石油儲備庫油罐內原油局部加熱技術

石油儲備庫油罐內原油局部加熱技術

1油氣儲備庫改造隨著我國經濟的快速發(fā)展，石化企業(yè)對原油的需求不斷增加。目前，中國出口的原油數量接近需求總額的50%。為適應市場和國際形勢的不斷變化,保障國家的能源安全,必須建設和發(fā)展石油儲備庫,這也是我國原油儲運設施發(fā)展的必然趨勢。據統(tǒng)計,含蠟原油占世界石油儲量和管輸量的20%,稠油儲量與常規(guī)石油資源相當。由于石油儲備庫的主要作用是應對突發(fā)事件和防范石油供給風險,原油存放時間通常較長。當原油溫度較低時,含蠟原油就會因析蠟而發(fā)生構造凝固,稠油就會發(fā)生黏溫凝固。為了防止罐內原油凝結,順利輸轉原油,如果采取儲存期間連續(xù)加熱的方式,將消耗大量的燃料,因此,從節(jié)能降耗的角度來科學設計加熱方案就顯得尤為重要。本文在調研分析各種油罐內原油加熱方式的基礎上,對油罐長期儲存易凝高黏原油后輸轉作業(yè)所需加熱方案的選擇提出了建議。2原油原油綜合加熱技術在油罐中2.1盤管加熱器加熱油罐中的全面加熱器按結構形式可分為盤管加熱器和梳狀加熱器。對于要求嚴格控制含水量的原油加熱,全面連續(xù)加熱宜采用盤管加熱器。它是一種用長管子彎曲制成的管式加熱器,常采用無縫鋼管焊接而成,盤管在油罐下部均勻分布。對于不要求嚴格控制含水量的原油加熱和進行間歇加熱作業(yè)并需要經常調節(jié)加熱面積的油罐,宜采用梳狀加熱器。這種加熱器采用梳狀分組加熱排管,由若干個分段構件組成,每一分段構件由幾根平行管子與兩根匯管連接而成。幾個分段構件以并聯(lián)-串聯(lián)的形式聯(lián)成一組,每組設有獨立的蒸汽進口和冷凝水出口。當某組發(fā)生故障時,可單獨關閉發(fā)生故障的組,應用其他各組繼續(xù)對原油加熱。上述兩種加熱器各有特點,盤管加熱器加熱均勻,使用壽命長,但制作費工;梳狀加熱器制作容易,但熱量分布不均勻,焊口較多,容易發(fā)生滲漏。2.2熱壓的施加設計王紅菊等認為,如果停止對油罐內原油供熱,原油會在浮頂、罐壁和罐底所包圍的內沿形成一定厚度和強度的凝油層。在恢復油罐作業(yè)時,這些凝油特別是罐頂部的凝油將嚴重威脅油罐的安全啟動。如果按照傳統(tǒng)方法從油罐底部加熱,罐壁會因罐內部原油的熱膨脹而承受額外的附加應力。此外,因罐頂部不同方向凝油層的厚度和強度分布不均勻,還會造成浮頂受力不均。因此,需要在高凝原油儲存期間進行連續(xù)加熱以防罐頂部原油凝結,但這將消耗大量燃料。如果能夠只在收發(fā)原油時向油罐供熱以解凝油罐內的原油并恢復作業(yè)溫度,而在儲存期間不加熱,則可以實現(xiàn)節(jié)能、高效儲存。要實現(xiàn)間歇供熱儲存,必須消除罐壁的附加應力。針對10×104m3單盤浮頂罐設計并安裝了立體結構的加熱裝置(見圖1)。從圖1可以看出,底部蒸汽管是加熱器的主體,提供熔化凝油和加熱原油的全部熱能。安裝在浮頂下、水平布置的蒸汽管和垂向布置、貫通凝油層的螺旋狀蒸汽管作為加熱器的輔助結構,用于解凝浮頂處的原油并形成由油罐內部到浮頂連通的液相通道。水平蒸汽管在浮頂下繞行后以螺旋管的形狀穿過凝油層,穿過凝油層后通過金屬軟管分別與底部排水匯管相連接。