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        儲罐維溫的經(jīng)濟(jì)性分析

        2015-12-29 01:34:15周志強(qiáng)劉德俊梅宏林
        當(dāng)代化工 2015年3期
        關(guān)鍵詞:罐壁傳熱系數(shù)加熱器

        周志強(qiáng), 韓 鋼,劉德俊, 關(guān) 麗, 梅宏林

        (1. 遼寧石油化工大學(xué) 天然氣工程學(xué)院,遼寧 撫順 113001; 2. 舟山實(shí)華原油碼頭有限公司,浙江 舟山 316000)

        儲罐維溫的經(jīng)濟(jì)性分析

        周志強(qiáng)1, 韓 鋼2,劉德俊1, 關(guān) 麗1, 梅宏林3

        (1. 遼寧石油化工大學(xué) 天然氣工程學(xué)院,遼寧 撫順 113001; 2. 舟山實(shí)華原油碼頭有限公司,浙江 舟山 316000)

        原油儲罐的維溫方式有蒸汽維溫和熱水維溫兩種。針對兩種維溫方式的經(jīng)濟(jì)投入,采用C++編程對兩種方法所需的運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行對比分析,考慮儲罐的傳熱系數(shù)、溫降時(shí)間、原油性質(zhì)等參數(shù),通過控制熱水的流量使兩種維溫方式所需相近的加熱面積。結(jié)果表明,當(dāng)年周轉(zhuǎn)次數(shù)為6次時(shí),維溫范圍在25~40 ℃內(nèi),采用熱水加熱比蒸汽加熱節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用約10.34萬元。

        儲罐;蒸汽;熱水;維溫;數(shù)學(xué)模型;運(yùn)行費(fèi)用

        我國所產(chǎn)原油大多是易凝高粘原油[1]。為防止原油儲存期間發(fā)生凝罐事故,儲罐需要常年加熱[2]。儲罐維溫有兩種方式,蒸汽加熱和熱水加熱。

        采用蒸汽維溫時(shí),蒸汽的來源是鍋爐加熱使水沸騰產(chǎn)生的蒸汽,這一過程造成能量的大量浪費(fèi)[3]。熱水維溫是利用溫度的降低,利用顯然為原油提供熱量。因此,減少了能量的浪費(fèi)。

        目前對儲罐維溫方法這方面的研究比較少,主要集中在采用蒸汽對儲罐維溫時(shí)總運(yùn)行費(fèi)用的優(yōu)化分析[4];采用精細(xì)化管理對儲罐進(jìn)行維溫[5]。為解決能源浪費(fèi)問題,將蒸汽維溫改造成熱水加熱維溫,不僅節(jié)約了費(fèi)用還減少了污染。

        1 蒸汽維溫

        蒸汽維溫的運(yùn)行費(fèi)用:

        式中:H—消耗的蒸汽費(fèi)用,元;M—消耗的蒸汽質(zhì)量,kg;S—蒸汽的價(jià)格,元/kg;Q—單位時(shí)間內(nèi)散失到周圍介質(zhì)中的熱量,W;τ—油品維溫的總時(shí)間,s;iz—蒸汽的熱焓,kJ/kg;in—冷凝水的熱焓,kJ/kg。

        1.1 單位時(shí)間散失的熱量

        式中:K—儲罐的總傳熱系數(shù),W/(m·)℃;F—儲罐的總面積,m2(F=Aa+Ab+Ac,Aa=油罐頂?shù)拿娣e+(1-φ)Ab,Ab=π(D+2δb)Hφ,Ac=πR2,D為儲罐直徑,m;H為儲罐罐壁高度,m;δ為保溫層厚度,m;φ為儲罐裝滿系數(shù),φ=0.95;R為儲罐半徑,m);ty—原油的溫度,℃;tj—儲罐周圍空氣溫度,℃。

        其中儲罐總傳熱系數(shù)為:

        式中:Fbi、Fding、Fdi—罐壁、罐頂、罐底的面積,m2;Kbi、Kding、Kdi—罐壁、罐頂、罐底的傳熱系數(shù),W/(m·)℃。

        (1)罐壁的傳熱系數(shù)

