CN105675450A - 浮顶原油储罐传热传质过程实验装置及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是浮顶原油储罐传热传质过程实验装置及其实验方法，其中浮顶原油储罐传热传质过程实验装置包括实验罐，实验罐为浮顶储罐，实验罐的罐壁和浮顶外侧分别有温控水浴夹层，水浴夹层内设置有罐壁温度传感器；罐底外壁有电热膜，罐底内壁安装有温度传感器，电热膜和温度传感器均与数据采集控制系统相连；测试管穿过浮顶测试孔伸入到罐内，测试管内封装了多个热电偶，测试管与数据采集控制系统相连，数据采集控制系统与计算机相连；浮顶内壁、罐壁内壁、罐底内壁均设置多个热流传感器，罐壁的热流传感器与热电偶对应布置；测试孔沿径向依次排列，测试孔与罐底内壁设置的热流传感器一一对应；测试管上还布置有取样孔，实验罐连接预热罐。本发明测试数据丰富、测量结果准确。

Description

浮顶原油储罐传热传质过程实验装置及其实验方法

技术领域

本发明涉及用于进行原油在浮顶储罐内静置储存、收发油和投产过程的传热传质规律实验研究，具体涉及浮顶原油储罐传热传质过程实验装置及其实验方法。

背景技术

近年来，为了应对世界石油形势，我国相继开展了石油战略储备库建设，兴建了多座大型石油储备库。由于具有低蒸发损耗、经济性好的优势，浮顶储罐成为了首选的储油罐型。在原油的储存过程中，其温度变化规律一直是生产中所关心的问题，掌握不同工况下储罐的油温分布及变化规律是制定储罐运行管理方案、合理控制加热温度，优化加热方案的基础，也是实现原油储运过程节能降耗、低碳环保的前提。

当储罐内储存油品为含蜡原油时，其传热过程更为复杂。对于含蜡原油，当温度较高时，原油中的蜡组分处于溶解状态，原油粘度较低。随温度降低，原油中的蜡组分逐渐结晶并析出，当蜡晶析出量达到2％～3％时，便可形成三维网状结构，阻碍原油流动，导致原油整体失去流动性并凝固。原油的组成和含蜡量变化直接影响其热物理性质和流变性，而原油物性的变化又会对原油的温度分布造成影响，进而又将改变原油的组成和析蜡特性。因此，只有将原油的传热、传质过程相耦合，才能从本质上揭示其温度场变化规律，准确预测原油的温降速率。此外，原油储罐长期运行后，往往在罐底沉积大量油泥，当油泥高度超过储罐进出油口高度时就会导致储罐收发油过程受阻。而在一定条件下罐壁附近形成的凝油也会对浮顶的正常运行、密封效果产生一定影响，对原油传质特性的研究对于保障储罐的安全、稳定运行也格外重要。

目前，针对浮顶储罐内原油储存过程传热传质规律的研究，常用方法为计算机数值模拟，但已有研究仅是针对原油的传热过程，没有将原油的蜡沉积、组成变化与其传热过程相耦合。加之缺乏高效的数值求解算法，导致数值模拟效率低、计算误差较大。也有部分研究采用现场测试方法，通过在储罐内安装温度传感器测试油温变化。但由于实际生产工况复杂多变，导致现场测试所得到的数据难以准确表征原油温度场变化的本质规律。此外，由于难以控制现场试验条件，导致对原油传热过程影响因素的研究难以科学、有效的进行。对于室内实验研究，已有建立室内模拟罐进行原油温降研究的文献报道，但其所建立的实验罐与实际浮顶储罐的结构差异较大，没有体现浮顶储罐的边界特点，且仅能针对原油静置储存的温降过程进行研究，测试数据也只有温度，无法获得原油温降过程的组成、含量变化和散热损失数据，对原油传质过程的研究难以实现。由于缺乏有效的控温手段，无法准确控制储罐不同边界的温度变化，难以实现对原油传热传质过程影响因素深入研究的目的。综上，目前尚没有能够较真实的模拟浮顶原油储罐结构特点，准确、灵活控制实验条件，以储罐内原油传热、传质的耦合过程作为研究对象的实验装置和方法。

