。
m这项技术吸引肯萨斯东南部其它矿区的原油生产单位进行参观。
他们表示有兴趣在各自水驱作业中采用这一技术。
美国石油技术推广协会计划在全美石油生产单位推广这一技术。
[王勇 译自因特网信息]
ChinaOffshorePlatform（Bionthlym.Vol15 No.4 August2000 CONTENTSNumericalModelSiulationandExperientalResearchontheLiftingForceofMarineOilmmPipeline………………………………………………………………KangHaigui,ZhiGangjun （7ThesynchronisticalmeasurementformarinepipelineliftingforceandsurroundingcurrentfieldinwavefieldwascarriedoutbyintroducingaPIsystemmethod.TheN2SandPossione2VThesurroundingcurrentfieldatlowerRenoldnumberwasthenobtained.Thetworesultswerecompared,analyzedanddiscussed.ANumericalModelofTemperatureFieldofUnderwaterConcreteOilStorageTankquationswerecalculatedbyusingthevelocityandpressuremodificationmethodatthesametie.m…………………………………ZhangRixiang,CaoQinfang.KangHaigui,HanLihua （11Basedontheheatequilibriumfundamentaltheoryandtheunsteadyheattransmitequation,americalpredictionwasobtainedandcomparedwiththeexperientaldata.Theresulthasshownamgoodagreementbetweenthem.ModelTestofNon-refrigeratedBreakableIceSheetsActingonVerticalPileStructurenumericalmodeloftemperaturefieldofanunderwateroilstoragetankwasestablished.Thenu2………………………………ShenZhaowei,WangYongxue,LiZhijun,LiGuangwei （17asDUT21modelicenewlydevelopedbyDalianUniversityofTechnologyareintroduced.Therefrigeratedbreakableicemodelisfeasibleandreliable.TheStructureAnalysisofJack-upDrillingPlatform"GanghaiNO.1"………………………andaboard..ThetestresultshaveshownthatthephysicalsiulationtechnologyofDUT21non2melementmethod.Thisworkincludestheoptiizationofthestructurecalculationmodel,theanaly2msisofthecalculatingresultandthepredictionofthestrengthandstiffnessoftheplatformstruc2ture.ComputationofDynamicalResponseofIdenticalSubstructureChainbyDirectIntegrationlyzedandthemeasurediceforcesactingontheverticalpilestructureiscomparedwiththecalcu2latediceforcebyusingempiricalformulaswhichisadoptedratherwidelyatpresentbothathome.testingfacilitiesandtestingmethodforthismodelicearedescribedaswellThetestresultisana2Thephysicalandmechanicalpropertiesofnon2refrigeratedbreakableicematerial（referredto…………………………………………………………………………………PengXimin （21Thestructurestaticanalysisofjack2upplatform"GanghaiNo.1"iscarriedoutbyusingfinite
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