宋義偉 李 強(qiáng) 張 釗 崔慧山

(中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司，河北 任丘 062550)

在油田和原油儲(chǔ)庫中，當(dāng)儲(chǔ)罐儲(chǔ)存的原油溫度低于凝點(diǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生凝固。為了保證儲(chǔ)存油品在轉(zhuǎn)輸時(shí)有一定的流動(dòng)性，通常要求原油儲(chǔ)存的溫度大于其凝點(diǎn)，因此除低凝點(diǎn)原油外，大型原油儲(chǔ)庫的儲(chǔ)罐維溫所需熱量占儲(chǔ)庫總能耗的一半以上。李征西和徐思文提出原油儲(chǔ)存時(shí)的溫度應(yīng)高于其凝點(diǎn)10～15℃[1]；文獻(xiàn)[2]則認(rèn)為油品最低儲(chǔ)存溫度應(yīng)比凝點(diǎn)高3～5℃[2]，這主要是考慮油氣儲(chǔ)庫以儲(chǔ)存為主，適當(dāng)降低儲(chǔ)存溫度，可大幅度減少能耗。

在進(jìn)行儲(chǔ)罐加熱維溫計(jì)算時(shí)，對(duì)于儲(chǔ)罐中油品至周圍介質(zhì)的總傳熱系數(shù)K的計(jì)算是關(guān)鍵，K值的選取和油品的性質(zhì)、環(huán)境溫度、風(fēng)速及保溫層厚度等因素有關(guān)，環(huán)境溫度越低、保溫層厚度越薄、風(fēng)速變化越大則油品溫降越快，K值的變化也就相應(yīng)地越大。目前國內(nèi)對(duì)K值的確定主要有經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法和公式試算法兩種，采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算，相對(duì)簡便但是誤差較大；而采用公式試算法進(jìn)行計(jì)算時(shí)計(jì)算精度較高，但是需要進(jìn)行反復(fù)試算，驗(yàn)算工作量較大，造成大量的人力資源浪費(fèi)。為解決采用參考值存在較大誤差而手工試算工作量較大的問題，筆者提出運(yùn)用Visual Basic編程計(jì)算儲(chǔ)罐加熱維溫過程中的儲(chǔ)罐傳熱系數(shù)K，進(jìn)而計(jì)算儲(chǔ)罐維溫過程需要的熱量。

1 計(jì)算K值的兩種方法①

經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法。文獻(xiàn)[3]認(rèn)為無保溫層的地上立式金屬儲(chǔ)罐的罐壁傳熱系數(shù)Ktw在4.5～8.2W/(m2·℃)，罐頂傳熱系數(shù)Ktr在1.2～2.4W/(m2·℃)，罐底傳熱系數(shù)Ktb為0.35W/(m2·℃)。而文獻(xiàn)[1]則認(rèn)為罐壁不設(shè)保溫層時(shí)Ktw在4.65～8.14W/(m2·℃)，設(shè)聚氨酯保溫層(40mm)時(shí)Ktw在0.93～1.05W/(m2·℃)，罐頂未設(shè)保溫層且罐內(nèi)油面溫度小于40℃時(shí)Ktr取1.2W/(m2·℃)，罐底傳熱系數(shù)Ktb取0.23～0.47W/(m2·℃)。文獻(xiàn)[4]則根據(jù)儲(chǔ)罐的總?cè)莘e確定其總傳熱系數(shù)K，即5 000m3以下地面的金屬保溫儲(chǔ)罐K值取-1.5W/(m2·℃)。從上述數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于儲(chǔ)罐總傳熱影響最大的是罐壁部分，其次是罐頂，罐底傳熱系數(shù)最小。

公式試算法。文獻(xiàn)[1～6]均介紹了K值的計(jì)算方法，采用公式試算法的理論依據(jù)是，先假定一個(gè)罐壁溫度twc，然后進(jìn)行試算，計(jì)算出罐壁傳熱系數(shù)Ktw，通過熱平衡方程式校核，校核公式為：

|twc+(tav-tai)Ktw/α1tw-tav|

(1)

式中tai——當(dāng)?shù)?月份平均溫度，℃；

tav——油品平均溫度，℃；

α1tw——油品至儲(chǔ)罐罐壁的內(nèi)部放熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