因此，建设一套针对浮顶储罐结构和传热边界特点，实现对不同环境温度下原油静置储存、收发油和投产过程模拟，测试原油温度场、热流密度和成分、含量变化的实验装置，以此进行原油传热传质规律研究，对于明确原油储罐的温度场变化规律，提高原油储罐的运行管理水平、实现节能降耗都具有重要的现实意义与指导作用。有鉴于此，本发明提出一种模拟浮顶原油储罐传热传质过程的实验装置和方法，以克服现有技术缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供浮顶原油储罐传热传质过程实验装置，这种浮顶原油储罐传热传质过程实验装置用于解决现有技术中对储罐内原油储存过程传热传质规律进行研究的实验装置缺少真实性的问题，本发明的另一个目的是提供这种浮顶原油储罐传热传质过程实验装置的实验方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种浮顶原油储罐传热传质过程实验装置包括实验罐，实验罐为浮顶储罐，实验罐的罐壁和浮顶外侧分别有温控水浴夹层，水浴夹层内设置有罐壁温度传感器，罐壁夹层被分隔成多段螺旋形流道，每段螺旋形流道分别与一台独立的第二恒温水浴相连；浮顶夹层被折流挡板分隔，并与第一恒温水浴相连；罐底外壁覆盖有电热膜，罐底内壁安装有罐底温度传感器，电热膜和罐底温度传感器均与数据采集控制系统相连；浮顶布置多个贯穿的测试孔，测试管穿过测试孔伸入到实验罐底部附近，测试管内封装了多个热电偶，热电偶头部通过测试管上的电偶孔伸出，热电偶与电偶孔间采用与测试管相同材质的塑料密封，测试管留在浮顶外部分通过引出的导线与数据采集控制系统相连，数据采集控制系统与计算机相连；浮顶内壁、罐壁内壁、罐底内壁均设置多个热流传感器，罐壁上设置的热流传感器与测试管中设置的热电偶沿高度方向一一对应布置；测试孔自浮顶中心至罐壁沿径向依次排列成一排，测试孔与罐底内壁设置的热流传感器一一对应；测试管上还布置有取样孔，实验罐通过螺杆泵连接预热罐。

上述方案中测试孔非等间距布置，距离罐壁越近，相邻测试孔的间距越小，在每个测试孔内安装一组测试管，根据实验目的和数值模拟结果优化布置，实现分析原油温度场分布，例如为了捕捉罐壁温度边界层变化，而测试管伸入到实验罐底部的进油口处，可以分析收发油过程对原油传热传质过程的影响。

上述方案中罐壁上安装有进油口，进油口与进油管段相连，其上安装有温度传感器和球阀，进油管段的另一端与第一螺杆泵相连；与进油口相邻的位置安装有出油口，出油口与出油管段相连，其上也安装有温度传感器和球阀，出油口还安装流量计，出油管段的另一端与第二螺杆泵相连，第一螺杆泵、第二螺杆泵均与变频器相连，变频器与数据采集控制系统集成，可用于接收原油进入实验罐或将实验罐内的油品排出，控制螺杆泵的转速，进而按照实验要求调节流量，螺杆泵具有剪切作用小，泵内温升小的优点，并且运行平稳，适用于输送高粘度的介质。

上述方案中测试管伸出罐外部分，其表面涂覆有保温涂料，测试管内部采用聚氨酯填充剂进行填充密封，以减少油蒸汽挥发和散热损失；

上述方案中预热罐与实验罐的容积之差为正数。

上述浮顶原油储罐传热传质过程实验装置的实验方法：

利用预热罐将实验油品加热到预定温度；

调整浮顶位置，使实验罐内形成指定高度的储液空间；

利用恒温水浴、电热膜将实验罐罐壁、浮顶、罐底和进油管段分别控制在指定温度；

通过第一螺杆泵以预定流量输出所述达到预定温度的油品，使其流经流量计量设备、进油管段后进入实验罐；

利用所述多个温度传感器、热电偶实时监测实验罐径向、轴向不同位置的油品温度；

利用多个热流传感器实时监测实验罐浮顶、罐壁和罐底的热流密度；

持续注油过程直到充满实验罐，投产过程结束；

关闭第一螺杆泵、进油阀门，开始油品静置储存温降实验；

利用所述多个温度传感器、热电偶、热流传感器持续测试、采集数据；

利用取样针通过测试管的取样孔对罐内油品取样；

利用差示扫描量热仪、气相色谱仪测试油样的成分、含量、析蜡点和含蜡量；

当实验罐内油品达到预定温度后，移除浮顶，通过第二螺杆泵按预定流量通过出油口将实验罐内油品输出至预热罐；

实验罐内液位低于出油口高度后，开启罐底排油口阀门，关闭出油口阀门，从底部排除剩余液态油品；

观察实验罐内的凝油和沉积物分布，测试凝油层厚度；

取样测试实验罐内存油的组成、析蜡点和含蜡量等；

控制恒温水浴、电热膜，升高罐内油温；

通过排油口排净罐内剩余油品；

根据测得的温度、热流数据分析实验罐的温度场、散热损失变化；

根据测得的油样分析结果，分析原油中不同成分的传质过程；

根据测得的油壁温差和热流密度的比值得到凝油层的平均热阻；

根据凝油层平均热阻和测得的油品组成、含量分析原油成分变化对其物性参数的影响。

上述浮顶原油储罐传热传质过程实验装置的实验方法：

利用预热罐将实验油品加热到第一预定温度；

调整浮顶位置，使实验罐内形成指定高度的储液空间；

利用恒温水浴、电热膜将实验罐罐壁、浮顶、罐底和进油管段分别控制在指定温度；

通过第一螺杆泵以预定流量输出所述达到预定温度的油品，使其流经流量计量设备、进油管段后进入实验罐，持续注油直到充满实验罐；

关闭第一螺杆泵、进油阀门，开始储罐静置储存过程；

实验罐内油温达到预定值后，利用电热膜使预热罐达到第二预定温度；

打开实验罐进油阀门，预热罐发油阀门，通过第一螺杆泵以预定流量输出所述达到第二预定温度的油品至实验罐，同时打开实验罐出油阀门，预热罐进油阀门，通过第二螺杆泵以预定流量将实验罐内油品输出至预热罐，开始实验罐收发油过程传热、传质实验；

