大型原油儲(chǔ)罐傳熱系數(shù)的研究

大型原油儲(chǔ)罐傳熱系數(shù)的研究

0罐內(nèi)原油加熱隨著中國(guó)原油儲(chǔ)量的增加，原油倉(cāng)庫(kù)生產(chǎn)規(guī)模的大規(guī)模開發(fā)已成為原油倉(cāng)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),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)原油溫降過程的特點(diǎn)基礎(chǔ)上,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浮頂罐頂、罐壁、罐底的傳熱系數(shù)計(jì)算浮頂儲(chǔ)油罐傳熱主要包括罐頂、罐壁、罐底三個(gè)部分,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)浮盤及浮艙的熱性能式中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———浮盤上、下盤之間的距離/m;λfu———浮艙內(nèi)部的散熱系數(shù)/W·m-2·℃-1;α3ding———罐頂至周圍介質(zhì)的輻射放熱系數(shù)/W·m-2·℃-1。雙盤浮頂罐頂部傳熱包括油品至下浮盤的內(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)λfu取6.98W/m2·℃。(2)保溫層材料放熱系數(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———罐壁至周圍介質(zhì)的外部放熱系數(shù)/W·m-2·℃-1;α3bi———罐壁至周圍介質(zhì)的輻射放熱系數(shù)/W·m-2·℃-1。(3)導(dǎo)熱系數(shù)di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;2浮頂罐傳熱系數(shù)的計(jì)算浮頂罐主要經(jīng)由罐壁、罐底、浮頂向外界散失熱量。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,罐壁至周圍介質(zhì)的外部放熱系數(shù)a2bi以及罐壁至周圍介質(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溫度和粘度測(cè)定以一座100000m3的地上浮頂罐為例。已知油罐平均直徑為80m,罐壁高21m,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1.745W/m·℃,環(huán)境溫度為-20℃,平均風(fēng)速為2.5m/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)一致。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)念愋?、?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)熱系數(shù)的變化浮頂類型只對(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)單盤浮頂罐的罐頂傳熱系數(shù)比雙盤大4W/m2·℃,隨著溫度的逐漸降低差距將會(huì)將小到2.7W/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,即單盤的總傳熱系數(shù)比雙盤大1~1.3W/m2·℃。(2)罐頂及罐底傳熱系數(shù)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。(3)浮頂儲(chǔ)罐傳熱系數(shù)隨浮頂罐少,浮頂罐總傳熱系數(shù)逐年下降改變儲(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20000m3與30000m3的浮頂儲(chǔ)罐各項(xiàng)傳熱系數(shù)相近,從50000m3到150000m3的浮頂罐總傳熱系數(shù)出現(xiàn)了明顯下降的趨勢(shì)。(4)罐頂、罐壁傳熱系數(shù)隨溫度控制的變化傳熱系數(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)。(5)罐頂傳熱系數(shù)和罐壁傳熱系數(shù)隨罐頂傳熱系數(shù)變化的規(guī)律風(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。4罐總傳熱系數(shù)的計(jì)算(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。單盤浮頂罐的罐頂傳熱系數(shù)約是雙盤浮頂罐的1.5倍