浮頂儲(chǔ)油罐傳熱系數(shù)的變化規(guī)律及影響因素研究

成慶林，孫 巍，邵 帥，李 哲，衣 犀

(東北石油大學(xué) 提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318)

0 引言

隨著我國(guó)原油儲(chǔ)備能力的增加，油庫(kù)生產(chǎn)規(guī)模大型化成為原油庫(kù)的發(fā)展趨勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)外常用的地上大型原油儲(chǔ)罐主要是浮頂罐，在儲(chǔ)存的過(guò)程中，當(dāng)原油溫度較低時(shí)，含蠟原油容易在儲(chǔ)罐內(nèi)沿形成一定的凝油層，嚴(yán)重威脅儲(chǔ)罐的安全啟動(dòng)［1］，因此在生產(chǎn)運(yùn)行中需要對(duì)罐內(nèi)原油適時(shí)加熱［2～5］。計(jì)算加熱負(fù)荷時(shí)，傳熱系數(shù)的準(zhǔn)確與否，直接影響到相關(guān)工藝參數(shù)的合理確定。而以往應(yīng)用主要針對(duì)小體積油罐或是拱頂罐，對(duì)大型浮頂罐少有涉及。在分析浮頂儲(chǔ)罐內(nèi)原油溫降過(guò)程的特點(diǎn)基礎(chǔ)上［6－7］，綜合考慮大氣溫度、儲(chǔ)罐容積、油品物性等眾多因素，建立適合于描述大型浮頂油罐溫度場(chǎng)變化規(guī)律的理論傳熱模型，進(jìn)而研究油罐傳熱系數(shù)的變化規(guī)律，對(duì)于優(yōu)化大型浮頂罐的儲(chǔ)存工藝設(shè)計(jì)，保障油庫(kù)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 浮頂儲(chǔ)油罐溫降計(jì)算公式

浮頂儲(chǔ)油罐傳熱主要包括罐頂、罐壁、罐底三個(gè)部分［8－9］，其總傳熱系數(shù)為

式中 Kding、Kbi、Kdi——分別是浮頂罐罐頂、罐壁、罐底的傳熱系數(shù)/W·m－2·℃－1;

Fding、Fbi、Fdi——分別是浮頂罐罐頂、罐壁、罐底的面積/m2。

(1)罐頂傳熱系數(shù)［10－11］

式中 α1ding——油品至罐頂?shù)膬?nèi)部放熱系數(shù)/W· m－2·℃－1;

δding——罐頂保溫層的厚度/m;

λding——罐頂保溫層材料的導(dǎo)熱系數(shù)/W· m－1·℃－1;

δfu——浮盤(pán)上、下盤(pán)之間的距離/m;

λfu——浮艙內(nèi)部的散熱系數(shù)/W·m－2·℃－1;

α2ding——罐頂至周?chē)橘|(zhì)的外部放熱系數(shù)/ W·m－2·℃－1;

α3ding——罐頂至周?chē)橘|(zhì)的輻射放熱系數(shù)/ W·m－2·℃－1。

雙盤(pán)浮頂罐頂部傳熱包括油品至下浮盤(pán)的內(nèi)部傳熱、浮艙內(nèi)空氣的自然對(duì)流和支架的傳熱、頂部保溫層的傳熱以及透過(guò)保溫層向空氣中的傳熱，其中浮艙內(nèi)部的傳熱系數(shù)不易確定，所以參考文獻(xiàn)［12］λfu取6.98 W/m2·℃。

(2)罐壁傳熱系數(shù)

式中 α1bi——油品至罐內(nèi)壁的內(nèi)部放熱系數(shù)/W·

m－2·℃－1;

δbi——罐壁保溫層的厚度/m;

λbi——罐壁保溫層材料的導(dǎo)熱系數(shù)/W·m－1·℃－1;

α2bi——罐壁至周?chē)橘|(zhì)的外部放熱系數(shù)/W ·m－2·℃－1;

α3bi——罐壁至周?chē)橘|(zhì)的輻射放熱系數(shù)/W ·m－2·℃－1。

(3)罐底傳熱系數(shù)

式中 α1di——油品至罐底的放熱系數(shù)/W·m－2·℃－1;

δdi——表示油泥沉積物、底板等各層的厚度/m;

λdi——表示相應(yīng)各層的導(dǎo)熱系數(shù)/W·m－1·℃－1;

λu——土壤的導(dǎo)熱系數(shù)/W·m－1·℃－1;

D——罐底直徑/m。

2 浮頂罐傳熱系數(shù)求解過(guò)程

浮頂罐主要經(jīng)由罐壁、罐底、浮頂向外界散失熱量［7］。為了便于分析，做出以下簡(jiǎn)化:假設(shè)罐內(nèi)原油溫度是均勻分布;忽略原油內(nèi)部物理化學(xué)因素產(chǎn)生的內(nèi)熱源以及罐壁厚度;外界環(huán)境溫度取計(jì)算日溫度的平均值;罐底土壤為同性均勻介質(zhì)。其中原油的粘度和密度等物性參數(shù)與其平均溫度一一對(duì)應(yīng)，為避免由于平均溫度的不當(dāng)選取，使得計(jì)算誤差不斷得到放大，本文采用分段計(jì)算的集總參數(shù)方法研究浮頂罐傳熱系數(shù)的變化規(guī)律。