利用所述多个温度传感器、热电偶、热流传感器持续测试、存储原油温度、热流密度数据；

利用取样针通过测试管的取样孔对油品取样，利用差示扫描量热仪、气相色谱仪测试油样成分、含量、析蜡点和含蜡量；

实验罐内油品达到预定温度后，移除浮顶，关闭第一螺杆泵，实验罐进油阀门，预热罐出油阀门；

通过第二螺杆泵将实验罐内油品输出至预热罐；

实验罐内油品液位低于出油口高度后，关闭出油阀门，开启罐底排油阀门，从底部排除剩余液态油品；

观察实验罐内凝油层和沉积物分布，测试凝油层厚度；

取样测试实验罐内存油的组成、析蜡点和含蜡量等；

控制恒温水浴、电热膜，升高实验罐内油温；

通过排油口排净实验罐内剩余油品；

根据测得的温度、热流数据分析实验罐的温度场、散热损失变化；

根据测得的油样分析结果，分析原油中不同成分的传质过程；

根据测得的油壁温差和热流密度的比值可计算凝油层的平均热阻；

根据凝油层平均热阻和测得的油品组成、含量分析原油成分变化对其物性参数的影响。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明可以模拟原油在浮顶储罐内静置储存、收发油和投产过程，测试原油温度分布、壁面热流密度，取样测试原油的成分和含量变化等。具有结构合理、设计精巧，实验条件易于控制，测试数据丰富、测试点布置方便、测量结果准确等特点，并且实现了对储罐内凝油及沉积物分布规律可视化，有利于深入研究原油在浮顶储罐内的传热、传质特性。

2、本发明实验罐与预热罐配合，可以模拟原油储罐收发油、投产和静置储存等多种过程，为研究原油储罐在不同运行状态下的传热传质特性提供了实验条件。

3、本发明实验罐的罐壁夹层由多段螺旋形流道构成，采用恒温水浴分段控温的方式，提高了控温精度，罐壁温度分布更均匀，同时也增强了实验方案制定的灵活性。

4、本发明实验罐的罐顶、罐壁采用不同的水浴控温，能够更好的模拟实际浮顶储罐的传热边界特点，使实验结果能更有效的反应真实储罐的传热规律。通过控制水浴，可令罐顶、罐壁温度按指定轨迹变化，研究温度动态变化时原油的传热传质规律。

5、本发明由于实验罐的罐顶可移动、可从罐内移除，使原油液位可变，利于研究不同液位下原油的传热传质规律。同时也实现了对实验罐内凝油结构、石蜡等成分沉积规律的可视化，为深入研究原油的传热传质机理奠定基础。

6、本发明测试管内温度传感器的位置，罐顶测试孔的位置都以数值模拟结果为依据进行设计，使测试结果能更有效的揭示原油的温度分布规律。

7、本发明采用的取样方法对原油温度场、凝油结构影响小，可以对储罐内不同位置的原油取样，利于监测原油组成变化，为原油传热传质特性研究提供条件。

8、本发明采用的热流传感器测试精度高，响应时间短，对原油热流场影响小，可以监测原油与壁面间的瞬态热流密度变化。与温度传感器结合，可以对凝油层热阻、导热系数进行计算，研究原油在不同状态下的热物性参数变化规律。

9、本发明实验罐的罐顶、罐壁采用保温涂料保温，实现方便，保温性能好，并且能适应不同壁面的结构特点。

附图说明

图1是为本发明实验装置的总体结构原理示意图；

图2是本发明中实验罐的结构示意图；

图3是本发明中测试管的结构示意图；

图4是本发明中预热罐的结构示意图；

图5是图2中A处的放大图；

图6是图2中B处的放大图。

图中：1实验罐；2第一恒温水浴；3浮顶进水口；4浮顶出水口；5第二恒温水浴；6罐壁；7浮顶；8预热罐；9第一螺杆泵；10第二螺杆泵；11数据采集控制系统；12PC机；13电热膜保温材料；14金属防护层；15折流挡板；16测试孔；17测试管；18热电偶；19支撑结构；20热电偶孔；21热流传感器；22热电偶密封部件；23罐壁温度传感器；24取样孔；25罐壁进油管段；26进油管段温度传感器；27搅拌器；28电机；29罐壁出油管段；30出油管段温度传感器；31流量计；32罐底排油口；33罐底排油管段；34预热罐出油管段；35预热罐流量计；36预热罐进油管段；37预热罐排油管段。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