在經歷一個不加熱的儲存周期后,油罐恢復作業(yè)啟動加熱器時,首先向頂部蒸汽管供熱,使浮頂下面一定厚度的凝油熔化,解凝浮頂處的原油并使熔化的原油升溫至一定的溫度,同時在螺旋管的周圍形成一定面積的垂向液流通道。在油罐安全啟動的水力條件建立以后,再開始向底部蒸汽管供熱。這時油罐內部產生的熱膨脹體積可以通過垂向液流通道及時排至浮頂下面,不會在罐內引起憋壓。油罐底部開始供熱后,可以根據需要確定供熱強度,以滿足快速恢復作業(yè)的要求。在油罐中的凝油全部熔化并加熱到允許的作業(yè)溫度后,油罐所有的條件和狀態(tài)與保溫儲存相同,按照保溫儲存的規(guī)程操作。通過安全計算校核認為,該立體結構的加熱裝置可以在間歇供熱條件下儲存已降溫的高凝原油,油罐在加熱解凝時可以有效地泄放膨脹壓力,罐壁不會承受附加應力,浮頂受力平穩(wěn)。模型試驗結果顯示,在流過單位液流通道面積的原油膨脹體積大于原型罐數倍的條件下,模型罐內沒有明顯憋壓。由于客觀條件的限制,該成果的可靠性還有待于通過現(xiàn)場試驗作進一步驗證。2.3傳統(tǒng)罐內加熱器主要的問題管式全面加熱是間接加熱方法,加熱介質與原油不直接接觸,因此不會留存于原油中而影響其質量。該方法適用于一切原油的加熱,目前得到廣泛應用。對于常溫條件下易凝高黏原油的長期儲存,通過全面加熱的方式能夠有效地解決原油凝結所提出的一系列問題,如罐壁的附加應力和罐頂部的平穩(wěn)性等問題[4～6],但同時也不可避免地存在弊端:(1)換熱效率低,蒸汽耗量大。傳統(tǒng)罐內加熱器對原油的加熱是一種靜止的自然對流換熱,其放熱系數極低。由于換熱效率低,冷凝水溫度高,常伴隨著大量蒸汽排出。同時,由于在加熱管表面的原油溫度過高,在換熱管高溫面滯留時間過長,極易產生分解,結聚于換熱表面,容易結焦,阻礙熱量的傳遞,影響換熱效率。(2)加熱過程不合理。當只需要少量的原油時,也要對整個油罐全部進行加熱,浪費大量的蒸汽。(3)生產效率低,加熱時間長。(4)罐內各部分原油溫度不均衡?？拷訜崞鞯脑蜏囟容^高,遠離加熱器的原油溫度較低,抽油點的溫度更低,嚴重影響了出油的流動性。3油罐局部加熱器由于局部加熱可以避免熱能的浪費,實現(xiàn)節(jié)能降耗,已經有越來越多的加熱器研究部門和生產廠家致力于局部加熱器的研發(fā)。油罐局部加熱器通常安裝在油罐罐壁出油口處,通過對罐內重質原油的局部加熱,降低罐內局部原油的黏度,減小泵吸入管道的阻力降,以滿足泵的吸入要求,實現(xiàn)原油的轉輸。油罐局部加熱器主要由管程和殼程組成,加熱介質走管程,通常為低壓蒸汽和熱水;罐內介質走殼程。管程安裝在罐外;殼程進口布置在罐內,出口接轉輸泵的入口管道,布置在罐外。3.1浮式升降器油罐油罐局部加熱浮式輸油裝置屬于大型重油油罐加熱裝置。其特征是:換熱器和在其上方的小油罐都固定在油罐底部;浮式升降器經支架支承固定于油罐底部;升降器上端有浮筒和進油口,下端有壓動開關和出油口;出油口與輸油管接通;加熱管穿入輸油管和升降器的內腔后穿出油罐。該裝置加熱效率高,可根據不同的用量確定相應的加熱時間,具有加熱并輸送少量重油的特點。3.2介質走管程WMY系列新型油罐快速加熱器是在WMH渦流熱膜系列換熱器的基礎上研發(fā)的一種新型油罐快速加熱器。渦流熱膜換熱器沿油罐徑向伸入油罐底部,熱媒介質(蒸汽)走管程,原油從殼程內的管間流動。