        式中:λb—保溫層的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·)℃;δb—保溫層厚度,m。

        (2)罐頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)

        式中:δd—罐頂保溫層的厚度,m;λd—罐頂保溫層的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·)℃;λq—浮艙空氣的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·)℃;δq—浮艙空氣平均厚度,m;

        (3)罐底的傳熱系數(shù)

        罐底的傳熱系數(shù)可直接選用經(jīng)驗(yàn)值代入進(jìn)行計(jì)算(表1)[6,7]。

        表1 傳熱系數(shù)Table 1 Thermal conductivity

        1.2 維溫總時(shí)間

        式中:τ總—年操作時(shí)間,s;n—油品年周轉(zhuǎn)次數(shù)。

        式中:G—原油的總質(zhì)量,kg;c—原油的比熱容,kJ/(kg·)℃;K—原油到周圍介質(zhì)的總傳熱系數(shù),W/(m2·)℃ ;F—儲罐總面積,m2;ty—原油的溫度,℃;ty1—原油開始冷卻時(shí)的溫度,℃;ty2—原油冷卻終了的溫度,℃;tj—儲罐周圍介質(zhì)溫度,℃;τ—溫降時(shí)間,s;V—油品體積,m3;ρ—油品的密度,kg/m3;tyz—油品加熱的終了溫度,℃;tys—油品加熱的起始溫度,℃;G—儲罐內(nèi)油品的總質(zhì)量,kg;K0—蒸汽經(jīng)加熱器內(nèi)壁到油品的傳熱系數(shù),W/(m2·)℃;F0—加熱器的表面積,m2;t1—蒸汽溫度,℃;d415—油品的相對密度,d415=0.9;α—油品相對密度的溫度修正系數(shù),1/℃。

        1.3 數(shù)學(xué)模型

        式中:Tn—油品的凝點(diǎn),℃;Tc—油品儲存溫度,℃;Tf—發(fā)油溫度,℃。

        2 熱水維溫

        2.1 熱量計(jì)算

        在維溫的過程中,熱水顯熱給原油所提供的熱量等于原油吸收的熱量,據(jù)能量守恒得:

        式中:Q—油品維溫所需的熱量,W;Fi—罐壁、罐頂、罐底的面積,m2;Ki—罐壁、罐頂、罐底的傳熱系數(shù),W/(m·)℃。

        2.2 數(shù)學(xué)模型

        式中:qr—燃料油熱值,取qr=41 870 J/kg;ηr—加熱爐的綜合效率,無量綱;P—運(yùn)行時(shí)數(shù),h。

        3 加熱面積的計(jì)算

        其中:

        式中:R—加熱器的附加熱阻,m2·/W℃ ;λoptqu1—油品在定性溫度下tqu1時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);dos—加熱器外徑,m;n=0.3;di—加熱器的管內(nèi)徑,m;λstqu2—熱水在定性溫度下tqu2下的的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);u—熱水在加熱器管內(nèi)的流速,m/s;tbi—加熱器外管壁平均溫度,℃;tbi2—加熱器內(nèi)管壁平均溫度,℃;ts—熱水的平均溫度,℃;t1—熱水進(jìn)口溫度,℃;t2—熱水出口溫度,℃;c—熱水比熱容,c=4.18 kJ/(kg·)℃;K0—加熱器對油品的總傳熱系數(shù)[3]。

        4 實(shí)例計(jì)算分析

        已知某大型原油儲罐容量為10萬m3的,儲罐的平均直徑為79 m,儲油高度為18 m;罐壁采用巖棉作為保溫材料,保溫層厚度分別為 30 mm和60 mm。年開工時(shí)間為8 000 h,周轉(zhuǎn)次數(shù)為6次。罐內(nèi)有3組加熱盤管,采用表壓為0.2 MPa的蒸汽熱源,單價(jià)為200元。進(jìn)油溫度為40 ℃,維溫溫度為25~40 ℃,年平均氣溫為4 ℃,地表溫度為0 ℃,平均風(fēng)速為1.5 m/s。燃料油的低位熱值為41 870 J/kg,每噸燃料油按1 340元計(jì)算。