如图1所示，这种浮顶原油储罐传热传质过程实验装置包括实验罐1、预热罐8，实验罐1通过螺杆泵连接预热罐8。实验罐1按照实际浮顶储罐的结构特点设计而成，高径比参照真实浮顶储罐高径比例设计，是进行原油静置储存、投产和收发油过程实验的主体设备。浮顶设置有温控水浴夹层，第一恒温水浴2与浮顶进水口3（即水浴夹层进水口）、浮顶出水口（即水浴夹层出水口）4相连，用于对罐顶壁面温度的控制，模拟罐顶外部的环境条件。第二恒温水浴5与罐壁6进水口、出水口相连，用于对罐壁6壁面温度的控制，模拟罐壁6外部的环境条件，预热罐8用于对实验油品进行预热处理和实验后油品的回收，也可与实验罐1组合实现实验罐1的收发油循环过程。第一螺杆泵9用于将预热罐8内油品按指定流量输出至实验罐1中。第二螺杆泵10用于将实验罐1内油品按指定流量排出至预热罐8中。数据采集控制系统11与温度、热流传感器21、流量计31、预热罐8的搅拌器27、第一螺杆泵9、第二螺杆泵10及电热膜相连，用于对传感器输出信号的转换和采集，调节螺杆泵排量和搅拌器27转速，控制电热膜温度等。数据采集控制系统11通过端口与PC机（即计算机）12相连，可以在PC机中实现对采集的温度、流量和热流数据的显示、存储和读取功能。

结合图2、图5、图6所示，实验罐1为浮顶储罐，具有可移动式罐顶，罐顶（即浮顶7）与实验油样紧密接触，与罐壁6间通过密封结构相连；罐顶内设有夹层，夹层内设置有折流挡板15，罐顶夹层通过进水口和出水口与恒温水浴相连。采用水浴控温方式控温精度高，壁面温度分布均匀。根据实验罐1直径不同，可以采用多台水浴分段控温或单台水浴整体控温的方式。罐顶开有多个贯穿的测试孔16，测试孔自浮顶中心至罐壁沿径向依次排列成一排，测试孔与罐底内壁设置的热流传感器一一对应，测试孔16封装了热电偶和导线的测试管17（如图3所示）穿过测试孔16伸入罐内，测试管17通过密封部件与测试孔16连接。测试孔非等间距布置，距离罐壁越近，相邻测试孔的间距越小，在每个测试孔内安装一组测试管，测试孔16位置根据实验目的和数值模拟结果优化布置，实现分析原油温度场分布，例如为了捕捉罐壁温度边界层变化，距离罐壁6越近，相邻测试孔16间距越小。为了分析收发油过程对原油传热传质过程的影响。罐顶边缘安装有密封结构，包括支撑结构19和密封材质。作为一个举例，密封材质可以采用聚氨酯硬质泡沫，其导热系数为0.022～0.033W/m·K，是一种具有保温与防水功能的合成材料，并且与罐壁6间可以产生较好的摩擦力。罐顶上表面涂覆隔热保温涂料，作为一个举例，可以采用北京兴通力得公司的LEADERA180型隔热保温涂料，其导热系数可达0.031W/m·K，工作温度范围为-50~145℃，防火、防腐，且施工方便，适用于对实验罐1罐顶表面的保温。由于罐顶可移动，提供了对不同液位下原油传热传质特性研究的实验条件。实验结束后移除罐顶，排空液态油品，可以观察到罐内凝油层厚度和沉积物的分布情况，实现原油传质规律的可视化。

罐顶下表面布置多个热流传感器21，用于测试原油与罐顶壁面间的热流密度，罐壁上设置的热流传感器21与测试管17中设置的热电偶18沿高度方向一一对应布置，可以根据两者的测试数据计算凝油层热阻及导热系数，结合凝油层内原油的取样测试结果，分析原油传热传质的相互耦合规律。作为一个举例，热流传感器21可以采用法国Captec公司的HS-30型超薄热流传感器，其厚度为0.4mm，长、宽为30mm，热阻为0.00015°C/(W/m²)，对原油热流场影响很小。传感器的测量灵敏度优于2.5V/(W/m²)，准确度优于3%，具有较高的测量精度，响应时间为300ms，适于测试热流密度的瞬态变化。安装热流传感器时，可以将超薄导热双面硅胶片粘贴在传感器与壁面之间，为了消除壁面可能不平整导致的接触热阻，可以在待测壁面上涂抹导热硅脂，与传感器配套的电缆线可沿壁面布置，减少对原油温度场的影响。

实验罐1的罐壁内设置温控水浴夹层，水浴夹层内设置有罐壁温度传感器23，水浴夹层为多段夹层，分别由单独的第二恒温水浴5进行控温。每段夹层内设置螺旋形流道，循环水入口与罐壁相切，增强循环水在罐壁处的换热强度。夹层和水浴数量由实验储罐的具体直径和高度决定。由于采用与罐顶不同的水浴进行控温，可以研究原油储罐在罐顶、罐壁6具有不同边界条件时的传热传质特性，使实验罐1具有更接近真实浮顶7储罐的边界特点。采用分段控温方式可以提高控温精度和壁面温度分布的均匀性。还可以较为灵活的控制实验条件，例如通过对罐壁6分段控以不同的温度，模拟真实储罐长时间运行导致的保温结构破损、罐壁6保温效果不一致的情况，研究此种情况下原油的传热传质特性。也可以通过分段控温产生初始不均匀的温度场，研究此种条件下原油的传热传质特性。当控制水浴以一定升温或降温速率进行实验时，可以模拟环境温度的瞬态变化对原油传热传质过程的影响。通过设定符合实验要求的温变轨迹，最终将更有利于研究人员较为全面的研究壁面温度等条件变化对原油传热传质过程的影响。罐壁6不同段夹层的循环水进、出口附近分别安装了温度传感器23，可用于对罐壁6温度的实时监控，根据测试结果对水浴进行调节以达到更为精确的控温效果。罐壁6上安装有进油口，与管壁进油管段25相连，其上安装有进油管段温度传感器26，球阀，可用于接收原油进入实验罐1，进油管段的另一端与第一螺杆泵9相连。与进油口相邻的位置安装有出油口，与出油管段29相连，其上安装有出油管段温度传感器30，球阀，流量计31，用于将实验罐1内的油品排出，出油管段的另一端与第二螺杆泵10相连。作为一个举例，流量计31可以采用德国科隆公司的质量流量计。为了不破坏实验罐1罐壁6附近的凝油结构，同时利于液态油品的排空，进出油管段分别向实验罐1内延伸一段距离。实验罐1的水浴夹层外部涂覆有保温涂料，以减少水浴夹层的散热损失，提高罐壁6控温效果。

