随着我国原油战略储备需求的增加,大型浮顶油罐因其技术和经济上的优势已成为大规模原油库的首选储油设施。油罐在生产运行中,当罐内原油温度低于析蜡点时,含蜡原油会因析蜡在浮顶、罐壁和罐底所包围的内沿形成一定厚度和强度的凝油层,严重时可能发生凝罐等生产事故。因此,为确保储罐安全经济运行,必须准确掌握罐内原油温度场以及流场的变化规律。数值模拟是研究罐内原油场分布的主要方法,但往往将边界条件简化为定解条件处理,无法反映储罐传热过程中太阳辐射、大气温度等周期性边界条件对罐内原油温度场、流场的实际影响。另一方面,随着储罐规模向大型化发展,加热耗能逐渐增加,对加热效果以及用能情况的研究将十分必要。基于以上,本文开展了原油罐储过程传热与流动特性描述及有效能利用评价研究。首先,根据传热学相关理论,研究大型浮顶储罐边界条件的数值处理技术,分析了大气温度、太阳辐射等周期性变化条件下储罐边界传热系数随时间的变化规律。在此基础上,建立了大型浮顶原油储罐静储过程包括连续性方程、动量方程以及相应流态方程在内的理论模型,并对其进行数值求解,深入分析环境、生产运行工况对储罐静储过程传热与流动耦合特性的影响机制,依据原油温度场的变化规律,将静储温降过程分为局部快速温降阶段、整体快速降温阶段、凝油层增长阶段和整体低速降温阶段,温升过程分为局部低速升温阶段、局部快速升温阶段。然后,在对静储理论模型实例验证基础上,综合考虑环境温度、太阳辐射、加热蒸汽压、油品物性参数等因素,建立了大型浮顶原油储罐蒸汽盘管加热过程理论模型,数值研究原油温度场与流场的变化规律,将加热过程分为自然对流生成阶段、小涡旋的形成阶段、大涡旋的形成阶段以及大涡旋的发展阶段。通过分别模拟竖排盘管、立体盘管以及蛇形盘管的加热工况,揭示盘管结构对储罐加热过程中原油传热与流动耦合特性的影响机制,深入分析罐内油品液位、加热蒸汽温度、外界环境条件等因素对罐内原油温度场、流场的影响规律。分别从时间和空间的角度出发,提出了储罐加热过程加热效果的评价指标,分析了不同结构蒸气盘管加热过程升温速率和温度场不均匀程度的变化规律。根据热力学第一、第二定律,同时考虑能量和能质的属性,提出了储罐原油加热过程用能评价指标,分析了不同结构蒸汽盘管加热过程中的能量损失以及?损失情况,揭示?传递速率与?传递动力、阻力之间的关系,研究罐内油品液位、盘管热流密度、外界环境条件等因素下能量有效利用率、?有效利用率的变化规律,可为油田企业如何提高储备能源利用效率提供理论支持。最后,在得出蛇形结构盘管加热油品具有升温速率快,温度场均匀度好,能量有效利用率以及?有效利用率高等优点的前提下,以蛇形结构盘管为研究对象,运用Visual Basic 6.0语言开发了“浮顶储罐蛇形盘管工艺设计软件”,软件包括原始数据录入模块,数值传热计算模块以及相应的计算结果输出模块,得到包括储罐传热系数、罐内原油温度场,油品升温吸收热量、罐壁表面散失热量及加热油品总热量等相关结果,可作为储罐盘管加热工艺计算的辅助工具,为相关研究设计人员提供一定的技术参考。