        計(jì)算過程見程序框圖1。

        圖1 程序框圖Fig.1 Computation flow-sheets

        圖2 維溫溫度為25~40 ℃時(shí)蒸汽維溫和熱水維溫年總費(fèi)用對比Fig.2 Comparison of annual costs of temperature-holding by steam and hot water between 25~40℃

        計(jì)算結(jié)果見圖2。從圖中可以看出,維溫不同,所需的蒸汽量和所需的燃油費(fèi)用也不同;隨著維溫溫度的升高,年總費(fèi)用也逐漸增加。當(dāng)年周轉(zhuǎn)次數(shù)為6次時(shí),采用熱水維溫比蒸汽維溫節(jié)省約10.34萬元;加熱面積增加約9.5 m2左右(圖3),若不更換加熱器,可根據(jù)熱平衡計(jì)算出熱水的流量(公式17),即加熱面積相同的情況下,控制熱水流量,可使加熱面積等于或稍小于原有加熱器的實(shí)際面積。

        圖3 不同溫度的加熱面積Fig.3 Heat area against different temperature

        5 結(jié) 論

        原油的密度、粘度以及比熱容隨儲存溫度的變化而變化,根據(jù)相關(guān)公式,年周轉(zhuǎn)次數(shù)相同的情況下,分別計(jì)算出采用蒸汽維溫和熱水維溫所需要總費(fèi)用。維溫范圍相同,采用熱水維溫比傳統(tǒng)的蒸汽維溫更節(jié)省能源,利于儲罐的運(yùn)行;加熱器的加熱面積可通過熱水的流速進(jìn)行調(diào)整,使得兩種維溫方式的加熱面積相近。綜合考慮了儲罐各運(yùn)行參數(shù)和兩種維溫方式對運(yùn)行費(fèi)用的影響,對實(shí)際生產(chǎn)中的節(jié)能降耗具有一定的參考價(jià)值。

        [1]王英,韓冬云,李丹東,等.高效脫鈣劑在遼河原油中的應(yīng)用[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào),2008, 28(3): 12-15.

        [2]范景彩.煉油廠油品罐區(qū)降低消耗的探討[J].應(yīng)用能源技術(shù),2007 (9): 14-16.

        [3]陳永坤.儲罐的熱水維溫計(jì)算與經(jīng)濟(jì)性分析[J].廣東化工,2012, 39(4): 255-256.

        [4]王芙,劉德俊,李小月,等.大型儲油罐運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算分析[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào),2014, 34(1): 52-55.

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        [6]Rodríguez I, Csdyto J, Pérez-Segarra C D, et al. Unsteady numerical simulation of the cooling process of vertical storage tanks under laminar natural convection[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2009, 48(4): 708-721.

        [7]郭光辰, 董文蘭, 張志廉.油庫設(shè)計(jì)與管理[M].東營: 中國石油大學(xué)出版社,2006.

        Economic Analysis of the Tank Temperature-holding

        ZHOU Zhi-qiang1,HAN Gang2,LIU De-jun1,GUAN Li1,MEI Hong-lin3

        (1. College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University , Liaoning Fushun 113001,China; 2. Zhoushan Shihua Crude Oil Dock Co., Ltd.,Zhejiang Zhoushan 316000, China)

        Crude oil storage tank temperature-holding has two kinds of ways: steam and hot water. In this paper, in view of economic input of the two ways, operation cost of the two methods were analyzed by using C + + programming. Considering the heat transfer coefficient of storage tank, temperature drop time, crude oil property parameters, etc., two temperature-holding methods had close heating area by controlling the flow of hot water. The results show that, when the turns are 6 times, the temperature range is 25 ℃ ~ 40℃,compared with steam heating ,operation cost of hot water heating can be saved about 103 400 Yuan.

        Oil storage tank; Steam;temperature-holding; Hot water; Mathematical model; Running cost

        TQ 051

        : A

        : 1671-0460(2015)03-0598-03

        2014-10-21

        周志強(qiáng)(1988-),男,碩士研究生,從事原油脫水溫度優(yōu)化研究。E-mail:443436880@qq.com。

        劉德?。?967-),男,碩士,副教授,從事油氣集輸系統(tǒng)工藝技術(shù)及污水處理研究。E-mail:ldj8448@163.com。

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