第一螺杆泵9、第二螺杆泵10分别与变频器相连，变频器与数据采集控制系统11集成，用于控制螺杆泵的转速，进而按照实验要求调节流量。螺杆泵具有剪切作用小，泵内温升小的优点，并且运行平稳，适用于输送高粘度的介质。

实验罐1底部外侧壁面安装有电热膜，内侧壁面安装有罐底温度传感器，两者与数据采集控制系统11相连，电热膜外侧安装有保温材料13，作为一个举例，电热膜保温材料13可以采用聚氨酯泡沫。电热膜保温材料13外侧安装有金属防护层14。实验罐1底部安装有罐底排油口32，与罐底排油管段33相连，其上有球阀，罐底排油管段33旁接于实验罐1的出油管段。

如图3所示，测试管内间隔不同距离封装了多个热电偶18，测试管17对热电偶18起到一定的保护作用，并将其固定在指定位置上，测试储罐轴向温度分布。热电偶18的数量和间距是在数值模拟基础上确定的，例如为了捕捉贴近壁面处的温度边界层，计算凝油层变化速率，距离罐顶、罐底内侧壁面越近，相邻传感器间距越小、数量越多；远离壁面，传感器间距逐渐增大。测试管17上与热电偶18头部对应位置处开有热电偶孔20，热电偶18头部通过热电偶孔20稍微伸出测试管17，与油品直接接触，热电偶18和热电偶孔20间采用热电偶密封部件22密封，热电偶密封部件22与测试管17相同材质的塑料。测试管17可以采用聚碳酸酯（PC）塑料制作，该种塑料耐酸、耐油、耐热，具有抗冲击性能和UL94V-0级阻燃性能。由于PC塑料的导热系数接近0.2W/m·K，与原油导热系数接近，可以最大限度的减少对原油温度场的影响。通过密封部件，测试管17可与罐顶测试孔16紧密接触，减少油蒸汽挥发。密封部件上临近传感器的位置开有取样孔24，通过取样孔24，利用取样针可以在储罐内的不同位置取样，样品温度可以根据取样点对应的热电偶18读数确定。通过气相色谱仪、差示扫描量热仪、流变仪等可以测试所取油样的成分、含量、析蜡点和流变性等，进而分析原油中石蜡等成分的沉积规律和对原油物性的影响。同时，在实验罐1进油过程中，取样孔24还可以起到排出罐内空气和油蒸汽，平衡罐内外压力的作用。罐内油品注满时，取样孔24可以通过密封配件进行密封。测试管17的上表面涂有隔热保温涂料，以减少测试孔16处的散热损失。测试管17内部采用聚氨酯填充剂进行填充密封，以减少油蒸汽挥发和散热损失。热电偶18伸出罐外部分与数据采集控制系统11相连，数据采集控制系统11通过端口与PC机12连接。PC机12安装有数据处理软件，可以实时查看和处理测试数据。

为了获得不同高度的油样，可以采用不同长度的实验室专用取样针，取样针上刻有刻度值。取样时，可以根据取样针上的刻度结合原油液位确定所取油样的高度。为了减少对实验罐1内流场的影响，准确取得预定位置的油样，采用的取样针直径小于5mm，具有侧孔针头结构。进行取样时，未到达指定深度，针孔被套管封闭，到达预定位置后，旋转套管令针孔打开，取得油样后，封闭针孔，取出取样针，获得指定位置的油样。

如图4所示为预热罐8的结构示意图，预热罐8的罐顶安装有搅拌器27，可用于搅拌罐内原油，使其均匀升温。搅拌器27采用双螺带结构，搅拌时覆盖的范围大，能够使预热罐内不同位置的油品都能充分混合。搅拌器27由电机28驱动，电机28的转速由变频器控制，变频器与数据采集控制系统11集成。罐壁、罐底外侧壁面覆盖有电热膜，内侧壁面安装有热电偶，电热膜外包裹保温材料，保温材料外有金属保护层。应用的电热膜为挠性、可弯折，能与罐壁、罐底表面紧密接触。作为热源，能快速的建立起均匀、稳定的温度场，且可方便的与数据采集控制系统11集成为一体。保温材料可以选择聚氨酯泡沫，金属防护层14可以采用镀锌铁皮制作。预热罐8的罐壁上开有出油口，与预热罐出油管段34相连，其上安装有球阀，预热罐流量计35，预热罐出油管段34的另一端与第一螺杆泵9相连。罐壁上与出油口相邻的位置开有进油口，与预热罐进油管段36相连，其上安装有球阀，预热罐进油管段36的另一端与第二螺杆泵10相连。预热罐8的底部开有排油口，与预热罐排油管段37相连，其上安装有球阀，可通过预热罐排油管段37将实验后的废油排出到预热罐8外。