當(dāng)式(1)能滿足小于某一設(shè)定的較小數(shù)值時(shí)，確定此時(shí)的twc為罐壁溫度tw，同時(shí)根據(jù)罐壁溫度確定傳熱系數(shù)Ktw的值。

2 數(shù)學(xué)模型的提出

對(duì)于儲(chǔ)罐保溫、加熱問題，需要根據(jù)油品的物性(凝點(diǎn))和環(huán)境溫度確定儲(chǔ)罐所需維持的溫度；根據(jù)儲(chǔ)罐需要維持的溫度，確定儲(chǔ)罐是否需要保溫、保溫材料的選擇和保溫層經(jīng)濟(jì)厚度的計(jì)算；根據(jù)保溫層的設(shè)定而確定傳熱系數(shù)、儲(chǔ)罐加熱方式和熱負(fù)荷。

油品在冷卻過程中不斷向外散發(fā)熱量，因此維溫過程中補(bǔ)充給儲(chǔ)罐的熱量值等于罐壁散失于周圍介質(zhì)中的熱量，即：

dQL=dQS

式中 dQL——需要給儲(chǔ)罐補(bǔ)充的熱量，kJ/h；

dQS——儲(chǔ)罐散發(fā)出的熱量，即熱損失，kJ/h。

經(jīng)儲(chǔ)罐散失到周圍介質(zhì)的熱量dQS可由下式求得：

dQS=86.4KF(t-tai)dτ

式中F——油罐的總表面積，m2；

K——從油品到周圍介質(zhì)的總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

t——油品的溫度，℃；

tai——油罐周圍介質(zhì)的溫度(一般取一月的平均溫度)，℃。

2.1 油罐傳熱系數(shù)K的求取

立式油罐一般可分為罐頂、罐壁和罐底3部分，因此K值的計(jì)算包括兩部分內(nèi)容，即油罐各部分傳熱面積的計(jì)算和各部分傳熱系數(shù)的計(jì)算，儲(chǔ)罐的總傳熱系數(shù)K的計(jì)算式如下：

2.2 傳熱系數(shù)的計(jì)算

一些參考資料對(duì)儲(chǔ)罐罐壁、罐頂、罐底的傳熱系數(shù)計(jì)算方法進(jìn)行了詳細(xì)的說明，其中儲(chǔ)罐罐底的傳熱系數(shù)較小(0.06～0.21W/(m2·℃))，罐頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)較大，而儲(chǔ)罐罐壁的傳熱系數(shù)最大。各部分傳熱系數(shù)的計(jì)算式為：

Ktw=1/[1/α1tw+δtw/λtw+1/(α2tw+α3tw)]

Ktr=1/[1/α1tr+1/αgas+δtr/λtr+1/(α2tr+α3tr)]

Ktb=1/(1/α1tb+δtb/λtb+πDav/8λso)

式中αgas——儲(chǔ)罐中混合氣體空間的放熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

α1tb——儲(chǔ)罐罐底內(nèi)部的放熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

α1tr——儲(chǔ)罐罐頂內(nèi)部的放熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

α2tr——儲(chǔ)罐罐頂外部的放熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

α3tr——儲(chǔ)罐罐頂外部的輻射放熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

α2tw——儲(chǔ)罐罐壁至大氣外部的放熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

α3tw——儲(chǔ)罐罐壁至大氣輻射的放熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

δtb——罐底污垢厚度，m；

δtr——罐頂保溫層厚度，m；

δtw——罐壁保溫層厚度，m；

λtb——罐底污垢導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；

λtr——罐頂保溫層導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；

λso——罐底污垢導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；

λtw——罐壁保溫層導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)。

3 計(jì)算程序的編制

按照上述思路，儲(chǔ)罐加熱溫度的計(jì)算采用Visual Basic語言進(jìn)行維溫程序的編寫。在計(jì)算過程中分別對(duì)儲(chǔ)罐罐頂、罐壁和罐底的傳熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，確定各部分的散熱量，求取儲(chǔ)罐的總散熱，即儲(chǔ)罐維溫所需熱量。

3.1 計(jì)算程序

儲(chǔ)罐維溫計(jì)算程序流程如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)罐維溫計(jì)算程序流程