(1)從降溫的起始溫度到終止溫度，以溫度tb為一個(gè)溫降步長(zhǎng)，使溫度每降低tb都會(huì)計(jì)算出罐頂、罐壁、罐底傳熱系數(shù)以及總傳熱系數(shù)。

(2)先假設(shè)一個(gè)罐壁的溫度tbi，其與油品溫度ty的平均值為罐壁的定性溫度，然后計(jì)算出油品在定性溫度下，油品至罐頂?shù)膬?nèi)部放熱系數(shù)a1bi，罐壁至周?chē)橘|(zhì)的外部放熱系數(shù)a2bi以及罐壁至周?chē)橘|(zhì)的輻射放熱系數(shù)a3bi，如果罐壁有保溫層，還需再計(jì)算保溫層的傳熱，最終得出罐壁的傳熱系數(shù)Kbi，如果Kbi滿足精度要求則認(rèn)為假設(shè)的罐壁溫度tbi成立，罐頂 Kding和罐底 Kdi的傳熱系數(shù)計(jì)算與罐壁相同。

(3)通過(guò)計(jì)算罐壁Kbi、罐頂Kding和罐底Kdi的傳熱系數(shù)得出浮頂罐總的傳熱系數(shù)Kzong，最后改變相關(guān)參數(shù)，繪制傳熱系數(shù)曲線，分析其影響因素。

3 應(yīng)用實(shí)例分析

以一座100 000 m3的地上浮頂罐為例。已知油罐平均直徑為80 m，罐壁高21 m，儲(chǔ)罐內(nèi)液位為95%，罐壁涂層黑度為0.96，罐底土壤導(dǎo)熱系數(shù)為1.745 W/m·℃，環(huán)境溫度為－20℃，平均風(fēng)速為2.5 m/s，油品在20℃時(shí)的相對(duì)密度為0.91，在15℃時(shí)油品的粘度為10.53×10－6m2/s，罐內(nèi)油溫從47℃降到30℃，取油品溫降間隔為1℃，計(jì)算結(jié)果如圖1所示，計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)［12］一致。

圖1 原油溫度與傳熱系數(shù)的關(guān)系

受浮頂罐內(nèi)原油溫度的影響，罐頂傳熱系數(shù)，罐壁傳熱系數(shù)以及總傳熱系數(shù)都在減小，其中罐頂傳熱系數(shù)下降最為明顯。另外，浮頂?shù)念?lèi)型、儲(chǔ)罐液位、儲(chǔ)罐體積、外界環(huán)境溫度、風(fēng)速等因素都會(huì)影響傳熱系數(shù)的大小，具體分析如下:

(1)浮頂類(lèi)型

浮頂類(lèi)型只對(duì)罐頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)和總傳熱系數(shù)有影響，所以可以不考慮罐壁傳熱系數(shù)和罐底傳熱系數(shù)的變化，如圖2所示。初始時(shí)單盤(pán)浮頂罐的罐頂傳熱系數(shù)比雙盤(pán)大4 W/m2·℃，隨著溫度的逐漸降低差距將會(huì)將小到2.7 W/m2·℃，罐頂傳熱系數(shù)的差距會(huì)導(dǎo)致總傳熱系數(shù)的變化，即單盤(pán)的總傳熱系數(shù)比雙盤(pán)大1～1.3 W/m2·℃。

(2)儲(chǔ)罐液位

圖2 浮頂類(lèi)型對(duì)傳熱系數(shù)的影響

油品溫度在40℃時(shí)，傳熱系數(shù)與油罐儲(chǔ)存系數(shù)的關(guān)系如圖3所示。油罐儲(chǔ)存系數(shù)對(duì)罐底、罐壁傳熱系數(shù)的影響不大，對(duì)罐頂傳熱系數(shù)的影響較大，特別是在油罐儲(chǔ)存系數(shù)為20%～60%時(shí)，罐頂傳熱系數(shù)處在一個(gè)明顯的上升趨勢(shì)，當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)液位變化時(shí)，罐頂傳熱系數(shù)對(duì)總傳熱系數(shù)的變化起到了主導(dǎo)作用。

圖3 油罐儲(chǔ)存系數(shù)對(duì)傳熱系數(shù)的影響

(3)儲(chǔ)罐容積

改變儲(chǔ)罐尺寸時(shí)，傳熱系數(shù)與儲(chǔ)罐體積的關(guān)系如圖4所示。當(dāng)體積逐漸增大時(shí)，其罐頂、罐底、罐壁以及總傳熱系數(shù)的數(shù)值都在逐漸減小，其中20 000 m3與30 000 m3的浮頂儲(chǔ)罐各項(xiàng)傳熱系數(shù)相近，從50 000 m3到150 000 m3的浮頂罐總傳熱系數(shù)出現(xiàn)了明顯下降的趨勢(shì)。