实验罐1、预热罐8的进出油管段、底部排油管段外都包裹电热膜，用于对管段温度的控制，使达到实验温度的油样通过进出油管段时不会产生额外的散热损失。此外，实验结束后通过电热膜可以对管段内的存油加热，增强其流动性，使其排出管段。电热膜外还包裹有保温层，用以减少管段的散热损失。

实验罐1和预热罐8的进出油管段上都安装有空压机接口，压缩空气通过接口可以对管段内的存油进行吹扫。

本实验装置还包括数据采集控制系统11，分别与多个温度传感器、热流传感器21、质量流量计31连接，用于按照预定的采样率获取温度、热流和流量信号，数据采集控制系统11内还安装有屏蔽器，可用于消除变频器对传感器的干扰，作为一个举例，屏蔽器可以采用美国优倍电器公司的NPGL-CM通用型隔离器。数据采集控制系统11与PC机12相连，由PC机12中的软件进行数据显示和数据存储。通过数据采集控制系统11还可对与螺杆泵相连的变频器进行调节，进而控制螺杆泵的流量，与搅拌器27的电机28相连，控制电机28的转速，也可以通过控制加热功率或加热时间实现对电热膜温度的控制。

下面对上述实验装置的工作流程进行介绍，在本实施例中基于上述实验装置进行浮顶原油储罐传热传质过程实验可以分为实验前检测、预热油样、自然降温、投产过程、静置实验、油品取样和样品测试等实验步骤，具体过程如下：

实验前检测：检查实验装置是否处于正常运作状态，包括：温度、热流传感器21测试数据是否准确、稳定，数据采集控制系统11及软件读数是否稳定、数据存储是否正常，螺杆泵运转是否正常，水浴工作是否正常，阀门是否处于正常开关状态，罐壁、罐顶循环水进口、出口，排油管，进油管等管段是否正确连接，接口是否牢固。

预热油样：将实验油样注入预热罐8，调节温度控制系统，使电热膜开始工作，同时开启搅拌器27使油样均匀升温至预定温度，并静置一段时间。预热的目的是消除油样的热历史和剪切历史影响，并使油品中的不同成分充分溶解。预热温度由油品种类决定。

自然降温：调节温度控制系统，改变加热膜的供热量或令其停止工作，使油样在搅拌的状态下均匀地降温至实验温度。同时调节与实验罐1相连的恒温水浴，使实验罐1的罐壁6和罐顶分别达到实验要求的预定温度，并保持恒温。通过温度控制系统调节实验罐1底部的电热膜，使其温度达到预定值。实验罐1的不同壁面温度可根据具体实验目的而设定，例如，可以设置罐顶温度最低、罐壁温度高于罐顶，罐底温度最高，模拟实际浮顶储罐的传热边界特点。调节实验罐1进油管段的电热膜，使进油管段的温度与油品的实验温度相同。

投产过程：开启第一螺杆泵9，利用变频器调节螺杆泵的转速，将达到实验温度的油样从预热罐8中按指定流量输出，使油品依次经过预热罐发油管段、第一螺杆泵9、流量计量设备、进油管段流入实验罐1，直到充满实验罐1。注油过程中，温度、热流传感器21持续工作，数据采集控制系统11持续记录温度、热流数据。可选的，可仅针对油品的注油投产过程进行实验，通过改变罐底温度，注油流量、温度，形成不同的实验工况，测试不同投产条件下原油的温度、热流密度数据，结合取样对油品组成、含量的测试，研究原油储罐投产过程的传热、传质规律。

静置实验：实验油样充满实验罐1后，关闭第一螺杆泵9，阀门，开始原油静置储存温降实验。此时，数据采集控制系统11持续记录实验罐1内的温度、热流密度数据，根据测试数据可分析油品静置储存时的传热规律。

油品取样：随实验进行，根据测试数据变化，间隔一定时间选择罐顶不同位置的取样孔24对不同高度处的油品进行取样。取样点的径向位置、轴向高度由具体实验方案决定。例如，可在距离罐壁、罐顶、罐底内侧壁面的远近不同位置取样，所取样品可代表受传热边界不同影响程度的油样。

油样测试：对油样的组成、含量进行测试。例如，可采用气相色谱仪对所取油样进行全烃组分测试，采用差示扫描量热仪对油样的含蜡量和析蜡点进行测试，采用流变仪测试油样的屈服应力、粘度等流变性参数，根据测试结果分析原油静态储存过程的传质规律。