它采用先進的不銹鋼渦流熱膜管作為換熱元件。獨特的換熱元件及先進的內部工藝結構,使該加熱器具有加熱效率高、耐腐蝕、耐高溫、阻垢防垢等優(yōu)點,極大地提高了換熱器整體性能,降低了對罐內原油加熱所需的蒸汽量。以中國石化濟南分公司的150BS型原油庫為例,在500m3油罐上安裝了這種新型油罐快速加熱器。通過運行測試并與原列管式加熱器的比較發(fā)現(xiàn),該新型快速加熱器加熱效果較為理想。3.3電加熱器的運用長期以來,油罐加熱主要采用管式加熱器,但是管式加熱器存在事故率高、檢修維護困難和能耗高等問題,而使用電加熱器則能有效克服這些問題。目前油罐電加熱器主要有泵出式、外套式和浸入式3種形式。3.3.1泵轉輸出出氣泵出式電加熱器核心組件是電熱管?？拷姛峁芨浇?加熱區(qū)域)的原油首先被加熱以達到降黏的目的,然后通過泵轉輸出去。油罐泵出式電加熱器結構如圖2所示。該加熱器主要適用于加熱油罐內各種黏性介質,使之局部變稀后可以用泵順利抽取。其優(yōu)點是僅對需要泵出的介質進行局部加熱即可操作,熱啟動快,用電負荷小,無須對整個儲罐內介質全部加熱,大大節(jié)約了能源,提高了泵出黏性介質的效率。3.3.2罐頂部區(qū)域加熱浸入式電加熱器由法蘭組成電加熱管組(見圖3),直接由罐頂部插入儲罐內,電熱管與罐內介質直接接觸進行加熱。一般以電熱管密度較大、表面負荷較小為宜。其優(yōu)點是加熱部分全在介質中,熱效率高,還避免了在罐上開孔。3.3.3罐體底部罐內導電材料的更換外套式電加熱器適用于各種油罐的加熱。外套式加熱儲罐分普通型和防爆型兩種,結構形式有兩種:(1)電熱爐芯、夾套。整個安裝在罐體底部,夾套內裝有導熱較好的導熱油作傳熱介質,爐芯可拆卸更換;(2)用特殊的陶瓷件作為絕緣材料,以鎳鉻絲作為發(fā)熱元件,以碳鋼或不銹鋼管作護套的電加熱產品。由于電加熱器的主要加熱元件是電熱棒,對于液面有較大波動的油罐,電加熱會出現(xiàn)干燒現(xiàn)象,很容易燒壞電熱棒,因此需要定期更換電熱棒。目前,由于我國電力供應比較緊張和電能成本最高,因此至今電加熱器的使用還不是很普遍。3.4導電電極的加熱原理電磁感應加熱實際上是電加熱的一種改進加熱技術。該加熱器克服了電加熱的一些弊端,解決了電加熱棒經常被燒壞的問題,避免了有時因電加熱棒局部受熱過高、溫度控制不當而引發(fā)的火災。這種加熱器操作簡易、發(fā)熱均勻、加熱方式安全可靠、成本低、傳熱效果好、表面熱負荷載量高以及不受加熱液體介質液位的限制。電磁感應加熱裝置有電源供應系統(tǒng)、渦流感應器、導熱體、傳感器等幾部分組成。利用電磁感應原理,在導體線圈上接入工頻交流電源,生成環(huán)形電流磁場,產生感應電流———渦流。這些電流在加熱線圈的導體上產生熱效應,從而達到給導體線圈外部介質加熱的目的(環(huán)形導體線圈本身并不發(fā)熱)。在給油罐加熱時,通入工頻交流電源,導體線圈生成電流感應磁場,在加熱棒導體內產生熱效應,使電磁棒體周圍原油溫度升高。遼河油田曾使用電磁感應加熱裝置對幾個不同區(qū)塊的數座50m3油罐進行加熱,調節(jié)輸出電壓(AC)為60V,電流90A,同時工作3組,功率15kW。加熱6h罐內原油就升到了用普通電加熱方式加熱十幾小時所達到的溫度。