圖4 儲(chǔ)罐容積對(duì)傳熱系數(shù)的影響

(4)外界環(huán)境溫度

傳熱系數(shù)與環(huán)境溫度的關(guān)系如圖5所示。在－20～5℃的溫度變化區(qū)間內(nèi)罐頂傳熱系數(shù)逐漸增加，在5～20℃溫度區(qū)間內(nèi)變化的程度較小，罐壁傳熱系數(shù)隨著環(huán)境溫度的升高而逐漸增加，罐底傳熱系數(shù)的數(shù)值基本保持不變，總傳熱系數(shù)受罐壁傳熱系數(shù)的影響較大呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。

圖5 環(huán)境溫度對(duì)傳熱系數(shù)的影響

(5)風(fēng)速

風(fēng)速與傳熱系數(shù)的變化如圖6所示。風(fēng)速的升高會(huì)導(dǎo)致罐頂傳熱系數(shù)和罐壁傳熱系數(shù)的升高，其中罐壁傳熱系數(shù)的變化最為明顯，最終導(dǎo)致總傳熱系數(shù)的升高。

圖6 風(fēng)速對(duì)傳熱系數(shù)的影響

4 結(jié)論

(1)罐頂傳熱系數(shù)、罐壁傳熱系數(shù)對(duì)總傳熱系數(shù)的變化起到了主導(dǎo)作用，但是隨著浮頂罐的大型化，罐底面積的逐漸增加，罐底傳熱系數(shù)對(duì)總傳熱系數(shù)的影響也將會(huì)日趨重要，因此在計(jì)算浮頂罐總傳熱系數(shù)時(shí)需對(duì)罐頂、罐壁以及罐底傳熱系數(shù)進(jìn)行綜合精確計(jì)算。

(2)在浮頂罐靜止儲(chǔ)油過(guò)程中，罐頂傳熱系數(shù)隨著儲(chǔ)罐液位、環(huán)境溫度的升高，風(fēng)速的增加而增大，隨著儲(chǔ)罐體積增大而減小。單盤(pán)浮頂罐的罐頂傳熱系數(shù)約是雙盤(pán)浮頂罐的1.5倍，采用雙盤(pán)浮頂罐更有利于罐頂?shù)谋亍?/p>

(3)罐壁傳熱系數(shù)主要受儲(chǔ)罐容積、外界環(huán)境溫度以及風(fēng)速的影響，隨著儲(chǔ)罐體積的增大而減小，隨著環(huán)境溫度的升高和風(fēng)速的增大而增大，其中風(fēng)速對(duì)罐壁傳熱系數(shù)的影響最為明顯。

［1］國(guó)家計(jì)委綜合司研究小組.國(guó)家石油儲(chǔ)備問(wèn)題研究［J］.經(jīng)濟(jì)研究參考，2002(3):1579.

［2］侯磊，賈玲玲.關(guān)于原油儲(chǔ)庫(kù)若干問(wèn)題的技術(shù)思考［J］.節(jié)能技術(shù)，2011，29(1):66－67.

［3］侯磊，黨鵬飛.含蠟原油固態(tài)儲(chǔ)存及加熱技術(shù)［J］.節(jié)能技術(shù)，2010，28(5):454－457.

［4］王紅菊，王曉梅，石蕾.浮頂油罐降溫儲(chǔ)存高凝原油［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2007，26(12):12－15.

［5］彭國(guó)慶.原油儲(chǔ)罐的熱能消耗分析及控制措施［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2001，20(5):49－52.

［6］王明吉，張勇，曹文.原油儲(chǔ)罐溫降規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究［J］.油氣田地面工程，2003，22(11):58.

［7］王明吉，張勇，曹文.立式浮頂原油儲(chǔ)罐溫降規(guī)律［J］.油氣田地面工程，2005，24(12):11－12.

［8］蔣季洪，王睿，石俊峰，等.原油庫(kù)溫降規(guī)律研究［J］.管道技術(shù)與設(shè)備，2009(5):11－14.

［9］侯磊，白宇恒，黃維秋.浮頂罐內(nèi)原油溫降計(jì)算方法研究［J］.科技通報(bào)，2010，26(1):159－164.

［10］龍明主，秦寶祥，陳世一.拱頂油罐頂部傳熱系數(shù)的計(jì)算及影響因素分析［J］.石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)，1999，12(2):73－76.

［11］龍明主.拱頂油罐罐頂傳熱系數(shù)計(jì)算公式的修正［J］.管道技術(shù)與設(shè)備，1999，8－9.

［12］郭光臣，董文蘭，張志廉.油庫(kù)設(shè)計(jì)與管理［M］.東營(yíng):山東東營(yíng)出版社，1991.