观测凝油分布：当实验罐1内油品冷却至预定温度后，可在保持罐顶、罐壁、罐底壁面温度不变的前提下，打开实验罐1的出油阀门、开启第二螺杆泵10、同时打开预热罐8进油阀门，将实验罐1内的液体油品排至预热罐8中。当液位低于实验罐出油口高度后，打开实验罐底部的排油口阀门，关闭出油口阀门，将剩余液态油品由第二螺杆泵10排出至预热罐8中。液态油品排空后，移除实验罐1罐顶，对罐内凝油分布情况进行观察，并测量凝油层厚度，同时对不同位置的油品进行取样，进一步测试油样组成和含量变化情况。

数据分析：根据持续监测的热流密度、温度数据，结合所取油样的成分组成、含量数据，可以对原油静置储存状态下的温度场变化规律，传热、传质规律进行分析，可对原油组成与其热物理性质的相互关联进行分析。

收发油实验：可选的，当油品静置储存实验进行一定程度后，改变预热罐8内的油温，使其达到第二预定温度，开启预热罐8出油阀门、实验罐1进油阀门、第一螺杆泵9，以一定流量向实验罐1内注入油品，同时打开实验罐1出油阀门、预热罐8进油阀门、第二螺杆泵10，使实验罐1内的油品排至至预热罐8中，在实验罐1和预热罐8间形成循环，从而在实验罐1内模拟原油储罐的收发油过程，持续记录该种状态下原油的温度、热流数据，间隔一定时间取样测试油品组成、含量，根据测试数据可以对储罐收发油过程原油的传热传质规律进行分析研究。

升温实验：当油品静置储存实验进行一定程度后，可不排空罐内液态原油，而是设定恒温水浴的升温速率，使实验罐1的罐顶、罐壁温度升高，令罐内凝油融化，持续记录该种状态下的油温及热流密度数据，间隔一定时间对不同油品取样，研究壁面升温导致的凝油融化过程的传热、传质规律，与降温过程的实验数据相结合对原油的传热、传质机理进行深入研究。

存油清理：实验结束后，调节恒温水浴温度、电热膜加热功率，升高实验罐1罐顶、罐壁和罐底的壁面温度，令罐内凝油完全融化。同时通过空气压缩机，利用压缩空气对管线进行清扫，从实验罐1罐底排油口将试验罐内的存油全部排出到预热罐8中。

选定实验方案后（静置储存、收发油和投产实验），重复以上实验步骤，改变罐顶、罐壁温度或温度变化轨迹，调整实验油品温度、注油流量，实验罐液位等参数，可进行不同条件下的原油传热、传质过程实验，分析不同因素对原油传热传质过程的影响规律。

综上所述，本发明的浮顶原油储罐传热传质过程实验装置及方法可以模拟原油在浮顶储罐内的传热传质过程，具有结构合理、设计精巧，实验条件易于控制，测试数据丰富、测试点布置方便、测量结果准确等特点，并且实现了对储罐内凝油及沉积物分布规律可视化，有利于深入研究原油静置储存、投产及收发油过程的传热、传质机理。

Claims (7)

1.一种浮顶原油储罐传热传质过程实验装置，其特征在于：这种浮顶原油储罐传热传质过程实验装置包括实验罐（1），实验罐（1）为浮顶储罐，实验罐（1）的罐壁（6）和浮顶（7）外侧分别有温控水浴夹层，水浴夹层内设置有罐壁温度传感器（23），罐壁（6）夹层被分隔成多段螺旋形流道，每段螺旋形流道分别与一台独立的第一恒温水浴相连；浮顶（7）夹层被折流挡板（15）分隔，并与第二恒温水浴（5）相连；罐底外壁覆盖有电热膜，罐底内壁安装有罐底温度传感器，电热膜和罐底温度传感器均与数据采集控制系统（11）相连；浮顶（7）布置多个贯穿的测试孔（16），测试管（17）穿过测试孔（16）伸入实验罐（1）底部附近，测试管（17）内封装了多个热电偶（18），热电偶（18）头部通过测试管（17）上的热电偶孔（20）伸出，热电偶（18）与热电偶孔（20）间采用与测试管（17）相同材质的塑料密封，测试管（17）留在浮顶（7）外部分通过引出的导线与数据采集控制系统（11）相连，数据采集控制系统（11）与计算机相连；浮顶内壁、罐壁内壁、罐底内壁的均设置多个热流传感器（21），罐壁上设置的热流传感器（21）与测试管（17）中设置的热电偶（18）沿高度方向一一对应布置；测试孔（16）自浮顶中心至罐壁沿径向依次排列成一排，测试孔（16）与罐底内壁设置的热流传感器（21）一一对应；测试管（17）上还布置有取样孔，实验罐（1）通过螺杆泵连接预热罐（8）。

2.根据权利要求1所述的浮顶原油储罐传热传质过程实验装置，其特征在于：所述的测试孔（16）非等间距布置，距离罐壁（6）越近，相邻测试孔（16）的间距越小，在每个测试孔（16）内安装一组测试管（17）。

3.根据权利要求1或2所述的浮顶原油储罐传热传质过程实验装置，其特征在于：所述的罐壁（6）上安装有进油口，进油口与进油管段相连，其上安装有温度传感器和球阀，进油管段的另一端与第一螺杆泵（9）相连；与进油口相邻的位置安装有出油口，出油口与出油管段相连，其上也安装有温度传感器和球阀，出油口还安装流量计（31），出油管段的另一端与第二螺杆泵（10）相连，第一螺杆泵（9）、第二螺杆泵（10）均与变频器相连，变频器与数据采集控制系统（11）集成。