對于液面有較大波動的油罐,普通電加熱由于會出現(xiàn)干燒現(xiàn)象,經過一定時期就需要更換加熱棒,而電磁感應加熱則不會出現(xiàn)這種問題。電磁感應加熱裝置目前多用于小型油罐加熱,對大型油罐加熱,此技術還不成熟,還需進一步實踐。3.5熱介質的加熱這種石英熱管油罐加熱器技術屬采暖加熱技術領域,它由加熱器主體、循環(huán)管道和散熱件組成,三者間循環(huán)流動導熱介質。主體構成中包括盛裝導熱介質的罐體和加熱元件,加熱元件浸入導熱介質中,加熱元件為電熱膜石英熱管。電熱膜石英熱管的熱效率可達98%,遠高于一般的電阻加熱元件,加熱溫度可調、可控。石英熱管油罐加熱器以電力為能源,以高效耐用的石英熱管為加熱元件,將電能轉換為熱能,再以管道傳輸的方式將熱量傳遞到油罐中,將原油加熱到預定要求。用其替代現(xiàn)有的油罐加熱方式,能源費用可節(jié)省約80%,具有環(huán)保、安全和加熱性能穩(wěn)定等優(yōu)點。3.6太陽能-加熱原油隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展,太陽能被越來越多的行業(yè)利用。但是考慮到太陽能的不連續(xù)性,通常還要采用另一種輔助加熱設施。因此,太陽能-電加熱原油儲運系統(tǒng)的應用研究越來越得到關注。利用太陽能加熱原油,可以采用直接加熱和間接加熱兩種方式。直接加熱方式是原油進入太陽能集熱器被直接加熱,是原油受熱過程中效率較高的一種方式。但存在以下不足:(1)由于太陽輻射能量的變化,集熱器內的溫度有時較高,這時集熱器內的原油可能會產生結垢現(xiàn)象;(2)由于原油黏度較大且存在結垢,集熱器的清洗難度較大。目前,太陽能直接加熱原油的關鍵技術還不成熟。而采用間接加熱方式必須增加加熱盤管,并且把清水作為傳熱介質,將收集的太陽輻射能傳遞給油罐中的原油,效率不如直接加熱方式高。但從系統(tǒng)安全性、可靠性和維護、維修、安裝調試的角度看,采用間接加熱方式可以最大限度地利用現(xiàn)有成熟的太陽能集熱及熱交換技術,此方式安全可靠且運行穩(wěn)定。太陽能-電加熱中的電加熱部分一般也有兩種方式,即直接加熱和間接加熱。間接加熱方式沒有直接加熱方式效率高,但由于采用電與太陽能組合加熱,間接加熱方式便于自動控制,操作簡單。太陽能-電加熱原油的儲運系統(tǒng)主要包括水路裝置、儲油裝置和控制裝置,控制裝置分別與水路裝置和儲油裝置電路連接,水路裝置和儲油裝置通過加熱盤管來連接。水路裝置由水箱、電加熱器、加熱盤管及循環(huán)水泵等組成,儲油裝置由磁效液位儀、油罐及其附件組成,控制裝置含控制箱及配套組件。該系統(tǒng)工作原理是:原油密閉進入油罐后,在正常太陽能輻射條件下,依靠太陽能加熱,循環(huán)泵開啟,蓄熱水箱的低溫熱水經控制閥門進入太陽能集熱器加熱后回蓄熱水箱,再通過另一臺循環(huán)泵進入加熱盤管,與原油換熱后經控制閥門回蓄熱水箱中。在太陽能不足的條件下,啟動電加熱器進行加熱。整套系統(tǒng)采用溫差自動控制,使油溫始終保持一定的溫度。4浮頂油罐加熱方式的選擇(1)浮頂式儲罐安裝立體結構的加熱裝置,可以采用間歇供熱方式儲存易凝高黏原油,儲罐在加熱解凝時可以有效地泄放膨脹壓力,罐壁不會因此承受附加