3.2 設(shè)計(jì)界面

在設(shè)計(jì)過程中，考慮采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)界面，程序分為兩個(gè)界面，界面一用于輸入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，此部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是進(jìn)行程序計(jì)算的必要條件，需要設(shè)計(jì)人員進(jìn)行輸入，包括項(xiàng)目建設(shè)地區(qū)氣象資料、儲(chǔ)罐基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(如罐直徑、罐高、保溫層厚度及導(dǎo)熱系數(shù)等)和油品物理性質(zhì)(包括粘度、溫度、加熱的始溫及終溫等數(shù)據(jù))。

數(shù)據(jù)輸入后，程序進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示于界面二，主要包括儲(chǔ)罐罐壁傳熱系數(shù)和散熱量、罐頂傳熱系數(shù)和散熱量、罐底傳熱系數(shù)和散熱量，以及所需的總熱量。

4 計(jì)算實(shí)例

某油庫處于河北東部地區(qū)，建設(shè)地上10萬m3立式儲(chǔ)罐10座儲(chǔ)存原油，原油凝點(diǎn)較高，需要進(jìn)行加熱維溫儲(chǔ)存。采用本軟件對(duì)儲(chǔ)罐維溫所需熱量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與人工計(jì)算結(jié)果吻合。計(jì)算結(jié)果在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，能夠滿足儲(chǔ)罐維溫的需要。

操作流程：啟動(dòng)軟件，輸入已知參數(shù)，包括當(dāng)?shù)貧庀筚Y料、儲(chǔ)罐的基本數(shù)據(jù)及油品的相關(guān)物性等，如圖2所示的參數(shù)輸入界面；在已知參數(shù)輸入后，單擊計(jì)算按鈕，即可顯示散熱系數(shù)及散熱量等相關(guān)計(jì)算結(jié)果，如圖3所示的結(jié)果顯示界面。

圖2 參數(shù)輸入界面

圖3 儲(chǔ)罐散熱計(jì)算結(jié)果顯示界面

5 結(jié)束語

Visual Basic作為基于Windows的一種簡單易用的開發(fā)環(huán)境，具有良好的交互界面。筆者所建立的程序模型及其基于VB環(huán)境的實(shí)現(xiàn)具有較好的通用性，所提供的利用軟件計(jì)算儲(chǔ)罐維溫的方法在多個(gè)原油儲(chǔ)庫已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用，結(jié)果證實(shí)該方法能夠較好地確定儲(chǔ)罐散熱情況和加熱維溫需要熱量的計(jì)算，提高了計(jì)算效率和準(zhǔn)確性，提

高了設(shè)計(jì)效率，減輕了設(shè)計(jì)人員繁瑣的計(jì)算工作量。

[1] 李征西,徐思文.油品儲(chǔ)運(yùn)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:石油工業(yè)出版社,1997.

[2] 《石油和化工工程設(shè)計(jì)工作手冊(cè)》編委會(huì).石油和化工工程設(shè)計(jì)工作手冊(cè)(第六冊(cè))油氣儲(chǔ)庫工程設(shè)計(jì)[M].青島:中國石油大學(xué)出版社,2010.

[3] 《油氣田油氣集輸設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)》編寫組.油氣田油氣集輸設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)(上冊(cè))[M].北京:石油工業(yè)出版社,2009.

[4] 大慶油田科學(xué)研究設(shè)計(jì)院編寫組.油氣集輸貯運(yùn)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].大慶:大慶油田科學(xué)研究設(shè)計(jì)院,1975.

[5] 馬秀讓.油庫設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)[M].北京:中國石化出版社,2009.

[6] 郭光臣,董文蘭,張志廉.油庫設(shè)計(jì)與管理[M].北京:中國石油大學(xué)出版社,1994.

DesignofTemperature-keepingProgramforLargeStorageTanksBasedonVisualBasic

SONG Yi-wei, LI Qiang, ZHANG Zhao, CUI Hui-shan

(CNPCCPENorthChinaCompany,Renqiu062550,China)

The mathematical model for storage tank’s heat transfer coefficientKwas established in the process of calculating the tank’s ideal temperature, including the quantity of heat required by keeping the tank’s ideal