4.根据权利要求3所述的浮顶原油储罐传热传质过程实验装置，其特征在于：所述的测试管（17）伸出罐外部分，其表面涂覆有保温涂料，测试管（17）内部采用聚氨酯填充剂进行填充密封。

5.根据权利要求4所述的浮顶原油储罐传热传质过程实验装置，其特征在于：所述预热罐（8）与实验罐（1）的容积之差为正数。

6.一种权利要求5所述的浮顶原油储罐传热传质过程实验装置的实验方法，其特征在于：

利用预热罐（8）将实验油品加热到预定温度；

调整浮顶（7）位置，使实验罐（1）内形成指定高度的储液空间；

利用恒温水浴、电热膜将实验罐罐壁（6）、浮顶（7）、罐底和进油管段分别控制在指定温度；

通过第一螺杆泵（9）以预定流量输出所述达到预定温度的油品，使其流经流量计量设备、进油管段后进入实验罐（1）；

利用所述多个温度传感器、、热电偶实时监测实验罐（1）径向、轴向不同位置的油品温度；

利用所述多个热流传感器实时监测实验罐浮顶（7）、罐壁（6）和罐底的热流密度；

持续注油过程直到充满实验罐（1），投产过程结束；

关闭第一螺杆泵（9）、进油阀门，开始油品静置储存温降实验；

利用所述多个温度传感器、热电偶、热流传感器（21）持续测试、采集数据；

利用取样针通过测试管（17）的取样孔（24）对罐内油品取样；

利用差示扫描量热仪、气相色谱仪测试油样的成分、含量、析蜡点和含蜡量；

当实验罐（1）内油品达到预定温度后，移除浮顶（7），通过第二螺杆泵（10）按预定流量通过出油口将实验罐（1）内油品输出至预热罐（8）；

实验罐（1）内液位低于出油口高度后，开启罐底排油口阀门，关闭出油口阀门，从底部排除剩余液态油品；

观察实验罐（1）内的凝油和沉积物分布，测试凝油层厚度；

取样测试实验罐（1）内存油的组成、析蜡点和含蜡量等；

控制恒温水浴、电热膜，升高罐内油温；

通过排油口排净罐内剩余油品；

根据测得的温度、热流数据分析实验罐的温度场、散热损失变化；

根据测得的油样分析结果，分析原油中不同成分的传质过程；

根据测得的油壁温差和热流密度的比值得到凝油层的平均热阻；

根据凝油层平均热阻和测得的油品组成、含量分析原油成分变化对其物性参数的影响。

7.一种权利要求5所述的浮顶原油储罐传热传质过程实验装置的实验方法，其特征在于：

利用预热罐（8）将实验油品加热到第一预定温度；

调整浮顶（7）位置，使实验罐（1）内形成指定高度的储液空间；

利用恒温水浴、电热膜将实验罐罐壁（6）、浮顶（7）、罐底和进油管段分别控制在指定温度；

通过第一螺杆泵（9）以预定流量输出所述达到预定温度的油品，使其流经流量计量设备、进油管段后进入实验罐（1），持续注油直到充满实验罐（1）；

关闭第一螺杆泵（9）、进油阀门，开始储罐静置储存过程；

实验罐（1）内油温达到预定值后，利用电热膜使预热罐（8）达到第二预定温度；

打开实验罐（1）进油阀门，预热罐（8）发油阀门，通过第一螺杆泵（9）以预定流量输出所述达到第二预定温度的油品至实验罐（1），同时打开实验罐（1）出油阀门，预热罐（8）进油阀门，通过第二螺杆泵（10）以预定流量将实验罐（1）内油品输出至预热罐（8），开始实验罐（1）收发油过程传热、传质实验；

利用所述多个温度传感器、热电偶、热流传感器（21）持续测试、存储原油温度、热流密度数据；

利用取样针通过测试管（17）的取样孔（24）对油品取样，利用差示扫描量热仪、气相色谱仪测试油样成分、含量、析蜡点和含蜡量；

实验罐（1）内油品达到预定温度后，移除浮顶（7），关闭第一螺杆泵（9），实验罐（1）进油阀门，预热罐（8）出油阀门；

通过第二螺杆泵（10）将实验罐（1）内油品输出至预热罐（8）；

实验罐（1）内油品液位低于出油口高度后，关闭出油阀门，开启罐底排油阀门，从底部排除剩余液态油品；

观察实验罐（1）内凝油层和沉积物分布，测试凝油层厚度；

取样测试实验罐（1）内存油的组成、析蜡点和含蜡量等；

控制恒温水浴、电热膜，升高实验罐（1）内油温；

通过排油口排净实验罐（1）内剩余油品；

根据测得的温度、热流数据分析实验罐的温度场、散热损失变化；

根据测得的油样分析结果，分析原油中不同成分的传质过程；

根据测得的油壁温差和热流密度的比值得到凝油层的平均热阻；

根据凝油层平均热阻和测得的油品组成、含量分析原油成分变化对其物性参数的影响。